一種毫米波調(diào)諧微帶濾波器的研制

蔡 喆

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

毫米波頻段具有頻段寬，波長(zhǎng)短，抗干擾能力強(qiáng)，波束窄，方向性好，容量大及保密性能好等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、車船防撞、測(cè)距雷達(dá)、射電天文等領(lǐng)域[2]。

帶通濾波器是無(wú)線通訊系統(tǒng)中至關(guān)重要的器件之一，其具有信道選擇、濾除鏡頻干擾、衰減噪聲、頻分復(fù)用等功能，在高性能的振蕩、放大、倍頻和混頻電路中具有不可替代的作用[3-4]。在毫米波頻段，傳統(tǒng)的帶通濾波器多為波導(dǎo)形式，但體積大，難集成，限制了毫米波電路的小型化。

采用薄膜工藝[5]加工的微帶帶通濾波器具有體積小，質(zhì)量小，易與有源芯片集成等特點(diǎn)[6-7]。近年來(lái)毫米波頻段逐漸代替波導(dǎo)濾波器，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。薄膜工藝加工精度較高，但由于濾波器工作在毫米波頻段，加工精度、不同批次基片的厚度和材料介電常數(shù)的偏差對(duì)濾波器中心頻率影響較大，加工出的濾波器中心頻率大幅度偏移設(shè)計(jì)值，不同批次的濾波器中心頻率也不一致，嚴(yán)重影響了微帶濾波器的加工成品率。為了解決這個(gè)問題，需要找到一種毫米波頻段微帶濾波器的調(diào)諧方法，通過調(diào)諧解決濾波器頻率偏移的問題。

在低頻段，微帶濾波器最常用的調(diào)諧方法是在微帶電路上貼裝變?nèi)荻O管[8-9]，通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻?jí)管的偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)諧。但由于變?nèi)荻?jí)管的封裝和焊點(diǎn)引入的寄生參數(shù)對(duì)高頻段的影響較大，這種方法難以應(yīng)用到毫米波頻段。在毫米波頻段，國(guó)外有很多調(diào)諧微帶濾波器的報(bào)道，但多采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝實(shí)現(xiàn)[10]，其工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，在工程項(xiàng)目中難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

本文介紹了一種毫米波頻段的新型調(diào)諧微帶帶通濾波器。該濾波器由加載矩形孔的半波長(zhǎng)開路可調(diào)諧振器構(gòu)成。在濾波器加工完成后，采用在諧振器的矩形孔上鍵合金絲的方式改變諧振器的等效電感，實(shí)現(xiàn)濾波器的中心頻率調(diào)諧?；诮鸾z鍵合的調(diào)諧方式能有效解決在毫米波頻段微帶濾波器因介電常數(shù)批次性差異、加工精度等因素引起的頻率偏移問題。該濾波器具有低成本、低損耗、調(diào)諧方法簡(jiǎn)單及易操作等優(yōu)點(diǎn)，在工程項(xiàng)目中可大規(guī)模應(yīng)用。

1 仿真與設(shè)計(jì)

1.1 可調(diào)微帶諧振器基本原理

微帶濾波器常采用開路或短路傳輸線實(shí)現(xiàn)諧振器。在毫米波頻段，短路結(jié)構(gòu)諧振器加工較難，故常采用開路傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振器。開路傳輸線諧振器可以采用并聯(lián)RLC集總元件等效電路進(jìn)行模擬，其等效電路如圖1所示。

開路傳輸線的諧振角頻率ω0由等效電感L0和等效電容C0決定：

(1)

由式(1)可以看出，通過改變諧振器的L0、C0值，可改變諧振器的ω0。低頻段可調(diào)濾波器通常通過改變諧振器的等效電容來(lái)調(diào)諧頻率，最典型的方法是加載變?nèi)荻?jí)管，但受限于品質(zhì)因數(shù)，基于變?nèi)荻O管的調(diào)諧等效電容的方法不適用于毫米波波段。

圖2為采用Ka波段的可調(diào)諧振器傳輸線模型。在一段開路微帶諧振器上蝕刻一個(gè)矩形孔，矩形孔邊緣與諧振器邊緣形成了兩段高阻抗傳輸線，兩段傳輸線的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，寬度為W，矩形孔中心距離諧振器中心的距離為D。兩段傳輸線由于線寬極窄，可以近似等效為兩個(gè)串聯(lián)電感，從而增大了諧振器的等效電感值。因此，與傳統(tǒng)的未開孔諧振器相比，開孔諧振器的諧振頻率會(huì)降低。

高阻抗傳輸線的等效電感值[11]為

(2)

式中：Zc為高阻抗傳輸線特性阻抗；λg為諧振頻率對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)波長(zhǎng)。由式(2)可以看出，高阻抗傳輸線的等效電感值可通過L、W進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)增大L或減小W時(shí)，兩段傳輸線的等效電感值都會(huì)隨之增大，從而改變微帶諧振器的諧振頻率。在半波長(zhǎng)開路諧振器中，由于不同位置的電流分布不同，改變諧振器上矩形孔的加載位置同樣會(huì)改變諧振頻率。

為了對(duì)毫米波頻段諧振器的頻率偏差進(jìn)行補(bǔ)償，本文提出了在諧振器矩形孔兩端鍵合金絲的方法實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整，可調(diào)微帶諧振器模型如圖3所示。金絲鍵合是指利用熱壓或超聲能源，通過金絲實(shí)現(xiàn)集成電路內(nèi)部器件互聯(lián)的一種焊接方式[12]。由于金絲可以等效為電感，與矩形孔兩端的高阻抗傳輸線是并聯(lián)關(guān)系。因此，在鍵合金絲后，諧振器的等效電感值降低，諧振頻率升高。當(dāng)鍵合足夠數(shù)量的金絲后，可調(diào)諧振器和同樣電路尺寸的未開孔諧振器頻率相同。同時(shí)受限于薄膜工藝加工精度、最小金絲鍵合距離以及金絲直徑，最終選擇在矩形孔上鍵合兩根金絲以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)諧。由圖可見，在開孔諧振器上鍵合金絲后頻率隨之上升，而鍵合兩根金絲的諧振器與相同電路尺寸未開孔諧振器的頻率近似相等。

圖4為與鍵合金絲的諧振器相比，當(dāng)調(diào)節(jié)矩形孔參數(shù)D、W及L時(shí)，諧振頻率偏移量隨參數(shù)D、W和L的變化曲線。此時(shí)諧振器寬度為0.2 mm，長(zhǎng)度為1.43 mm。由圖可見，在開路諧振器矩形孔兩端鍵合金絲后，諧振頻率上升。其中，頻率偏移量主要與矩形孔參數(shù)W、L、D相關(guān)。當(dāng)諧振器及矩形孔尺寸不變時(shí)，矩形孔越靠近諧振器中心，矩形孔對(duì)諧振器內(nèi)電流分布影響越大，諧振頻率隨著距離D減小而降低；反之，當(dāng)矩形孔位置靠近諧振器兩端時(shí)，諧振頻率隨著距離D增加而上升。當(dāng)保持矩形孔相對(duì)位置D不變時(shí)，隨著高阻抗傳輸線的線寬W減小或長(zhǎng)度L增大，兩段并聯(lián)傳輸線的感性增強(qiáng)，諧振頻率隨之降低。

由圖3、4可以看出，在建模時(shí)對(duì)可調(diào)微帶諧振器3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(W、L和D)進(jìn)行選擇優(yōu)化，則通過鍵合金絲可產(chǎn)生所需的頻率步進(jìn)。

多步進(jìn)可調(diào)微帶諧振器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。由圖可見，以諧振器的中線為對(duì)稱軸，在諧振器的兩側(cè)對(duì)稱地加載四對(duì)矩形孔。在投版測(cè)試后，對(duì)稱鍵合圖中標(biāo)號(hào)為A1、A2、A3、A4的矩形孔，濾波器可以實(shí)現(xiàn)不同步進(jìn)的頻率調(diào)諧。進(jìn)一步將具有不同頻率步進(jìn)的矩形孔進(jìn)行組合(如同時(shí)鍵合A1和A2的4個(gè)矩形孔)，則可以實(shí)現(xiàn)更大的可調(diào)范圍。

圖6是圖5中可調(diào)微帶諧振器的仿真結(jié)果。其中曲線A是未鍵合金絲前諧振器的S參數(shù)曲線，曲線B、C、D、E是在保持前一鍵合狀態(tài)不變時(shí)，繼續(xù)依次鍵合A1、A2、A3、A4矩形孔后的仿真結(jié)果。由圖可以看出，該諧振器可以實(shí)現(xiàn)最大可調(diào)頻率范圍1.15 GHz。在最靠近諧振器中心位置的A1矩形孔鍵合金絲時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大調(diào)諧步進(jìn)400 MHz；在諧振器兩端的A4矩形孔鍵合金絲時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最小頻率步進(jìn)180 MHz。

1.2 調(diào)諧微帶濾波器設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證1.1節(jié)中提出的頻率調(diào)諧方法，以一種Ka頻段五階微帶濾波器的設(shè)計(jì)為例。該濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)：中心頻率f0=35.8 GHz，絕對(duì)帶寬大于500 MHz，帶外±1.2 GHz處抑制大于30 dBc。

采用圖5中的多步進(jìn)可調(diào)微帶諧振器實(shí)現(xiàn)了五階平行耦合式調(diào)諧濾波器，電路版圖如圖7所示。其中，輸入、輸出端采用開路平行耦合饋線以實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，諧振器之間采用并聯(lián)非諧振傳輸線的方式來(lái)調(diào)節(jié)耦合強(qiáng)度。

首先，基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)未開孔開路諧振器，在ADS軟件中進(jìn)行快速仿真計(jì)算，得到諧振器長(zhǎng)度、諧振器耦合縫隙寬度、諧振器與輸入輸出饋線耦合縫隙寬度等關(guān)鍵參數(shù)的初值。然后基于以上初值，在三維電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行電路建模仿真，這里采用介質(zhì)厚度為0.254 mm、介電常數(shù)為9.6的陶瓷基板進(jìn)行仿真優(yōu)化。最后，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的中心頻率，多步進(jìn)可調(diào)諧振器在全部鍵合金絲和不鍵合金絲時(shí)可以實(shí)現(xiàn)最大和最小可調(diào)頻率，該頻率調(diào)節(jié)范圍應(yīng)覆蓋f0。

圖7中的濾波器通過諧振器之間的交叉耦合和混合耦合，在阻帶內(nèi)產(chǎn)生了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而改善濾波器的頻率選擇性。通過調(diào)節(jié)諧振器之間的耦合強(qiáng)度可以改變零點(diǎn)位置。在兩個(gè)諧振器之間并聯(lián)一段高阻抗非諧振傳輸線來(lái)調(diào)節(jié)耦合強(qiáng)度。改變非諧振傳輸線到諧振器之間的耦合縫隙寬度s1，則可調(diào)節(jié)通帶兩端零點(diǎn)位置，如圖8所示。

圖9為所提出的Ka頻段調(diào)諧微帶濾波器的仿真結(jié)果。該濾波器可以實(shí)現(xiàn)5種頻率響應(yīng)狀態(tài)、4種不同的頻率步進(jìn)，通帶調(diào)節(jié)范圍為34.9～36.05 GHz，實(shí)現(xiàn)了1.15 GHz的最大頻率調(diào)節(jié)范圍。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

采用陶瓷基板(基板厚度h=0.254 mm, 介電常數(shù)εr=9.6, 損耗角正切tanδ=0.001)對(duì)可調(diào)濾波電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并通過加工測(cè)試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過全波仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化得到具體電路參數(shù)，調(diào)諧濾波器的實(shí)物如圖10所示。濾波器的最終優(yōu)化尺寸分別為：w0=0.255 mm，w1=0.2 mm，w2=0.023 mm，s1=0.1 mm，s2=0.42 mm，s3=0.337 mm，s4=0.75 mm，s5=0.135 mm，l1=1.45 mm，l2=1.1 mm，ls=0.05 mm，ds=0.13 mm，ws=0.035 mm。

將濾波器電路粘接在屏蔽腔高2 mm、寬度2.5 mm的濾波器測(cè)試臺(tái)中，濾波器與測(cè)試臺(tái)傳輸線之間采用金絲鍵合進(jìn)行連接。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5244A對(duì)圖10中的調(diào)諧微帶濾波器進(jìn)行測(cè)試。圖11是在諧振器不同位置鍵合金絲時(shí)，濾波器的測(cè)試S參數(shù)曲線。

由圖11可知，通過在諧振器不同位置的矩形孔鍵合金絲，通帶頻率能從35.53 GHz調(diào)諧到35.95 GHz，同時(shí)保持絕對(duì)帶寬均大于850 MHz。調(diào)諧過程中，通帶內(nèi)回波損耗均大于10 dB，帶內(nèi)插入損耗為(3.75±0.70)dB，阻帶抑制均大于30 dBc。當(dāng)在諧振器A1、A2處同時(shí)鍵合金絲時(shí)，能實(shí)現(xiàn)所需的通帶頻率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于金絲鍵合工藝和薄膜工藝，采用加載矩形孔的半波長(zhǎng)開路諧振器，提出了一種Ka頻段五階調(diào)諧帶通濾波器。該濾波器通過鍵合金絲的方式來(lái)調(diào)諧頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的修正。對(duì)Ka調(diào)諧微帶濾波器進(jìn)行了仿真優(yōu)化、加工測(cè)試及調(diào)試。該濾波器的通帶可調(diào)范圍為35.35～35.95 GHz，插損小于4.6 dB，且在A1、A2位置矩形孔鍵合金絲時(shí)，能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。本文解決了濾波器在毫米波頻段由于加工精度低及一致性不高所造成的通帶頻率偏移問題。該濾波器尺寸小且易集成，調(diào)諧方法簡(jiǎn)單易操作，可降低生產(chǎn)成本，具備在毫米波工程項(xiàng)目大規(guī)模應(yīng)用的潛力。