微波濾波器小型化技術(shù)研究

譚小花，金寶龍，錢(qián)志芳，張榮君

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802；2.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433）

0 引 言

微波濾波器的小型化、集成化、便捷化是現(xiàn)代武器裝備發(fā)展的重要方向之一，現(xiàn)代雷達(dá)偵察設(shè)備在要求其微波接收前端的電性能優(yōu)異的同時(shí)，也需要其結(jié)構(gòu)上高度集成，并嚴(yán)格控制尺寸和重量。所以新型化、小型化的微波濾波器是目前元器件研究開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。

傳統(tǒng)的平行耦合線式濾波器由一系列半波長(zhǎng)諧振器級(jí)聯(lián)而成，雖然其印刷電路形式相對(duì)簡(jiǎn)單，但體積較大，并且其阻帶特性也不十分理想，在ω＝2ω0處稍有失諧，就會(huì)出現(xiàn)寄生通帶［1-2］。Cristal和Frankel將半波長(zhǎng)的開(kāi)路諧振器折疊，形成發(fā)夾線諧振器［3］。1989年，Sagawa等提出四分之波長(zhǎng)、二分之波長(zhǎng)和全波長(zhǎng)的階躍阻抗諧振器（SIR），既減小了電路尺寸又將濾波器的寄生通帶移至頻率更高端［4］。與此同時(shí)，各種新穎的微型結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)，比如：缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）［5］、慢波結(jié)構(gòu)［6］及雙模結(jié)構(gòu)［7］等。另外，近年來(lái)新材料和新技術(shù)的出現(xiàn)也刺激了濾波器小型化技術(shù)的飛速發(fā)展，如高溫超導(dǎo)材料（HTS）［8］、低溫共燒陶瓷（LTCC）［9］、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）等。

總之，這些年人們對(duì)微波濾波器的小型化技術(shù)進(jìn)行了很多方面的探究，本文致力于探索與研究采用階躍阻抗諧振器、慢波結(jié)構(gòu)、高介電常數(shù)材料、多層技術(shù)等結(jié)構(gòu)濾波電路的設(shè)計(jì)，以求對(duì)微波濾波器的工程應(yīng)用提供有價(jià)值的參考。

1 微波濾波器小型化技術(shù)分析

鑒于前文所提到的多種當(dāng)前濾波器小型化手段，本文著重討論以下幾種新技術(shù)，并通過(guò)EDA軟件建模仿真來(lái)研究它們?cè)谖⒉娐飞系膽?yīng)用。

（2）采用DGS慢波結(jié)構(gòu)。DGS是在傳輸線的金屬接地板上刻蝕缺陷實(shí)現(xiàn)的［10］。電磁波在缺陷地結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)，某些頻帶內(nèi)的電磁波將被禁止，即DGS具有阻帶特性；同時(shí)形成一種慢波結(jié)構(gòu)，具有慢波特性。由于慢波結(jié)構(gòu)，電磁波的有效波長(zhǎng)增加，因此使用DGS可以獲得更緊湊的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）采用高介電常數(shù)材料。高介電常數(shù)材料作微帶濾波器介質(zhì)基片或填充腔體濾波器，可以減小傳統(tǒng)濾波器的體積［11］。這是因?yàn)椴▽?dǎo)波長(zhǎng)與介電常數(shù)成反比，介電常數(shù)越大，波導(dǎo)的波長(zhǎng)就會(huì)越短，而一般濾波器都是由二分之一波長(zhǎng)或四分之一波長(zhǎng)諧振器構(gòu)成的，因此，采用高介電常數(shù)材料能有效減小濾波器的體積。

（4）采用LTCC多層技術(shù)。低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的出現(xiàn)，使微波器件小型化得到快速發(fā)展，如低通／高通／帶通濾波器、雙工器等疊層微波器件獲得廣泛應(yīng)用。LTCC技術(shù)結(jié)合共燒技術(shù)和厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，所有電路被疊層熱壓并一次燒結(jié)，節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，也減小了電路的尺寸；而對(duì)于射頻微波領(lǐng)域，更重要的是它具有高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。因此LTCC成為民用和軍品電子系統(tǒng)理想的選用材料。

2 濾波器小型化設(shè)計(jì)方法與實(shí)例

2.1 采用階躍阻抗諧振器（SIR）

SIR的微帶形式如圖1，是一種非常有用的諧振器結(jié)構(gòu)。在微波電路中，為了解決阻抗不同的元件、器件相互連接而又不使其各自的性能受到嚴(yán)重的影響，常用到各種形式的SIR。然而直到20世紀(jì)80年代初期，日本的Makimoto和S.Yamashita等人才把階躍阻抗結(jié)構(gòu)用于濾波器的設(shè)計(jì)。圖1所示的均勻阻抗諧振器UIR的諧振頻率一般只決定于諧振器的長(zhǎng)度，并在兩倍頻處會(huì)出現(xiàn)寄生通帶。而使用SIR諧振則可通過(guò)改變阻抗比來(lái)控制諧振器的諧振器頻率和高次諧波，把濾波器的寄生移到更高頻段。

圖1 UIR和SIR諧振器結(jié)構(gòu)

2.1.1 1／2λ0短截線帶通濾波器

帶通濾波器中的串聯(lián)或并聯(lián)電感電容（LC）諧振電路可以利用1／2λ0或1／4λ0的短路或開(kāi)路線取代。1／2λ0短路線可等效為串聯(lián)LC諧振電路，1／2λ0開(kāi)路線等效為并聯(lián)LC共振電路；同樣地，1／4λ0開(kāi)路線可等效為串聯(lián)LC共振電路，1／4λ0短路線可等效為并聯(lián)LC共振電路，這些概念對(duì)于設(shè)計(jì)電路相當(dāng)有用。經(jīng)由上述原理，設(shè)計(jì)帶通濾波器可利用1／2λ0開(kāi)路及1／4λ0短路短截線來(lái)實(shí)現(xiàn)。若考慮電路尺寸，使用1／4λ0短路短截線優(yōu)于1／2λ0開(kāi)路短截線。然而，使用1／4λ0短路短截線必須將電路貫孔。這樣一來(lái)不但在制作過(guò)程中多增添了一道手續(xù)，同時(shí)還會(huì)給電路本身帶來(lái)不確定性而導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。為了避免這些問(wèn)題的產(chǎn)生，決定使用1／2λ0開(kāi)路短截線來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波器。圖2所示為1／2λ0短截線帶通濾波器及其等效電路。

圖2 1／2λ0短截線帶通濾波器及其等效電路

由圖3可知，帶通濾波器的中心頻率為4.5GHz，通帶插損小，約為-0.20dB，且回波損耗都低于-10dB，但這種濾波器在通帶外的高次諧波靠得很近，電路的尺寸偏大（20mm×60mm）。

圖3 1／2λ0短截線帶通濾波器的仿真結(jié)果圖

2.1.2 SIR聯(lián)接線帶通濾波器

圖4 傳輸線及其等效電路

如果該傳輸線夠短（例如ωl／v＜π／4），且特性阻抗很高，則X≈Z0ωl／v，B≈0，其等效電路中只有1個(gè)串聯(lián)感抗X；如果該傳輸線夠短，且特性阻抗很低，則X≈0，B≈Y0ωl／ν，其等效電路中只有1個(gè)并聯(lián)電容。由高阻抗線與低阻抗線結(jié)合而成的SIR如圖5所示，高阻抗（Z0＝Zh，Zh為高阻抗）線可近似為一串聯(lián)電感，而并聯(lián)電容用低阻抗（Z0＝Zl，Zl為低阻抗）線近似，Zh／Zl的比值越高越好，應(yīng)參考其實(shí)際加工能力。

圖5 SIR及其等效電路

因?yàn)閭鬏斁€的長(zhǎng)度必須夠短（通常選其長(zhǎng)度l＜λ／8），所以電路尺寸大大縮小。對(duì)應(yīng)的帶通濾波器電路及其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 SIR帶通濾波器及其仿真結(jié)果

由圖6可知，相對(duì)于傳統(tǒng)的1／2λ0短截線帶通濾波器，SIR聯(lián)接線帶通濾波器的帶外抑制更高，二次諧波被抑制使得阻帶更寬，更重要的是，電路尺寸縮小至14mm×24mm，縮小比例高達(dá)70%。

2.2 采用缺陷地（DGS）慢波結(jié)構(gòu)

DGS起源于光波領(lǐng)域，是光子帶隙結(jié)構(gòu)的一種新的發(fā)展形式。它是在傳輸線的金屬地平面上蝕刻規(guī)則的幾何圖形和縫隙作為DGS單元結(jié)構(gòu)［10］，相當(dāng)于在傳輸線上引入等效電感和電容，改變了接地板上的電流分布及傳輸線的傳輸特性，使其具有了帶隙特性和慢波特性。慢波結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)波長(zhǎng)短，因此慢波結(jié)構(gòu)可以減小傳統(tǒng)濾波器的體積。

DGS作為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)低通、帶通和帶阻濾波器。它能在不影響通帶性能的同時(shí)，有效地抑制高次諧波，拓寬了阻帶范圍。另外，DGS是在微帶板的接地面上蝕刻的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，不增加原微波結(jié)構(gòu)的尺寸，從而節(jié)省了電路尺寸（實(shí)例中的電路尺寸為20mm×14mm），很適宜微波集成小型化的需求。圖7所示為一種采用了啞鈴型DGS的帶通濾波器電路及其仿真結(jié)果。

圖7 啞鈴型DGS帶通濾波器及其仿真結(jié)果

2.3 采用高介電常數(shù)材料

由于諧振器的波長(zhǎng)與εr成反比，εr越大，諧振器的波長(zhǎng)就越短，而一般濾波器都是由1／2λ0或1／4λ0諧振器構(gòu)成的，因此采用高介電常數(shù)材料可以有效減小濾波器的體積。

圖8為一種采用了高介電常數(shù)材料（εr＝9.8）的1／2λ0短截線帶通濾波器電路與原2.1.1節(jié)中低介電常數(shù)（εr＝2.55）時(shí)的電路，圖9為該電路的仿真結(jié)果。顯然，采用高介電常數(shù)材料能在幾乎不增加通帶插損負(fù)擔(dān)的情況下，大大縮減電路尺寸［11］。

圖8 高εr與低εr帶通濾波器電路對(duì)比圖

2.4 采用多層技術(shù)

圖9 1／2λ0 短截線（εr＝9.8）帶通濾波器的仿真結(jié)果圖

相比較微帶單層濾波器而言，多層濾波器能大大減小濾波器的體積，并為微帶濾波器的設(shè)計(jì)提供多維設(shè)計(jì)空間。比方說(shuō)層疊片式LTCC微波濾波器就是一種新型的濾波器，它最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初，而國(guó)內(nèi)直到最近幾年，才開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究。層疊片式LTCC微波濾波器中，不但在同一層中存在電磁耦合，在垂直的層與層之間也存在著電磁耦合，有些層與層之間由通孔相互連接。基于低溫共燒陶瓷的層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效減小器件體積，是實(shí)現(xiàn)元器件向小型化、片式化、高可靠性和低成本發(fā)展的有效途徑。

圖10為采用LTCC技術(shù)的多層帶通濾波器及其仿真結(jié)果，其電路尺寸為2.4mm×4.2mm，使微波濾波器進(jìn)一步微型化。

圖10 LTCC帶通濾波器及其仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例仿真詳細(xì)闡述了采用階躍阻抗諧振器（SIR）、慢波結(jié)構(gòu)（DGS）、高介電常數(shù)材料、多層技術(shù)（LTCC）等微波濾波器的小型化設(shè)計(jì)技術(shù)。在這里還要說(shuō)明一點(diǎn)，這些方法并不是孤立的，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況，靈活應(yīng)用這些方法盡可能將它們結(jié)合起來(lái)，從而最大程度地減小濾波器體積，達(dá)到小型化的目的。比方說(shuō)以高介電常數(shù)材料為基板，設(shè)計(jì)一階躍阻抗諧振器的帶通濾波器，在其背面的接地面上蝕刻啞鈴型DGS以拓寬其阻帶。當(dāng)然，由于微波濾波器的尺寸體積非常小，不僅諧振器之間，而且諧振器與周?chē)钠帘螌?dǎo)體之間的距離都很近，相互影響非常大，所以實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中必須充分考慮這些相互影響，才能最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

隨著電子系統(tǒng)沿著體積小、重量輕和性能高的方向不斷發(fā)展，研制尺寸小的高性能微波濾波器便成了一項(xiàng)緊迫的技術(shù)課題。本文通過(guò)探索研究多種微波濾波器的小型化技術(shù)，給今后微波濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有價(jià)值的參考。至于設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)于諧振器與屏蔽導(dǎo)體之間距離的相互影響，有待進(jìn)一步探索和總結(jié)。

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