X波段SICL小型化帶通濾波器的設(shè)計(jì)

唐瑞瑞，黃玉蘭，唐 磊

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121)

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的普及，現(xiàn)代濾波器需要滿足小型化、高集成度、低成本等要求[1-3]?；刹▽?dǎo)(SIW)具有尺寸小[4],品質(zhì)因數(shù)(Q)值高[5]，損耗低和易于集成的特點(diǎn)[6-7]。電子科技大學(xué)已將SIW應(yīng)用于K波段的濾波器中，其中心頻率可以達(dá)到19.75 GHz[8]，針對(duì)Wi-Fi設(shè)計(jì)的SIW型帶通濾波器回波損耗可達(dá)-34 dB[9]。但由于SIW的尺寸不能隨意縮小，造成SIW在較低頻段尺寸較大[10]。因此，一種具有屏蔽的、非色散特性結(jié)構(gòu)的基片集成同軸線(SICL)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生[11]。和SIW相比，SICL在保持高性能屏蔽結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)尺寸更靈活，同時(shí)又可用簡(jiǎn)單且廉價(jià)的印制電路板(PCB)、CMOS、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)甚至薄膜電路等工藝實(shí)現(xiàn)，易與有源器件系統(tǒng)進(jìn)行集成[12-13]。目前，已運(yùn)用SICL結(jié)構(gòu)研究出濾波器、功分器及耦合器等多種微波器件。東南大學(xué)微波實(shí)驗(yàn)室提出一種以中心頻率2.2 GHz的SICL技術(shù)的小型表面掛載濾波器[14]。電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)出了一種新型的基于SIW和SICL復(fù)合結(jié)構(gòu)的雙帶帶通濾波器[15]。Mathieu Cariou等在SICL技術(shù)的研究上，利用8層金屬化組成的多層PCB設(shè)計(jì)和制造了一種三階的X波段濾波器[16-17]，但由于SICL器件的物理結(jié)構(gòu)，測(cè)試要求使用夾具進(jìn)行，則測(cè)試結(jié)果受夾具精度的影響較大[18]。

本文針對(duì)SIW濾波器尺寸過(guò)大和SICL的使用夾具測(cè)試引起的損耗問(wèn)題，主要分析了階躍阻抗(SIR)型SICL諧振器的設(shè)計(jì)原理和方法，提出了利用共面波導(dǎo)(CPW)向SICL諧振器提供激勵(lì)的方法，利用電耦合方式，設(shè)計(jì)了一種X波段帶通濾波器，濾波器階數(shù)僅為三階。利用SIR結(jié)構(gòu)有效地增加了帶寬，獲得了較低插損和較小尺寸。

1 SIR型SICL諧振器設(shè)計(jì)

1.1 SIR型SICL諧振器的原理

如圖1所示，SICL是一種屏蔽平面同軸傳輸線，由2層介電質(zhì)層、3層金屬層及2排金屬通孔構(gòu)成。圖中，H1為介質(zhì)層厚度，H2為粘結(jié)層厚度。SICL主要類似于一個(gè)矩形的同軸線，它保留了與平面電路相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)一步的兼容。本文的介質(zhì)板材選用Taconic公司的多層PCB板，介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角為0.000 9，厚為0.254 mm;粘結(jié)層相對(duì)介電常數(shù)為3.0，介質(zhì)損耗角為0.003 8，厚為0.12 mm；敷銅厚為0.036 mm。

圖1 SICL結(jié)構(gòu)模型

SIR型諧振器是由2個(gè)及2個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線，通過(guò)阻抗階躍結(jié)合面組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。SIR諧振器的開(kāi)路端和短路端具有電容效應(yīng)，可達(dá)到減小濾波器尺寸的目的。此外，SIR濾波器還可控制濾波器的寄生通帶。通過(guò)控制諧振器的阻抗比來(lái)控制諧振頻率，結(jié)合SIR設(shè)計(jì)出SICL型諧振器如圖2所示。圖中，p、d分別為相鄰金屬通孔間距和金屬通孔直徑，A為兩排金屬通孔距離，代表SICL結(jié)構(gòu)的外導(dǎo)體直徑，w1、w2分別為SICL內(nèi)導(dǎo)體直徑，L1、L2分別為SIR結(jié)構(gòu)中的短路端及開(kāi)路端傳輸線的長(zhǎng)度。諧振阻抗比為

(1)

式中：Rz為SIR結(jié)構(gòu)2個(gè)特性阻抗之比；Z1、Z2分別為短路端及開(kāi)路端阻抗。

圖2 SIR型SICL諧振器

1.2 諧振器激勵(lì)的引進(jìn)

為了解決用夾具測(cè)量SICL器件引起的濾波器損耗問(wèn)題，設(shè)計(jì)引進(jìn)了諧振器激勵(lì)。SICL由很多周期的金屬化通孔構(gòu)成，外加SICL集成于介質(zhì)基片上，由于大多測(cè)試要使用夾具進(jìn)行，使測(cè)試結(jié)果受夾具精度的影響較大。又因CPW可傳輸準(zhǔn)橫電磁波(TEM)，與SICL傳輸模式相同，因此，本文設(shè)計(jì)一種用CPW結(jié)構(gòu)引進(jìn)諧振器的激勵(lì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，w3為CPW中心導(dǎo)帶寬度加上2個(gè)縫隙的總距離。盲孔是由上層介質(zhì)上表面至粘結(jié)層下表面處，盲孔內(nèi)均填銅，目的是使SICL的內(nèi)導(dǎo)體與CPW結(jié)構(gòu)相連。根據(jù)諧振腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選擇抽頭式饋電，抽頭外接CPW結(jié)構(gòu)，由CPW結(jié)構(gòu)連接平面電路。

圖3 SICL諧振器的激勵(lì)引進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

1.3 激勵(lì)引進(jìn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析

諧振器外接CPW結(jié)構(gòu)阻值為50 Ω，CPW與抽頭的連接部分會(huì)造成信號(hào)的衰減，從而影響諧振器的性能。因此，我們改變CPW的盲孔直徑d1，得到d1和諧振器反射系數(shù)S11的關(guān)系曲線，如圖4所示。通過(guò)調(diào)節(jié)抽頭與接地端的距離S1可控制外接Q濾波器群時(shí)延的大小，群時(shí)延與S1的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 S11與d1仿真曲線

圖5 S11群時(shí)延與S1仿真曲線

根據(jù)圖4、5可看出：

1) 隨著d1的增大，反射系數(shù)S11相應(yīng)減小。d1越大，信號(hào)傳輸性能越好，表現(xiàn)出諧振通帶衰減越小，通帶內(nèi)反射系數(shù)的衰減越大。

2) 隨著d1的增大，諧振頻率隨之增大。d1的大小影響諧振器中的電磁場(chǎng)模式，隨之反映出諧振頻率的變化。

3) 當(dāng)S1變大時(shí)，群時(shí)延變大，群時(shí)延又與外界品質(zhì)因數(shù)正相關(guān)，即抽頭越接近接地端，外界品質(zhì)因數(shù)越大。

4) 當(dāng)S1變大時(shí)，諧振頻率會(huì)相應(yīng)減小，反之也成立。這說(shuō)明濾波器內(nèi)部抽頭會(huì)影響其諧振頻率，濾波器的頻率會(huì)降低。

因此，設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)配合相應(yīng)的盲孔直徑和抽頭與接地端的距離，適當(dāng)調(diào)節(jié)連接CPW結(jié)構(gòu)諧振器的諧振頻率，防止因盲孔和抽頭與接地端距離而導(dǎo)致頻率誤差。

2 濾波器的耦合及優(yōu)化仿真

2.1 諧振器的耦合

本文通過(guò)組合3個(gè)SICL型諧振器，應(yīng)用耦合系數(shù)法設(shè)計(jì)了中心頻率為10 GHz，帶寬1.5 GHz的濾波器。使用HFSS仿真諧振器間的耦合系數(shù)，雙諧振器的耦合方式如圖6所示，耦合系數(shù)大小通過(guò)耦合線的寬度Wk來(lái)調(diào)節(jié)。

圖6 耦合系數(shù)仿真模型

圖7為耦合系數(shù)k隨Wk變化的曲線。由圖可看出，隨著Wk的增大，耦合系數(shù)相繼增大，且k>0.08，為強(qiáng)耦合。Wk的增大不僅改變了耦合系數(shù)，也相應(yīng)地改變了濾波器的反射系數(shù)，圖8為反射系數(shù)隨Wk的變化曲線。由圖可看出，當(dāng)Wk增大時(shí)，反射系數(shù)、諧振帶寬隨之減小，濾波器的中心頻率變大。

圖7 耦合系數(shù)隨Wk的變化曲線

圖8 反射系數(shù)隨Wk的變化曲線

2.2 濾波器仿真結(jié)果

圖9為三階帶通濾波器的結(jié)構(gòu)。使用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，確定得到尺寸的最終值，如表1所示。

圖9 SICL型濾波器結(jié)構(gòu)圖

Sk/mmWk/mmL1/mmL2/mm10.62.41.3S1/mmw1/mmw2/mmWt1/mm10.232.730.2

SICL型濾波器占用空間為13 mm×7 mm，標(biāo)準(zhǔn)化體積為0.43λ0×0.023λ0(λ0為中心頻率在自由空間中的波長(zhǎng))，得到的曲線如圖10所示。

圖10 SICL型濾波器仿真曲線圖

由圖10可看出，SICL型濾波器的中心頻率為10 GHz，在通帶9.25～10.75 GHz內(nèi)，最小插入損耗為0.8 dB，其中包括CPW結(jié)構(gòu)引起的損耗，回波損耗大于19.5 dB。

2.3 濾波器性能對(duì)比

為突出SICL結(jié)構(gòu)的性能，將SICL濾波器與現(xiàn)今的主流結(jié)構(gòu)SIW型濾波器進(jìn)行對(duì)比分析，表2為SICL濾波器與SIW型濾波器的參數(shù)比較。

表2 SICL結(jié)構(gòu)與SIW結(jié)構(gòu)濾波器的參數(shù)比較

由表2可看出，與文獻(xiàn)[7-9]中SIW濾波器相比，本文SICL濾波器的插入損耗較高，帶寬寬，且標(biāo)準(zhǔn)體積較小。SIR結(jié)構(gòu)的加入，使諧振器的帶寬加寬，標(biāo)準(zhǔn)體積的改善是由于SICL諧振器的寬度尺寸由內(nèi)、外導(dǎo)體比值確定。與文獻(xiàn)[8]相比，由于SIW諧振器的窄帶寬，造成其所設(shè)計(jì)濾波器的諧振器數(shù)量增大，則尺寸相應(yīng)增大。文獻(xiàn)[9]是低頻波段SIW的應(yīng)用。由表2還可看出，若SIW濾波器面積小，同時(shí)帶寬會(huì)更小，驗(yàn)證了SIW更適合窄帶濾波器的設(shè)計(jì)，SICL型濾波器適合寬帶濾波器。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了SICL諧振器的性能，設(shè)計(jì)了中心頻率為10 GHz、帶寬15%的濾波器。提出由CPW引進(jìn)激勵(lì)于SICL諧振器的方式，激勵(lì)引進(jìn)結(jié)構(gòu)中的盲孔直徑會(huì)影響諧振器的本征頻率和傳輸性能。濾波器面積為13 mm×6 mm的諧振器，可與小型螺紋連接的同軸連接器 (SMA)接口直接連接。與SIW諧振器相比，SICL結(jié)構(gòu)尺寸縮小，且還可進(jìn)一步縮小。由此可得，SICL濾波器的面積可達(dá)0.43λ0×0.023λ0，損耗僅有0.8 dB。與SIW結(jié)構(gòu)相比，SICL結(jié)構(gòu)損耗低且便于集成。本設(shè)計(jì)為SICL結(jié)構(gòu)在微波領(lǐng)域的發(fā)展提供了一定的參考價(jià)值。