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。實測結果表明：該濾波器在4.8 GHz的帶寬內，損耗優于2 dB，駐波比優于2，對偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號的抑制大于50 dBc，對偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號的抑制大于30 dBc。相較于傳統的腔體濾波器，該濾波器具有體積小、重量輕、易于一體集成等優點，非常適合與W頻段的芯片集成，可大幅度減小收發組件的體積重量。

關鍵詞：W頻段;平行耦合微帶線;薄膜電路;石英基片

中圖分類號：TN713 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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范圍內的無線電頻率，是大氣的一個窗口頻率。隨著毫米波技術的飛速發展，設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點，所以一直以來都是研究的熱點。

W頻段大帶寬的特點，使W頻段的設備在雷達、導引頭、通信等領域都有廣泛的應用[1，2]。在雷達的應用中，W頻段具有分辨率高、體積小的特點，易于應用到小體積的平臺上;在通信的應用中，W頻段具有大帶寬和體積小的特點，適合于高速通信。幾乎在所有的應用中，對設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，所以小型化的關鍵體現在W頻段的收發前端上。

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

對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、介質損耗大而無法應用于K頻段及以上頻段。因此常見的W頻段濾波器為波導濾波器，波導濾波器具有性能好、損耗小等特點，但體積較大，對加工精度要求高，需要后期調諧，很難與芯片一體集成在收發組件中，嚴重制約了W頻段收發組件的小型化。

薄膜技術是一種高精度的加工技術，其加工精度可達微米級，遠遠高于印制板工藝的加工精度，所以廣泛應用于高頻率微波器件的加工[3]。薄膜技術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，薄膜濾波器已經大量應用于Ka頻段的收發組件中，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，還會有比較大的色散，同時介電常數高，容易產生高次模，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，且介電常數較陶瓷基板低，其工作頻率可高達太赫茲，有利于高頻微帶濾波器的研制[4]。且其色散小、介電常數穩定，在研制W頻段等高頻段的微帶濾波器時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用，目前國內應用還較少。本文在Ka頻段陶瓷濾波器的基礎上，設計了一種基于石英基板的平行耦合微帶濾波器，此濾波器可應用于W頻段，且損耗較低。此濾波器已在一套W頻段的收發組件中成功地替代了波導濾波器，實現了電路的平面集成，為W頻段收發組件的設計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計

石英濾波器是根據某W頻段收發組件的濾波器要求而設計的，該收發前端應用于某雷達系統，對小型化要求較高，需要濾波器與芯片進行一體集成。濾波器的指標為：中心頻率為76.2 GHz;帶寬≥1 GHz;插入損耗≤6 dB;下邊帶抑制——對偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號抑制大于30 dBc;上邊帶抑制——對偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號抑制大于30 dBc。

根據上述技術指標設計微帶濾波器，具體設計過程包括選擇基板、電路設計、建立模型仿真三個部分。

1.1 ?選擇基板

基板的選擇主要包括材料和厚度兩個方面。材料方面，相比微波頻段的基板，需要仔細考慮損耗角與介電常數的穩定性;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大幅度上升，W頻段普通材料的損耗角會帶來很大的損耗，所以需要選擇損耗角較小的材料。介電常數方面，基板的介電常數會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，介電常數任何一個微小的變化都會造成頻率的巨大偏移;同時由于基板可能存在色散，普通基板在W頻段的介電常數與微波頻段的介電常數差異較大，這會進一步加劇仿真與實測的差異。因此，W頻段的濾波器需要選擇損耗角低、色散小、介電常數穩定的材料，各類材料中，石英最符合W頻段濾波器對基板的需求。

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，應該在滿足機械強度的前提下選擇較薄的石英基板。基板越薄，越不容易產生高次模，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三種規格，0.254 mm的基板太厚，容易產生高次模，無法在W頻段應用;0.05 mm的基板太薄，加工難度大，成品率低，成本高，而且在安裝時也容易破碎;0.127 mm厚的基板不會產生高次模，加工的成品率較高，安裝時也不容易破碎。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 ?電路設計

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現較大的耦合度，并且抑制度較高。濾波器的電路原理框圖如圖2所示，采用三級諧振器，輸入的信號經過諧振器1、諧振器2、諧振器3耦合到輸出端，諧振器1與諧振器3之間引入一個交叉耦合，在S參數曲線上形成一個零點，提高濾波器的矩形系數。

在諧振器具體電路的實現方面，由于W頻段電磁波的輻射較強，在開放空間中很難實現高抑制，必須配有金屬截止腔對輻射的電磁波進行截止。采用傳統的平行耦合濾波器，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，甚至會在帶內出現諧振點。本文所介紹的濾波器在傳統平行耦合濾波器的基礎之上進行了改進，對諧振器的位置進行了重新排布，既可實現諧振器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。

圖中作為安裝環境的金屬腔體是濾波器非常重要的組成部分，對高達88 GHz的信號有截止作用。結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，根據矩形波導，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，可以實現截止功能。

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，根據電路模型進行仿真，確定濾波器的初值，再采用電磁場仿真軟件進行場仿真，確定濾波器的具體參數。鑒于本文所介紹的結構為平面電路，所以選用的仿真軟件為ansoft公司的Designer，仿真的主要參數為介電常數εr=3.8、介質損耗角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果如圖5所示，圖中1點表示中心頻率，2點和3點表示偏離中心頻率500 MHz的兩點（即要求的通帶），4點和5點表示指標要求的抑制點。從圖5中可以看出，通帶和抑制度均能滿足組件的應用要求。

同時由于W頻段的頻率較高，加工誤差、基板厚度和介電常數的批次性變化會對濾波器的帶寬和中心頻率產生比較大的影響，因此必須在仿真階段進行充分的容差分析。充分考慮對濾波器影響最大的三個方面（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的批次性變化），按照最大的偏移進行仿真，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，厚度變化會影響諧振器的對地電容，進而影響濾波器各級諧振器之間的耦合度，最終改變濾波器的中心頻率和帶寬。石英基板介電常數的變化為±0.05，介電常數的批次性變化會造成濾波器電長度的變化，從而導致濾波器頻率的變化。

影響濾波器的因素較多，在仿真時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果能夠滿足指標要求，那么加工而成的濾波器就能夠滿足指標要求。

第一種情況是基板介電常數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向高頻方向產生最大的偏移，同時帶寬最窄，濾波器容差仿真結果如圖6所示，可以看出，仍然滿足指標要求。

第二種情況是基板介電常數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向低頻方向產生最大的偏移，同時帶寬最寬，濾波器容差仿真結果如圖7所示，可以看出，仍然滿足指標要求。

2 ?W頻段微帶平行耦合濾波器測試結果

W頻段微帶平行耦合濾波器的實物照片如圖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，不能采用在片測試或開放腔測試，因此設計了波導接口的測試夾具，自帶屏蔽腔，該測試方式同時還模擬了濾波器在收發組件中的安裝情況，與最終應用的條件相吻合。測試所用的矢量網絡分析儀為安立公司的ME7838A，測試結果如圖9所示。從圖中可以看出，該濾波器在4.8 GHz的帶寬內，損耗優于2 dB（圖中顯示損耗為3.3 dB，而測試系統的損耗為2 dB，可計算得到濾波器的損耗為1.3 dB），駐波比優于2，對偏離中心頻率12.2 GHz的下邊帶信號抑制大于50 dBc，對偏離中心頻率11.8 GHz的上邊帶信號抑制大于30 dBc。結果表明，該濾波器滿足設計指標的要求。

3 ?結 ?論

本文對應用于W頻段的石英基板平行耦合濾波器進行研究分析并得出一些結論，該濾波器采用平行耦合的電路結構，根據W頻段的特點，進行了電路形式的改進，能夠實現較窄的屏蔽腔，在高頻段實現較高的抑制度。同時該濾波器采用0.127 mm的石英作為基板材料，在高頻段實現了低損耗。最終研制出的濾波器可在W頻段實現較低的損耗和較高的抑制，相比波導濾波器更易于平面集成。該濾波器能夠滿足一種W頻段收發前端的應用要求，可替代波導濾波器，為W頻段收發組件的設計提供一種新的思路。

參考文獻：

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[6] 嚴冬，丁楚塵，王平，等.一種分形結構的折疊平行耦合微帶濾波器：CN111029695A [P].2020-04-17.

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。