一種改善帶狀線濾波器傳輸性能的分析方法

于忠吉

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

近年來，隨著電子信息系統(tǒng)對電磁性能、輕薄化等要求越來越高，作為系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，微波器件的性能指標(biāo)將直接影響整個電路系統(tǒng)的性能。微波濾波器作為重要的無源器件，其高抑制度、低損耗指標(biāo)決定其無法利用芯片級設(shè)計滿足使用要求，而相比波導(dǎo)、同軸線形式的濾波結(jié)構(gòu)，具備寬頻、高信號抑制能力的帶狀濾波器被廣泛關(guān)注。本文提出一種基于切比雪夫原理的高通濾波器設(shè)計方法[1]，針對其在調(diào)試和使用過程中遇到的工程問題，通過電磁仿真和實物測試分析原因并提出合理的解決方案。

1 電路原理

1.1 仿真電路

本文設(shè)計的濾波器采用的帶狀線是一種寬邊耦合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其主要由2層電路和3層介質(zhì)組成，中間層是厚度H1為0.127 mm的介質(zhì)基板，上(下)層是厚度H2為0.787 4 mm的介質(zhì)基板。圖2給出了該15階高通濾波器的三維仿真模型圖，設(shè)計截止頻率為8 GHz。其仿真結(jié)果如圖3所示，可以看到，該濾波器具有非常好的頻率選擇性，通帶損耗也比較理想，且有較好的回波損耗，其對低頻的抑制超過了80 dBc。

圖1 帶狀線基本結(jié)構(gòu)

圖2 高通濾波器的三維圖

圖3 HFSS下的仿真結(jié)果

1.2 實測對比

實物加工后的測試結(jié)果如圖4所示。對比圖3與圖4，除了截止頻率的些許偏移，曲線基本吻合，在低端的抑制方面更是幾乎重合。因此，該濾波器在設(shè)計階段是完全達(dá)到了設(shè)計要求。然而，在高低溫(-40 ℃+100 ℃)試驗后，發(fā)現(xiàn)濾波器通帶內(nèi)幾乎無變化，但帶外抑制卻明顯惡化，其測試結(jié)果如圖5所示，很明顯，低端抑制由80 dBc變成60 dBc左右。

圖4 實物測試結(jié)果

圖5 高低溫試驗后實物測試結(jié)果

2 問題分析

2.1 條件假設(shè)

針對上述問題，首先從材料方面出發(fā)分析原因，本濾波器金屬殼體為鋁制材料，其熱膨脹系數(shù)(ppm/℃)為23；介質(zhì)基板采用的是羅杰斯的RT5880，X、Y、Z方向熱膨脹系數(shù)(ppm/℃)分別為31、48、237。可以看到，在高溫情況下，殼體與基板在Z方向的熱膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致介質(zhì)基板的膨脹從而被擠壓。經(jīng)計算，在溫度由100 ℃恢復(fù)到常溫時，在腔內(nèi)可能形成約0.02 mm的空隙，其等效模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 高溫后的帶狀線結(jié)構(gòu)

假定H3為高溫后形成的空氣層。按照此模型進(jìn)行三維仿真，其結(jié)果與實測結(jié)果不吻合，帶外的抑制幾乎不受此空隙的影響，無論是將空氣層厚度變化或者改變層與層之間的位置，結(jié)果都與正常結(jié)果相差不大。

這里需要指出，為了解決殼體公差造成的空氣間隙，常用到的方法是利用金屬墊片填充。本例中也用到了這種方法。

2.2 仿真對比

對濾波器開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)金屬墊片與介質(zhì)基板貼合得非常緊密平整，其主要是由于金屬墊片質(zhì)地較軟，5880板材又屬于軟基材，高溫膨脹過程中受到金屬殼體的擠壓所致?；诖爽F(xiàn)象，推測圖6中厚度為H3的介質(zhì)層應(yīng)存在于金屬墊片與金屬殼體之間。改變HFSS中的三維模型，將空氣間隙設(shè)置在金屬墊片與殼體之間，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 加入金屬墊片后濾波器的仿真結(jié)果

對比圖5與圖7，結(jié)果非常接近，證實了上面的推測。分析該結(jié)構(gòu)，很明顯，金屬墊片與金屬殼體間形成了類似平板電容的結(jié)構(gòu)，即在電路中引入了額外的對地電容。

3 模型改進(jìn)

對上述模型進(jìn)行電路原理分析，如圖8所示，為一五階高通濾波器原型電路。為了進(jìn)一步驗證對地電容對濾波器性能影響的必然性，分別將C1短路和調(diào)諧C1為某一定值進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖10 引入對地電容后的濾波器仿真數(shù)據(jù)

圖9 沒有對地電容時的濾波器仿真數(shù)據(jù)

圖8 高通濾波器原理圖

從仿真結(jié)果明顯看出，引入等效電容后的濾波器帶外抑制特性明顯惡化，S21曲線也跟實物測試上的結(jié)果很接近，可以明確該等效電容對濾波器性能的影響。

4 結(jié)束語

本文針對帶狀線濾波器在使用過程中遇到的實際問題，結(jié)合原理電路、三維仿真和實測結(jié)果分析高通濾波器在高低溫環(huán)境中的低頻抑制能力減弱問題的原因。通過對不同頻段的帶狀線結(jié)構(gòu)的濾波器(X頻段的高通和Ku波段的低通濾波器)在性能調(diào)試過程中加入金屬墊片出現(xiàn)的類似問題進(jìn)行分析，建立仿真模型，即在濾波器模型電路中引入額外的對地電容，成功發(fā)現(xiàn)了上述問題的原因。并得出如下結(jié)論：對于帶狀線結(jié)構(gòu)來說，不宜采用墊金屬片的方式調(diào)節(jié)間隙，此間隙會形成等效電容而導(dǎo)致濾波器性能下降。解決該問題的建議方法有2種：(1)提高殼體的加工精度,殼體加工過程中取負(fù)公差，一般取精度≤-0.02 mm，已實物驗證(高低溫后性能穩(wěn)定；(2)在帶線介質(zhì)之間采用半固化片[2-3](一種介電常數(shù)很接近所用介質(zhì)材料的黏合膠片)，在高溫下將3層介質(zhì)基片壓合成一個整體，并在基板上下表面敷銅以形成帶狀線結(jié)構(gòu)。此方法在顯著減小結(jié)構(gòu)尺寸及重量的同時，性能穩(wěn)定，適合小型化應(yīng)用需求；而其缺點是成本較高，且在高溫壓合時需要合適的模具。此外，加入的半固化片增加了實際的介質(zhì)厚度，改變了電路模型，尤其是在頻率較高時影響更大，可能需要調(diào)整幾次才能達(dá)到較好的設(shè)計效果，有待進(jìn)一步研究。