X波段微帶帶通濾波器的仿真設(shè)計(jì)

　氧化鋁陶瓷基板上薄膜無源元件混合電路過去常用于要求高精度、長期穩(wěn)定可靠、中等功耗和頻率不超過100MHz的應(yīng)用。提高這些傳統(tǒng)性能的極限以滿足平面?zhèn)鬏斁€濾波器不斷發(fā)展和增長的要求，已成為生產(chǎn)流程控制、材料相容性工程以及電磁(EM)設(shè)計(jì)的精巧之處。X波段微帶帶通濾波器的薄膜制造工藝綜合考慮了上述因素。

　　在高精度微帶帶通過濾器的設(shè)計(jì)和制造過程中，需要考慮導(dǎo)體屬性、介電性能、尺寸和幾何外形。這里采用了平行板電容和諧振腔介電特性技術(shù)，對氧化鋁的介電常數(shù)(Er)和損耗角正切值進(jìn)行了測量。測量結(jié)果顯示，氧化鋁的批次內(nèi)電氣屬性的非均勻性(Er=4~5%)和損耗角正切值(tan=40%)。介電厚度測量顯示有明顯的不一致性。為適應(yīng)介質(zhì)基板的不一致性，需根據(jù)其特定的介電特性量身定制導(dǎo)體掩膜原圖，以實(shí)現(xiàn)最佳濾波器性能。TiW/Au金屬化方案的RF薄層電阻率的計(jì)算結(jié)果顯示，TiW決定導(dǎo)體損耗程度，在10GHz時約為0.089dB/cm。經(jīng)過評估，鈦鎢金(TiW/Au)的導(dǎo)體損耗在0.08dB/cm到0.11dB/cm 之間，主要決定于界面TiW附著層。

　　對X波段微帶帶通濾波器進(jìn)行了EM仿真、薄膜制造和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測試。仿真和測試的濾波器特性非常吻合：因數(shù)為10.1GHz;S21<1.3dB;電壓駐波比(VSWR)為1.1;帶寬在1dB、3dB和10dB的時候分別為340MHz、380MHz和800MHz;形狀因數(shù)為0.054dB/MHz。

　　下文詳細(xì)介紹X波段微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注材料與生產(chǎn)考慮因素。

　　濾波器通常用來從復(fù)雜波形中篩選/隔離出單個或者多個信號(頻率)。此外，它們還能夠?qū)ΨQ或者非對稱地修正信號的幅度和/或相位。

　　隨著業(yè)界逐漸使用特定頻率用于通信，以及射頻信號傳輸需要兼顧普通模擬信號和數(shù)字信號，帶寬被具有獨(dú)特特性的信號所占用。這些特殊信號既能以離散頻率通道中的單一信號形式存在，也能以占用跳頻信號集群包形式出現(xiàn)。頻譜被劃分為普遍接受的頻段外，剩余部分供各級雷達(dá)工作頻率使用。頻段劃分隨定義機(jī)構(gòu)(國際電信聯(lián)盟(ITU)、JCS)的不同略有區(qū)別。

　　表1是ITU的頻段名稱及其一般應(yīng)用。在如此復(fù)雜電磁環(huán)境中，需要對分配的帶寬進(jìn)行充分的利用，因此出色的射頻系統(tǒng)性能主要取決于經(jīng)過優(yōu)化的器件性能。其中濾波器是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，一般用來從更為復(fù)雜的波形中篩選/隔離出一個或多個信號(頻率)。此外，濾波器能對稱或者非對稱地修正信號的幅度和/或相位。在為數(shù)眾多的濾波器設(shè)計(jì)中，采用微帶幾何形狀的平面導(dǎo)波傳輸線結(jié)構(gòu)，最適合采用高精度薄膜制造工藝、無源微波組件制造工藝以及后續(xù)的模塊組裝工藝。

　　設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

　　在這種配置中，介質(zhì)層位于金屬化導(dǎo)體之間，頂層是金屬化電路導(dǎo)體層，底層是整片的接地層。雖然由于介質(zhì)層與頂層電路導(dǎo)體層不對稱(介質(zhì)層與導(dǎo)體層只在一側(cè)接觸)，該結(jié)構(gòu)的電場(E)和磁場(H)將導(dǎo)致近似TEM的電磁橫向傳播，但是微帶幾何結(jié)構(gòu)能在寬泛的特性阻抗范圍內(nèi)(15~150Ω)提供良好的功率容量、中等的輻射損耗(適度的串?dāng)_)和頻散性能。

　　設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　一般而言，帶通濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在帶通頻率上將傳輸損耗降至最低，并且在期望帶寬的上下實(shí)現(xiàn)最大抑制。濾波器的性能品質(zhì)因數(shù)(FOM)由S參數(shù)、帶寬、中心頻率、紋波、抑制、群延遲和功率容量定義。根據(jù)由這些FOM構(gòu)成的規(guī)范集，可以進(jìn)行計(jì)算密集的EM建模和優(yōu)化。選擇與所需濾波器性能最接近的合適的傳輸函數(shù)(切比雪夫、貝塞爾、橢圓等)，并重復(fù)運(yùn)行FOM優(yōu)化流程。最終的濾波器結(jié)構(gòu)由終端耦合、邊緣耦合、交叉的Ω/2長開路諧振器串聯(lián)而成。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)體諧振器的對稱偏移量、間隔、寬度、長度、厚度以及“中間”介質(zhì)層的Er和厚度，可以得到最佳的FOM。

　　用于生產(chǎn)的材料結(jié)構(gòu)

　　已完成的邊緣耦合交叉式濾波器的結(jié)構(gòu)示例如圖2和圖3所示。邊緣耦合濾波器的插入損耗和回波損耗性能如圖1所示。

　　一旦優(yōu)化設(shè)計(jì)完成，就可以生成合適的導(dǎo)體走線圖，然后采用常規(guī)的薄膜加工進(jìn)行諧振器所要求的金屬化圖形沉淀。采用這種方法生產(chǎn)的帶通濾波器，其獨(dú)特之處在于填充的過孔將接地層和頂層的微帶導(dǎo)體連接在一起(接地層-信號層-接地層)，并采用聚酰亞胺支撐的“空氣橋”進(jìn)行導(dǎo)體互聯(lián)。

　　介電特性的測量

　　介電常數(shù)和損耗角正切屬性測量采用了開放式諧振器/HP8510 VNA和平行于基板的兩個主平面內(nèi)軸線的電場，測量范圍為18GHz到25GHz。

　　平行板法用于根據(jù)電容和損耗因數(shù)分別導(dǎo)出介電常數(shù)(Er)和損耗角正切。先對99.6%的0.015英寸x4.5英寸x3.75英寸三氧化二鋁陶瓷基板進(jìn)行清洗，然后進(jìn)行TiW/Au(1000A/2500A)濺射金屬化，最后電鍍Au(3.75微米)?；咫S后被切割成4.40英寸x3.70英寸的標(biāo)稱尺寸，供隔離的頂部電極和底部電極使用。先用LCR測量計(jì)/固定裝置進(jìn)行電容測量，然后用介電厚度、電極面積和測得電容計(jì)算Er。

　　每50片三氧化二鋁基板的厚度，均測自4.40英寸x3.70英寸的面積上由12個點(diǎn)組成的陣列，同時對基板的長軸和短軸進(jìn)行兩次長度和寬度測量。

　　表2是50片三氧化二鋁基板的Er、損耗角正切和厚度分布數(shù)據(jù)，以及“最好”和“最差”的基板數(shù)據(jù)。

　　帶通濾波器(BPF)仿真和測量

　　期望的BPF規(guī)格如表3所示，它選自于X波段性能。BPF測量采用了HP8510C VNA，其帶有一個完整的雙端口SOLT(短路-開路-負(fù)載-直通)微調(diào)裝置。

　　反復(fù)使用奇/偶模式阻抗分析，對側(cè)部邊緣耦合濾波器的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了評估。根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算得出的衰減程度和VSWR結(jié)果見圖4。在10,100MHz和10,200MHz之間存在最小的VSWR(1.07)和衰減(1.8dB)。

　　圖5是側(cè)部邊緣耦合BPF拓?fù)湓O(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用 GSG “共面”源端口和負(fù)載端口，四周布置過孔接地籠。微帶諧振器的幾何尺寸為長5.52mm，寬0.330mm，耦合隙為0.152mm。

　　圖6 是自由諧振條件下的無損耗S21和S11參數(shù)

　　對導(dǎo)體幾何尺寸和電氣屬性的精確控制是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的關(guān)鍵。對于濾波器的應(yīng)用頻率，諧振器耦合發(fā)生在 ?/4元件上時，耦合效果最強(qiáng)。這種耦合線結(jié)構(gòu)的缺陷是需要微小的縫隙來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的耦合。由于這些元件是由導(dǎo)線構(gòu)成的，導(dǎo)線的幾何精度和一致性分別決定了所需阻抗的匹配度和耦合度。為控制導(dǎo)體的幾何尺寸，可采用高度共形的電阻和尺寸補(bǔ)償布線，以實(shí)現(xiàn)電鍍導(dǎo)體的垂直/水平生長縱橫比。使用這些設(shè)計(jì)/工藝特性，可以生產(chǎn)長25~50mm的3μm導(dǎo)線和空隙。

　　圖7是 10GHz自由諧振條件下的電場。

　　微帶幾何結(jié)構(gòu)的散射特性(非均質(zhì)介質(zhì))會引起偶模和奇模相位速度的不對稱。

　　圖8~9是自由諧振條件下的 S21和S11損耗參數(shù) 。

　　對諧振高Q濾波器結(jié)構(gòu)，使用四面體網(wǎng)孔建模進(jìn)行了三維全波EM仿真。在計(jì)算S參數(shù)時，使用了降階模型法。電磁場的評估則使用考慮到損耗的模型分析(固有模式)來進(jìn)行。對分立式濾波器(自由諧振)和諧振腔濾波器(封閉諧振)都進(jìn)行了分析。

　　模型報(bào)告

　　圖 10是實(shí)際測量 (S21, S11)。

　　本文小結(jié)

　　X波段微帶通帶濾波器已經(jīng)過了EM仿真、薄膜制造和VNA測試。仿真特性和測量得的濾波器特性具有良好的一致性：因數(shù)為10.1GHz;S21<1.3dB;電壓駐波比(VSWR)為 1.1;帶寬在1dB、3dB和10dB時分別為340MHz、380MHz和800MHz;形狀因子為0.054dB/MHz。

　　威世公司的EFI在優(yōu)化功能的多項(xiàng)關(guān)鍵性互動設(shè)計(jì)參數(shù)上取得突破性進(jìn)展。威世公司是為數(shù)不多的幾家能夠提供這種設(shè)計(jì)和建模功能的制造商之一。