基于石英基片的W頻段微帶平行耦合濾波器研究

摘 ?要：文章介紹了一種應(yīng)用于W頻段的新型微帶平行耦合濾波器。由于采用低損耗的石英基片，該濾波器成為W頻段集成化低損耗帶通濾波器。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：該濾波器在4.8 GHz的帶寬內(nèi)，損耗優(yōu)于2 dB，駐波比優(yōu)于2，對(duì)偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號(hào)的抑制大于50 dBc，對(duì)偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號(hào)的抑制大于30 dBc。相較于傳統(tǒng)的腔體濾波器，該濾波器具有體積小、重量輕、易于一體集成等優(yōu)點(diǎn)，非常適合與W頻段的芯片集成，可大幅度減小收發(fā)組件的體積重量。

關(guān)鍵詞：W頻段;平行耦合微帶線;薄膜電路;石英基片

中圖分類號(hào)：TN713 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）24-0059-04

Abstract： This paper introduces a novel microstrip parallel coupled filter applied to W-band. Due to the use of low loss quartz substrate， the filter becomes a W-band integrated low loss bandpass filter. The experimental results show that within the bandwidth of 4.8 GHz， the loss of the filter is better than 2 dB， the standing wave ratio is better than 2， the suppression of the lower sideband signal deviated from the center frequency of 12.2 GHz is greater than 50 dBc， and the suppression of the upper sideband signal deviated from the center frequency of 11.8 GHz is greater than 30 dBc. Compared with the traditional cavity filters， this filter has advantages of small volume， light weight， and easy integration. Therefore， it is very suitable for integration with W-band chip， and can greatly reduce the volume and weight of T/R module.

Keywords： W-band; parallel coupled microstrip line; thin film circuit; quartz substrate

0 ?引 ?言

W頻段是指75 GHz～110 GHz范圍內(nèi)的無線電頻率，是大氣的一個(gè)窗口頻率。隨著毫米波技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)備的工作頻率不斷提升，W頻段作為大氣衰減較小的頻率，具有傳輸損耗較小，帶寬和通信容量較大的優(yōu)點(diǎn)，所以一直以來都是研究的熱點(diǎn)。

W頻段大帶寬的特點(diǎn)，使W頻段的設(shè)備在雷達(dá)、導(dǎo)引頭、通信等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1，2]。在雷達(dá)的應(yīng)用中，W頻段具有分辨率高、體積小的特點(diǎn)，易于應(yīng)用到小體積的平臺(tái)上;在通信的應(yīng)用中，W頻段具有大帶寬和體積小的特點(diǎn)，適合于高速通信。幾乎在所有的應(yīng)用中，對(duì)設(shè)備都有小型化的需求，其中W頻段天線由于波長較短，體積比微波頻段天線小，所以小型化的關(guān)鍵體現(xiàn)在W頻段的收發(fā)前端上。

國外在20世紀(jì)90年代就開始了W頻段收發(fā)前端的研究，特別是在集成方式上，進(jìn)行了基于CMOS等工藝的小型化W頻段收發(fā)前端的研制。國內(nèi)學(xué)者們也陸續(xù)在W頻段應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，但在集成方式和集成度等方面與國外還存在很大的差距，所研制出的收發(fā)前端體積也較大。在W頻段的收發(fā)前端中，有源芯片可采用裸芯片，進(jìn)行多芯片一體集成，或者采用多功能芯片以提高集成度，這樣便于實(shí)現(xiàn)小型化，實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵在于無源濾波器。

對(duì)于通過普通印制板加工工藝加工的微帶濾波器，由于加工精度低、介質(zhì)損耗大而無法應(yīng)用于K頻段及以上頻段。因此常見的W頻段濾波器為波導(dǎo)濾波器，波導(dǎo)濾波器具有性能好、損耗小等特點(diǎn)，但體積較大，對(duì)加工精度要求高，需要后期調(diào)諧，很難與芯片一體集成在收發(fā)組件中，嚴(yán)重制約了W頻段收發(fā)組件的小型化。

薄膜技術(shù)是一種高精度的加工技術(shù)，其加工精度可達(dá)微米級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于印制板工藝的加工精度，所以廣泛應(yīng)用于高頻率微波器件的加工[3]。薄膜技術(shù)常用的基板材料有純度為99.6%的Al2O3???陶瓷（下文簡稱“陶瓷”）、BeO、AlN、石英等。目前，薄膜濾波器已經(jīng)大量應(yīng)用于Ka頻段的收發(fā)組件中，基板材料采用Al2O3???陶瓷，該材料加工方便，損耗角小，廣泛應(yīng)用于Ka及以下頻段。但由于在Ka以上頻段中陶瓷的損耗角大，還會(huì)有比較大的色散，同時(shí)介電常數(shù)高，容易產(chǎn)生高次模，所以W頻段陶瓷微帶濾波器的使用頻段受到很大的限制。

石英基板具有非常小的損耗角（0.015‰），約為陶瓷???基板的十分之一，且介電常數(shù)較陶瓷基板低，其工作頻率可高達(dá)太赫茲，有利于高頻微帶濾波器的研制[4]。且其色散小、介電常數(shù)穩(wěn)定，在研制W頻段等高頻段的微帶濾波器時(shí)也比較容易控制頻率的偏移。

采用石英基板制作的薄膜電路在國外已有廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用還較少。本文在Ka頻段陶瓷濾波器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于石英基板的平行耦合微帶濾波器，此濾波器可應(yīng)用于W頻段，且損耗較低。此濾波器已在一套W頻段的收發(fā)組件中成功地替代了波導(dǎo)濾波器，實(shí)現(xiàn)了電路的平面集成，為W頻段收發(fā)組件的設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇。

1 ?基于石英基片的W頻段微帶平行耦合濾波器的設(shè)計(jì)

石英濾波器是根據(jù)某W頻段收發(fā)組件的濾波器要求而設(shè)計(jì)的，該收發(fā)前端應(yīng)用于某雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)小型化要求較高，需要濾波器與芯片進(jìn)行一體集成。濾波器的指標(biāo)為：中心頻率為76.2 GHz;帶寬≥1 GHz;插入損耗≤6 dB;下邊帶抑制——對(duì)偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號(hào)抑制大于30 dBc;上邊帶抑制——對(duì)偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號(hào)抑制大于30 dBc。

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)微帶濾波器，具體設(shè)計(jì)過程包括選擇基板、電路設(shè)計(jì)、建立模型仿真三個(gè)部分。

1.1 ?選擇基板

基板的選擇主要包括材料和厚度兩個(gè)方面。材料方面，相比微波頻段的基板，需要仔細(xì)考慮損耗角與介電常數(shù)的穩(wěn)定性;損耗角方面，在損耗角相同的情況下，隨著頻率的增加損耗會(huì)大幅度上升，W頻段普通材料的損耗角會(huì)帶來很大的損耗，所以需要選擇損耗角較小的材料。介電常數(shù)方面，基板的介電常數(shù)會(huì)由于批次的不同而存在一定的差異，造成濾波器頻率的偏移。在微波頻段，由于頻率低，諧振器電長度長，其變化所帶來的絕對(duì)頻率偏移較小，而在W頻段，由于頻率高，諧振器電長度短，介電常數(shù)任何一個(gè)微小的變化都會(huì)造成頻率的巨大偏移;同時(shí)由于基板可能存在色散，普通基板在W頻段的介電常數(shù)與微波頻段的介電常數(shù)差異較大，這會(huì)進(jìn)一步加劇仿真與實(shí)測(cè)的差異。因此，W頻段的濾波器需要選擇損耗角低、色散小、介電常數(shù)穩(wěn)定的材料，各類材料中，石英最符合W頻段濾波器對(duì)基板的需求。

在厚度方面，由于工作的頻率較高，TEM模容易與表面波耦合[5]，所以在選擇基板時(shí)，應(yīng)該在滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下選擇較薄的石英基板?；逶奖?，越不容易產(chǎn)生高次模，此外由于石英本身比較脆，成品率略低，加工成本偏高。石英基板主要有0.254 mm、0.127 mm、0.05 mm三種規(guī)格，0.254 mm的基板太厚，容易產(chǎn)生高次模，無法在W頻段應(yīng)用;0.05 mm的基板太薄，加工難度大，成品率低，成本高，而且在安裝時(shí)也容易破碎;0.127 mm厚的基板不會(huì)產(chǎn)生高次模，加工的成品率較高，安裝時(shí)也不容易破碎。綜上所述，本文給出的微帶濾波器選擇的是厚度為0.127 mm的石英基板，石英基板的照片如圖1所示。

1.2 ?電路設(shè)計(jì)

微帶濾波器的形式選擇平行耦合濾波器，主要原因是平行耦合濾波器比較容易實(shí)現(xiàn)較大的耦合度，并且抑制度較高。濾波器的電路原理框圖如圖2所示，采用三級(jí)諧振器，輸入的信號(hào)經(jīng)過諧振器1、諧振器2、諧振器3耦合到輸出端，諧振器1與諧振器3之間引入一個(gè)交叉耦合，在S參數(shù)曲線上形成一個(gè)零點(diǎn)，提高濾波器的矩形系數(shù)。

在諧振器具體電路的實(shí)現(xiàn)方面，由于W頻段電磁波的輻射較強(qiáng)，在開放空間中很難實(shí)現(xiàn)高抑制，必須配有金屬截止腔對(duì)輻射的電磁波進(jìn)行截止。采用傳統(tǒng)的平行耦合濾波器，由于諧振器的長度固定，因此屏蔽腔的寬度受諧振器長度的制約，很難做窄，影響諧振器的帶外抑制，甚至?xí)趲?nèi)出現(xiàn)諧振點(diǎn)。本文所介紹的濾波器在傳統(tǒng)平行耦合濾波器的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)諧振器的位置進(jìn)行了重新排布，既可實(shí)現(xiàn)諧振器1與諧振器3之間的交叉耦合，又便于壓窄屏蔽腔的寬度，濾波器的具體電路圖如圖3所示。

圖中作為安裝環(huán)境的金屬腔體是濾波器非常重要的組成部分，對(duì)高達(dá)88 GHz的信號(hào)有截止作用。結(jié)合腔體的可加工性和可組裝性，本文選取長寬均為1.5 mm的金屬腔體，根據(jù)矩形波導(dǎo)，截止波長的公式為[6]：

頻率最低的TE10模的截止頻率為100 GHz，高于需要抑制的頻率88 GHz，可以實(shí)現(xiàn)截止功能。

1.3 ?建立模型仿真

在確定濾波器的形式后，開始建模仿真。先在ADS軟件中建立濾波器的電路模型，根據(jù)電路模型進(jìn)行仿真，確定濾波器的初值，再采用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行場(chǎng)仿真，確定濾波器的具體參數(shù)。鑒于本文所介紹的結(jié)構(gòu)為平面電路，所以選用的仿真軟件為ansoft公司的Designer，仿真的主要參數(shù)為介電常數(shù)εr=3.8、介質(zhì)損耗角σ=0.015‰、基板厚度h=0.127 mm、鍍金層厚度t=4 um，仿真模型如圖4所示。

W頻段微帶平行耦合濾波器的仿真結(jié)果如圖5所示，圖中1點(diǎn)表示中心頻率，2點(diǎn)和3點(diǎn)表示偏離中心頻率500 MHz的兩點(diǎn)（即要求的通帶），4點(diǎn)和5點(diǎn)表示指標(biāo)要求的抑制點(diǎn)。從圖5中可以看出，通帶和抑制度均能滿足組件的應(yīng)用要求。

同時(shí)由于W頻段的頻率較高，加工誤差、基板厚度和介電常數(shù)的批次性變化會(huì)對(duì)濾波器的帶寬和中心頻率產(chǎn)生比較大的影響，因此必須在仿真階段進(jìn)行充分的容差分析。充分考慮對(duì)濾波器影響最大的三個(gè)方面（即薄膜電路的加工精度變化、石英基板的厚度變化和石英基板介電常數(shù)的批次性變化），按照最大的偏移進(jìn)行仿真，以保證最后加工出的濾波器的成品率。

薄膜基片的加工精度為±2.5 um，加工誤差會(huì)造成濾波器中諧振器長度和耦合度的變化，從而影響濾波器的中心頻率和帶寬。陶瓷基片的厚度變化為±12.7 um，厚度變化會(huì)影響諧振器的對(duì)地電容，進(jìn)而影響濾波器各級(jí)諧振器之間的耦合度，最終改變?yōu)V波器的中心頻率和帶寬。石英基板介電常數(shù)的變化為±0.05，介電常數(shù)的批次性變化會(huì)造成濾波器電長度的變化，從而導(dǎo)致濾波器頻率的變化。

影響濾波器的因素較多，在仿真時(shí)只考慮兩種極端情況，若在這兩種極端情況下濾波器的仿真結(jié)果能夠滿足指標(biāo)要求，那么加工而成的濾波器就能夠滿足指標(biāo)要求。

第一種情況是基板介電常數(shù)εr=3.75，基板厚度h=0.114 3 mm，電路的加工誤差取-2.5 um。在這種情況下，濾波器的中心頻率會(huì)向高頻方向產(chǎn)生最大的偏移，同時(shí)帶寬最窄，濾波器容差仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出，仍然滿足指標(biāo)要求。

第二種情況是基板介電常數(shù)εr=3.85，基板厚度h=0.139 7 mm，電路的加工誤差取+2.5 um。在這種情況下，濾波器的中心頻率會(huì)向低頻方向產(chǎn)生最大的偏移，同時(shí)帶寬最寬，濾波器容差仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出，仍然滿足指標(biāo)要求。

2 ?W頻段微帶平行耦合濾波器測(cè)試結(jié)果

W頻段微帶平行耦合濾波器的實(shí)物照片如圖8所示，由于石英基板是透明的，圖中顯示出的黑色是金屬襯底的顏色。

由于W頻段濾波器的頻段較高，不能采用在片測(cè)試或開放腔測(cè)試，因此設(shè)計(jì)了波導(dǎo)接口的測(cè)試夾具，自帶屏蔽腔，該測(cè)試方式同時(shí)還模擬了濾波器在收發(fā)組件中的安裝情況，與最終應(yīng)用的條件相吻合。測(cè)試所用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為安立公司的ME7838A，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，該濾波器在4.8 GHz的帶寬內(nèi)，損耗優(yōu)于2 dB（圖中顯示損耗為3.3 dB，而測(cè)試系統(tǒng)的損耗為2 dB，可計(jì)算得到濾波器的損耗為1.3 dB），駐波比優(yōu)于2，對(duì)偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號(hào)抑制大于50 dBc，對(duì)偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號(hào)抑制大于30 dBc。結(jié)果表明，該濾波器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

3 ?結(jié) ?論

本文對(duì)應(yīng)用于W頻段的石英基板平行耦合濾波器進(jìn)行研究分析并得出一些結(jié)論，該濾波器采用平行耦合的電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)W頻段的特點(diǎn)，進(jìn)行了電路形式的改進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較窄的屏蔽腔，在高頻段實(shí)現(xiàn)較高的抑制度。同時(shí)該濾波器采用0.127 mm的石英作為基板材料，在高頻段實(shí)現(xiàn)了低損耗。最終研制出的濾波器可在W頻段實(shí)現(xiàn)較低的損耗和較高的抑制，相比波導(dǎo)濾波器更易于平面集成。該濾波器能夠滿足一種W頻段收發(fā)前端的應(yīng)用要求，可替代波導(dǎo)濾波器，為W頻段收發(fā)組件的設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

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作者簡介：蔡喆（1982.09—），男，漢族，四川綿陽人，工程師，碩士，研究方向：毫米波組件電路。