一種近似芯片級(jí)尺寸的小型化微帶點(diǎn)頻濾波器

摘" 要： 射頻濾波器作為具備信號(hào)篩選功能的射頻器件，對(duì)現(xiàn)代通信系統(tǒng)而言具有舉足輕重的地位。隨著通信技術(shù)的不斷更新迭代，要求射頻濾波器具有小型化以及低成本的特點(diǎn)。目前，利用半導(dǎo)體工藝可制作尺寸極小且性能佳的芯片級(jí)濾波器，但研發(fā)成本普遍過高。文中使用薄膜工藝，通過對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)、材料、性能指標(biāo)進(jìn)行綜合考量，設(shè)計(jì)了一款適用于點(diǎn)頻源、跳頻源模塊中使用的微帶點(diǎn)頻濾波器。通過仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真并對(duì)加工工藝進(jìn)行誤差分析，成功得到了一款通帶在12 GHz±15 MHz的微帶點(diǎn)頻濾波器，其尺寸為2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm。測(cè)試結(jié)果表明，性能曲線達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，成功驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞： 微帶點(diǎn)頻濾波器； 帶通濾波器； 小型化； HFSS； 射頻濾波器； 階躍阻抗諧振器

中圖分類號(hào)： TN713+.5?34" " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）05?0167?04

Miniaturized microstrip point?frequency filter with approximate chip?level size

ZHOU Xiaoping

（The 14th Research Institute of CETC， Nanjing 210013， China）

Abstract： As an RF device with the function of signal screening， RF filter plays an important role in modern communication systems. With the continuous updating and iteration of communication technology， it is required that RF filters have the characteristics of miniaturization and low cost. At present， the semiconductor technology is used to produce chip?level filters with small size and good performance， but its development cost is generally too high. In view of this， by taking account of the structure， material and performance of the filter， a microstrip point?frequency filter suitable for point?frequency source and frequency?hopping source module is designed with thin film technology. Simulation software HFSS is used for modeling and simulation and error analysis of processing technology， and a microstrip point?frequency filter with a passband of 12 GHz±15 MHz is successfully obtained with a size of 2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm. The test results show that the performance curve reaches the design index， which verifies the feasibility of the design.

Keywords： microstrip point?frequency filter; bandpass filter; miniaturization; HFSS; RF filter; SIR

0" 引" 言

自1865年麥克斯韋方程組誕生以來，無線通信自此成為了人類通信最重要的方式。射頻前端器件是無線通信的基礎(chǔ)，射頻濾波器在其中扮演著重要的角色，其具有篩選信號(hào)、抑制干擾的功能[1]。隨著通信技術(shù)的不斷更新迭代，通信終端逐漸呈現(xiàn)小型化趨勢(shì)，最終決定了射頻濾波器需要具有尺寸小、成本低的特點(diǎn)。微帶型濾波器因具有插入損耗小、重量輕、成本低、易加工等特點(diǎn)，受到廣泛應(yīng)用[2]。目前作為射頻濾波器中應(yīng)用最廣泛、類型最多樣的濾波器，在使用上始終受限于物理性質(zhì)，即濾波器工作頻率與諧振尺寸成反比，有著在較低頻段內(nèi)尺寸較大的缺點(diǎn)。因此，小型化濾波器的設(shè)計(jì)仍是一個(gè)十分重要的方向。

在文獻(xiàn)[3?4]中概括總結(jié)了領(lǐng)域內(nèi)前沿學(xué)者們的研究進(jìn)展，在新工藝、諧振器結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料等方面進(jìn)行了介紹。在新工藝上，介紹了高溫超導(dǎo)體（HTS）、低溫共燒陶瓷（LTCC）、微納米加工技術(shù)（MEMS）以及CMOS工藝等新技術(shù)，從工藝上為濾波器的設(shè)計(jì)提供了新的平臺(tái)。在諧振器結(jié)構(gòu)上，則介紹了開環(huán)（SSR）諧振器、雙模諧振器、DGS等新技術(shù)。其中DGS結(jié)構(gòu)能在接地面提供濾波器的帶阻特性，能夠很好地兼容濾波器的設(shè)計(jì)。在復(fù)合材料上，介紹了左手復(fù)合材料，能夠減少整個(gè)濾波器的體積大小。

得益于當(dāng)代半導(dǎo)體工藝的日趨改善與進(jìn)步，能夠制造出尺寸小、精度高、一致性高的芯片級(jí)濾波器。在文獻(xiàn)[5]中，依托于GaAs IPD工藝線，研制了一款應(yīng)用于5G通信的芯片帶通濾波器，尺寸僅為1.2 mm×0.9 mm×0.1 mm。文獻(xiàn)[6]中介紹了一種通過硅基IPD工藝研制的一款無反射帶通濾波器，尺寸僅為1.6 mm×1.25 mm×0.3 mm。文獻(xiàn)[7]中介紹了一種采用開路枝節(jié)線以及短路枝節(jié)線構(gòu)造的濾波器，實(shí)現(xiàn)了帶寬在100%的小型化超寬帶濾波器。文獻(xiàn)[8]在T型諧振器構(gòu)成的雙模帶通濾波器的基礎(chǔ)上加入了折疊結(jié)構(gòu)，在雙模帶通濾波器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了小型化。

芯片級(jí)工藝目前能夠做到尺寸小且精度高的射頻濾波器，但其設(shè)計(jì)成本、流片價(jià)格都十分昂貴，一次流片成本普遍在數(shù)十萬。而薄膜工藝加工精度不錯(cuò)，同時(shí)相對(duì)芯片級(jí)工藝而言設(shè)計(jì)成本低、一次加工只需數(shù)千元。本文選用薄膜工藝作為設(shè)計(jì)工藝，選用較薄的板材厚度用于縮小耦合間距，并在濾波器結(jié)構(gòu)上引入SIR結(jié)構(gòu)作為主要設(shè)計(jì)思路。同時(shí)，考慮到尺寸小所引入的相對(duì)誤差，通過HFSS建模仿真并進(jìn)行誤差分析，成功設(shè)計(jì)了一款小型化五階微帶點(diǎn)頻濾波器。

1" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

諧振器作為濾波器中的基本單元，其結(jié)構(gòu)的小型化對(duì)于整個(gè)濾波器的小型化至關(guān)重要。而微帶諧振器則是指采用微帶傳輸線結(jié)構(gòu)完成諧振的諧振器。在其基礎(chǔ)上，微帶諧振器可以分為三類，即集總諧振器、半集總諧振器、分布參數(shù)諧振器[9]。其中分布參數(shù)諧振器是最常見的諧振器，其頻率與傳輸線自身物理尺寸有著相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般以電長(zhǎng)度表示。而廣泛用于微帶濾波器中設(shè)計(jì)的分布參數(shù)諧振器主要包括[14]波長(zhǎng)短路諧振器、[12]波長(zhǎng)開路諧振器等。

SIR指階躍阻抗諧振器，一般是由2個(gè)及2個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成，諧振頻率受到阻抗比以及電長(zhǎng)度兩個(gè)因素的影響，因此可以通過改變阻抗比來構(gòu)造小型化諧振器，一般分為[14]波長(zhǎng)型、[12]波長(zhǎng)型、全波長(zhǎng)型[10]。

如圖1所示，以[14]波長(zhǎng)型SIR為例，其由一段高阻抗傳輸線與一段低阻抗傳輸線組成，高阻抗傳輸線的一段接地，構(gòu)成[14]短路線諧振。

相應(yīng)的輸入阻抗可表示為：

[Zin=jZ2Z1tanθ1+Z2tanθ2Z2-Z1tanθ1tanθ2 ] （1）

將諧振條件[Zin=∞]代入式（1）得到：

[Z2-Z1tanθ1tanθ2=0] （2）

最終得到：

[tanθ1tanθ2=Z2Z1=RZ] （3）

通過公式（3）可見，SIR的諧振條件主要由高低阻抗比[RZ]以及電長(zhǎng)度[θ1]、電長(zhǎng)度[θ2]共同決定，在阻抗[RZ]一定時(shí)，電長(zhǎng)度減小，能夠構(gòu)造出小型化諧振器[11]。

點(diǎn)頻濾波器是一種常見于點(diǎn)頻源、跳頻源中用于篩選信號(hào)、去除雜散的濾波器，通常所需通過帶寬為中心頻率±15 MHz，而同時(shí)要求對(duì)帶外抑制左右兩端滾降系數(shù)相近。文獻(xiàn)[12]表明在[14]波長(zhǎng)短路諧振器的基礎(chǔ)上加入了[12]波長(zhǎng)開路諧振器，能夠有效平衡兩端滾降系數(shù)。因此，本文設(shè)計(jì)的五階微帶小型化濾波器主要結(jié)構(gòu)由交指[14]波長(zhǎng)短路諧振器以及發(fā)夾[12]波長(zhǎng)開路諧振器構(gòu)成，并利用SIR以及折疊的形式將其轉(zhuǎn)換為小型化的諧振器。轉(zhuǎn)換過后的交指SIR[14]波長(zhǎng)短路諧振器以及發(fā)夾SIR[12]波長(zhǎng)開路諧振器如圖1所示。

其中1、2、4、5級(jí)為交指SIR[14]波長(zhǎng)短路諧振器，同時(shí)在SIR的基礎(chǔ)上進(jìn)行了折疊處理，這種折疊能夠更高效率地使用版圖面積，而中間級(jí)則為發(fā)夾SIR[12]波長(zhǎng)開路諧振器，兩臂間距為[dd1]。兩種諧振器長(zhǎng)為[l1]、[l2]，兩種SIR低阻抗線以及高阻抗線的阻抗相同，寬度為[x1]、[x2]。整體濾波器版圖結(jié)構(gòu)對(duì)稱，諧振器間距為[d1]、[d2]。五階小型化微帶點(diǎn)頻濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2" 建模仿真與誤差分析

設(shè)計(jì)的五階小型化微帶濾波器的建模仿真以及誤差分析均通過HFSS完成。目的是設(shè)計(jì)一種尺寸能夠近似于芯片級(jí)的微帶濾波器，以小型化諧振器、基板厚度薄的材料、受加工誤差影響小的點(diǎn)頻濾波器作為整體設(shè)計(jì)思路。設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：中心頻率為12 GHz，同時(shí)需滿足在12 GHz±15 MHz有通帶，通帶內(nèi)回波損耗小于10 dB，在（12±1）GHz處帶外抑制大于30 dB，濾波器饋線居中，整體版圖尺寸需小于4 mm×4 mm。

為了得到尺寸較小的濾波器，除了利用SIR改變阻抗比得到小型化諧振器外，合理地控制諧振器間耦合距離也十分重要。其中，減少所用基板的厚度能夠有效減小諧振器間的耦合距離。以99.6%的氧化鋁為例，選取相同的諧振器結(jié)構(gòu)，在所需耦合系數(shù)為0.1時(shí)，在板材厚度為0.127 mm以及0.254 mm下進(jìn)行對(duì)比。由圖3、圖4中可以得出，在板材厚度為0.254 mm時(shí)，耦合距離為0.28 mm，而在板材厚度為0.127 mm時(shí)，耦合距離為0.09 mm，使用0.127 mm的板材厚度在所需耦合系數(shù)為0.1時(shí)，相對(duì)于0.254 mm板材厚度所得耦合間距縮短了0.19 mm?？梢娫谙嗤詈舷禂?shù)下，越小的厚度，兩諧振器間距離越小，能夠使整體結(jié)構(gòu)更小，能夠有效地縮小濾波器的尺寸。

本文選用介電常數(shù)[εr]為9.8的99.6%的氧化鋁，基板厚度為0.127 mm。諧振器間的耦合系數(shù)為[M1，2]=[M4，5]=0.043、[M2，3]=[M3，4]=0.031，外部品質(zhì)因數(shù)[Q]為19.46。

整體建模如圖5所示。通過優(yōu)化與調(diào)試后，[S]參數(shù)如圖6所示。在12 GHz時(shí)，回波損耗小于10 dB，插入損耗為3.41 dB，滿足通帶要求。整體版圖尺寸為2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，滿足尺寸要求。而在11 GHz時(shí)帶外抑制為52.5 dB，13 GHz時(shí)帶外抑制為45.1 dB，滿足抑制要求。

整體版圖面積為2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，而實(shí)際濾波器面積為1.98 mm×3 mm×0.127 mm，因?yàn)檫^小的濾波器面積增加了其性能對(duì)加工偏差的敏感性?；诖诉M(jìn)行相應(yīng)的誤差分析。根據(jù)薄膜工藝廠商的加工說明，孔徑的偏差一般在±0.05 mm以內(nèi)，線寬、線間距的偏差一般在±0.02 mm以內(nèi)。將相應(yīng)偏差值代入仿真中，所得結(jié)果如圖7所示。

通過誤差分析可知，代入加工誤差后，濾波器曲線會(huì)產(chǎn)生頻率偏移，但基本都能滿足12 GHz±15 MHz的帶寬要求。同時(shí)，在（12±1）GHz處，帶外抑制基本大于30 dB，滿足抑制要求。因此，通過對(duì)加工廠商的加工偏差進(jìn)行建模分析，加工后的濾波器性能基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，具備設(shè)計(jì)可行性。

3" 實(shí)物分析與測(cè)試結(jié)果

加工出的濾波器實(shí)物如圖8所示，其中在濾波器兩端通過鍵合至50 Ω線直連絕緣子，再通過矢網(wǎng)分析儀進(jìn)行測(cè)試得到S2P文件，導(dǎo)入ADS軟件中進(jìn)行查看。

得到[S]參數(shù)曲線如圖9所示，所測(cè)試濾波器整體尺寸為2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，在11 GHz時(shí)抑制為39.6 dB，在13 GHz時(shí)抑制為39.4 dB。同時(shí)通帶滿足12 GHz±15 MHz，回波損耗小于10 dB，滿足指標(biāo)要求。綜上所述，經(jīng)過測(cè)試后表明所測(cè)濾波器實(shí)測(cè)曲線滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4" 結(jié)" 語

在新時(shí)代工藝技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展下，芯片級(jí)工藝能夠制作尺寸極小且精度極高的小型化芯片濾波器，但工藝成本十分昂貴?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種通過薄膜工藝加工，但尺寸能夠接近芯片級(jí)濾波器的小型化微帶點(diǎn)頻濾波器。通過仿真建模并對(duì)工藝進(jìn)行誤差分析，最終設(shè)計(jì)了一款中心頻率為12 GHz的五階微帶點(diǎn)頻濾波器。通過測(cè)試表明，性能曲線能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。文中構(gòu)造了一款整體版圖面積為2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm的薄膜工藝濾波器，其中濾波器實(shí)際面積僅為1.98 mm×3 mm×0.127 mm。在文獻(xiàn)[13]中的一款19.5～21.3 GHz的芯片帶通濾波器尺寸為2.96 mm×1.8 mm×0.1 mm，而本文所設(shè)計(jì)的五階微帶點(diǎn)頻濾波器中心頻率為12 GHz±15 MHz，具有更大的諧振尺寸，但版圖面積僅為文獻(xiàn)[13]中芯片帶通濾波器的1.67倍，尺寸能夠比擬于芯片級(jí)濾波器，加工成本卻是芯片級(jí)工藝的數(shù)十分之一，兼具價(jià)格優(yōu)勢(shì)和實(shí)際使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊玲.基于多層折疊基片集成波導(dǎo)技術(shù)的小型化帶通濾波器的研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2021.

[2] 葉靜.微帶濾波器的設(shè)計(jì)與研究[D].天津：天津大學(xué)，2016.

[3] 賴真豪.微波濾波器的小型化研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[4] 肖功亞.小型化微帶結(jié)構(gòu)平面濾波器的分析和設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2018.

[5] 代傳相，邢孟江，侯明，等.應(yīng)用于5G通信的GaAs帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào)，2020，36（4）：68?71.

[6] 劉贛，邢孟江，李小珍，等.基于IPD工藝的小型化無反射帶通濾波器設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2018，37（9）：69?73.

[7] 黃曉東，金秀華，程崇虎.一種小型化超寬帶微帶帶通濾波器[J].中國(guó)科技論文，2013，8（10）：955?958.

[8] 張友俊，林君.基于折疊雙模諧振器結(jié)構(gòu)的微帶帶通濾波器[J].壓電與聲光，2015，37（6）：1057?1060.

[9] 李文明.微帶諧振器的小型化研究與小型化濾波器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2009.

[10] 張金.基于SIR與DGS技術(shù)的微帶濾波器的研究[D].合肥：安徽大學(xué)，2011.

[11] 曹璐.基于SIR和SLR的微帶濾波器設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[12] 楊新宇.一種新型SIR交指微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2023，46（11）：171?174.

[13] 陸宇.基于GaAs IPD的K波段芯片濾波器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（8）：39?43.