Ka波段微帶濾波器的仿真與測試

鄧慶文　范童修　盧勝軍

摘 要： 微帶濾波器在電子工程領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一款Ka波段微帶濾波器并通過測試夾具研究鍵合線及鍵合微帶線間隙對其性能的影響。結(jié)合電磁仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 鍵合金絲及鍵合微帶線間隙在高頻條件下引入的寄生參數(shù)惡化濾波器的駐波，通過提取相應(yīng)的等效參數(shù)，并對鍵合端點(diǎn)進(jìn)行阻抗匹配，再次進(jìn)行電磁場仿真，結(jié)果表明濾波器的駐波有了明顯的改善。

關(guān)鍵詞： 微帶濾波器； 鍵合線； ADS； HFSS； 寄生參數(shù)

中圖分類號： TN713?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0149?03

Simulation and testing of Ka?band microstrip filter

DENG Qing?wen， FAN Tong?xiu， LU Sheng?jun

（No.36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： Microstrip filters are widely used in the electronic engineering field. A Ka?band microstrip filter was designed and tested for the target to investigate return loss and insertion loss from bonding wire and gap between bonding microstrip wires. The results show that the gap between gold bonding wire and microstrip wire may deteriorate the standing wave of the filter if pa?rasitic parameter is introduced under the condition of high frequency. After the equivalent parameters was extracted and impe?dance was matched at the bonding endpoint， another electromagnetic field simulation was carried out. The result indicates that the standing wave of the filter is improved obviously.

Keywords： microstrip filter； bonding wire； ADS； HFSS； parasitic parameter

0 引 言

濾波器作為信號處理鏈路中的關(guān)鍵器件，不僅可以實(shí)現(xiàn)信號分離、抑制干擾，還可以起阻抗變換、阻抗匹配和延遲信號的作用。濾波器的性能直接影響系統(tǒng)的性能，因此，設(shè)計(jì)并制備出性能優(yōu)越的濾波器對保證射頻、微波信號處理系統(tǒng)的性能具有十分重要意義。與集總參數(shù)元件濾波器相比，微帶線濾波器具有重量輕、體積小、易于加工集成、易于與射頻電路匹配等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于射頻、微波等頻率較高的通信電路中[1?4]。濾波器的工作頻率是決定濾波器尺寸的關(guān)鍵因素，對體積小、工作頻率高的微帶線濾波器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要將濾波器輸入、輸出微帶線與上一級元器件的輸出端和下一級的輸入端相連，一般通過鍵合線或者微帶線轉(zhuǎn)SMA接頭來連接。由于金絲鍵合處的不連續(xù)性和鍵合端口微帶線之間的間隙在高頻下的寄生參數(shù)導(dǎo)致濾波器的測試性能與實(shí)際性能有所不同，只有將金絲鍵合模型參數(shù)提取出來并在測試過程中進(jìn)行校正，才能使實(shí)測結(jié)果逼近真實(shí)結(jié)果。因此，提取金絲鍵合處的等效模型已經(jīng)成為微帶線濾波器精確測試需要解決的首要問題，本論文主要針對這個(gè)問題開展研究。

1 仿 真

設(shè)計(jì)一款工作頻率在Ka波段的濾波器，目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

（1） 中心頻率30.2 GHz，相對帶寬為7.95%；

（2） 偏離中心頻率3 GHz處帶外抑制高于30 dB；

（3） 介質(zhì)基板厚度為0.254 mm，相對介電常數(shù)為9.8。

使用空間映射法[5～7]在理想空氣腔體（長、寬與濾波器基板一致）中進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過不斷優(yōu)化后的最終仿真結(jié)果如圖1所示，從圖中可以看出，濾波器中心頻率為30.2 GHz，通帶為29～31.4 GHz，將濾波器物理參數(shù)提取出來后用薄膜電路工藝進(jìn)行實(shí)物加工，加工精度為2 μm。

2 測 試

濾波器的測試系統(tǒng)如圖2所示，待測濾波器通過鉛錫合金共晶燒結(jié)在測試載片上，載片通過4顆螺釘與測試腔體固定，輸入、輸出K接頭的波珠與50 Ω微帶線焊接，最后通過鍵合金絲將50 Ω微帶線與濾波器相連，微帶線與濾波器輸入、輸出微帶線之間的間隙為0.1 mm?？紤]腔體對測試結(jié)果的影響，將濾波器置于圖2所示的測試夾具中再次進(jìn)行電磁場仿真，如圖3所示。

濾波器放入測試夾具后開蓋仿真結(jié)果如圖4所示，與圖1相比，濾波器的插入損耗顯著增加，帶內(nèi)波動(dòng)惡化，駐波變差。金絲鍵合及波珠與微帶的轉(zhuǎn)換過程中的不連續(xù)性引起的阻抗失配導(dǎo)致駐波變差，表面不光滑的微帶線和金絲引入較大的電阻，導(dǎo)致濾波器的插入損耗增加。

圖5為實(shí)測結(jié)果（橫坐標(biāo)25～35 GHz，1 GHz/格；縱坐標(biāo)10 dB/格），從圖中得知濾波器插損為3.1 dB，帶內(nèi)波動(dòng)為1.9 dB，回波損耗為11.2 dB。測試前使用直通50 Ω微帶線代替濾波器用于校準(zhǔn)駐波，圖5的實(shí)測結(jié)果駐波優(yōu)于圖4所示的仿真結(jié)果，主要是因?yàn)閷?shí)測時(shí)駐波使用了直通微帶線進(jìn)行校準(zhǔn)，鍵合線及微帶線間隙寄生參數(shù)的影響已基本消除。實(shí)測插入損耗比仿真結(jié)果差，這主要是因?yàn)榉抡鏁r(shí)金絲、微帶線被視為理想導(dǎo)體，且表面光滑，其電阻被忽略。

3 參數(shù)提取

為研究鍵合線對濾波器性能的影響，將金絲等效為電阻與電感串聯(lián)后再和電容并聯(lián)，微帶線與濾波器輸入、輸出端口之間的縫隙等效為接地電容。通過ADS建立等效電路模型并將濾波器在測試腔體模型中的電磁仿真結(jié)果與理想空氣腔體中的電磁仿真結(jié)果進(jìn)行對比，將等效電感、電容設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。經(jīng)過優(yōu)化后得到金絲的電感值約為0.05 nH，金絲對地電容約為0.05 pF，微帶線與濾波器輸入、輸出端口之間的縫隙等效的耦合電容約為1 nF。

為補(bǔ)償因鍵合線及縫隙電容所惡化的駐波，用漸變線代替測試端口微帶線，采用圖7所示的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化漸變線參數(shù)。將濾波器換成同一基板介質(zhì)的50 Ω微帶線，再進(jìn)行電磁場仿真，對比金絲鍵合前后的仿真結(jié)果，如圖8所示。從圖8中可以看出，直通時(shí)由于鍵合線的寄生電感，輸入輸出端口微帶線之間的間隙電容引入的寄生參數(shù)惡化了駐波，并且插損也略有增加。

將圖8所示的電磁仿真結(jié)果導(dǎo)入ADS中，經(jīng)過優(yōu)化后，微帶線末端改為漸變線進(jìn)行阻抗匹配。使用匹配后的漸變微帶線對濾波器測試腔體再次建立模型，并進(jìn)行電磁場仿真，圖9為匹配前后的仿真結(jié)果對比圖。通過圖9可以看出，經(jīng)過漸變微帶線匹配后的回波損耗為12 dB，與實(shí)測值11.2 dB很接近，這表明在微帶線末端使用漸變線進(jìn)行匹配可以很好地校準(zhǔn)鍵合線和微帶線輸入、輸出端口之間的間隙引入的寄生參數(shù)，從而使測試結(jié)果更加逼近真實(shí)值。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并加工了一款可在Ka波段工作的耦合微帶線濾波器作為微帶線與金絲鍵合的研究模型。通過仿真與測試相結(jié)合，提取鍵合處寄生參數(shù)的等效電路模型，最后通過漸變線優(yōu)化駐波，優(yōu)化后的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相吻合。

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