一種毫米波調諧微帶濾波器的研制

蔡 喆

(中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036)

0 引言

毫米波頻段具有頻段寬，波長短，抗干擾能力強，波束窄，方向性好，容量大及保密性能好等特點[1]，廣泛應用于衛星通信、車船防撞、測距雷達、射電天文等領域[2]。

帶通濾波器是無線通訊系統中至關重要的器件之一，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，傳統的帶通濾波器多為波導形式，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，質量小，易與有源芯片集成等特點[6-7]。近年來毫米波頻段逐漸代替波導濾波器，得到越來越廣泛的應用。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的偏差對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計值，不同批次的濾波器中心頻率也不一致，嚴重影響了微帶濾波器的加工成品率。為了解決這個問題，需要找到一種毫米波頻段微帶濾波器的調諧方法，通過調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諧方法是在微帶電路上貼裝變容二極管[8-9]，通過調節變容二級管的偏置電壓來實現濾波器的調諧。但由于變容二級管的封裝和焊點引入的寄生參數對高頻段的影響較大，這種方法難以應用到毫米波頻段。在毫米波頻段，國外有很多調諧微帶濾波器的報道，但多采用微機電系統(MEMS)工藝實現[10]，其工藝復雜，價格昂貴，在工程項目中難以大規模推廣應用。

本文介紹了一種毫米波頻段的新型調諧微帶帶通濾波器。該濾波器由加載矩形孔的半波長開路可調諧振器構成。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，實現濾波器的中心頻率調諧。基于金絲鍵合的調諧方式能有效解決在毫米波頻段微帶濾波器因介電常數批次性差異、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、調諧方法簡單及易操作等優點，在工程項目中可大規模應用。

1 仿真與設計

1.1 可調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現諧振器。在毫米波頻段，短路結構諧振器加工較難，故常采用開路傳輸線來實現諧振器。開路傳輸線諧振器可以采用并聯RLC集總元件等效電路進行模擬，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。低頻段可調濾波器通常通過改變諧振器的等效電容來調諧頻率，最典型的方法是加載變容二級管，但受限于品質因數，基于變容二極管的調諧等效電容的方法不適用于毫米波波段。

圖2為采用Ka波段的可調諧振器傳輸線模型。在一段開路微帶諧振器上蝕刻一個矩形孔，矩形孔邊緣與諧振器邊緣形成了兩段高阻抗傳輸線，兩段傳輸線的長度均為L，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串聯電感，從而增大了諧振器的等效電感值。因此，與傳統的未開孔諧振器相比，開孔諧振器的諧振頻率會降低。

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為諧振頻率對應的波導波長。由式(2)可以看出，高阻抗傳輸線的等效電感值可通過L、W進行調節。當增大L或減小W時，兩段傳輸線的等效電感值都會隨之增大，從而改變微帶諧振器的諧振頻率。在半波長開路諧振器中，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改變諧振頻率。

為了對毫米波頻段諧振器的頻率偏差進行補償，本文提出了在諧振器矩形孔兩端鍵合金絲的方法實現頻率調整，可調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，通過金絲實現集成電路內部器件互聯的一種焊接方式[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關系。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。當鍵合足夠數量的金絲后，可調諧振器和同樣電路尺寸的未開孔諧振器頻率相同。同時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現頻率調諧。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，當調節矩形孔參數D、W及L時，諧振頻率偏移量隨參數D、W和L的變化曲線。此時諧振器寬度為0.2 mm，長度為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W、L、D相關。當諧振器及矩形孔尺寸不變時，矩形孔越靠近諧振器中心，矩形孔對諧振器內電流分布影響越大，諧振頻率隨著距離D減小而降低；反之，當矩形孔位置靠近諧振器兩端時，諧振頻率隨著距離D增加而上升。當保持矩形孔相對位置D不變時，隨著高阻抗傳輸線的線寬W減小或長度L增大，兩段并聯傳輸線的感性增強，諧振頻率隨之降低。

由圖3、4可以看出，在建模時對可調微帶諧振器3個關鍵參數(W、L和D)進行選擇優化，則通過鍵合金絲可產生所需的頻率步進。

多步進可調微帶諧振器的結構如圖5所示。由圖可見，以諧振器的中線為對稱軸，在諧振器的兩側對稱地加載四對矩形孔。在投版測試后，對稱鍵合圖中標號為A1、A2、A3、A4的矩形孔，濾波器可以實現不同步進的頻率調諧。進一步將具有不同頻率步進的矩形孔進行組合(如同時鍵合A1和A2的4個矩形孔)，則可以實現更大的可調范圍。

圖6是圖5中可調微帶諧振器的仿真結果。其中曲線A是未鍵合金絲前諧振器的S參數曲線，曲線B、C、D、E是在保持前一鍵合狀態不變時，繼續依次鍵合A1、A2、A3、A4矩形孔后的仿真結果。由圖可以看出，該諧振器可以實現最大可調頻率范圍1.15 GHz。在最靠近諧振器中心位置的A1矩形孔鍵合金絲時，可以實現最大調諧步進400 MHz；在諧振器兩端的A4矩形孔鍵合金絲時，能夠實現最小頻率步進180 MHz。

1.2 調諧微帶濾波器設計

為了驗證1.1節中提出的頻率調諧方法，以一種Ka頻段五階微帶濾波器的設計為例。該濾波器的設計指標：中心頻率f0=35.8 GHz，絕對帶寬大于500 MHz，帶外±1.2 GHz處抑制大于30 dBc。

采用圖5中的多步進可調微帶諧振器實現了五階平行耦合式調諧濾波器，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現寬帶匹配，諧振器之間采用并聯非諧振傳輸線的方式來調節耦合強度。

首先，基于該拓撲結構以及傳統未開孔開路諧振器，在ADS軟件中進行快速仿真計算，得到諧振器長度、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鍵參數的初值。然后基于以上初值，在三維電磁仿真軟件HFSS中進行電路建模仿真，這里采用介質厚度為0.254 mm、介電常數為9.6的陶瓷基板進行仿真優化。最后，為了實現設計目標的中心頻率，多步進可調諧振器在全部鍵合金絲和不鍵合金絲時可以實現最大和最小可調頻率，該頻率調節范圍應覆蓋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，在阻帶內產生了多個傳輸零點，從而改善濾波器的頻率選擇性。通過調節諧振器之間的耦合強度可以改變零點位置。在兩個諧振器之間并聯一段高阻抗非諧振傳輸線來調節耦合強度。改變非諧振傳輸線到諧振器之間的耦合縫隙寬度s1，則可調節通帶兩端零點位置，如圖8所示。

圖9為所提出的Ka頻段調諧微帶濾波器的仿真結果。該濾波器可以實現5種頻率響應狀態、4種不同的頻率步進，通帶調節范圍為34.9～36.05 GHz，實現了1.15 GHz的最大頻率調節范圍。

2 測試結果及分析

采用陶瓷基板(基板厚度h=0.254 mm, 介電常數εr=9.6, 損耗角正切tanδ=0.001)對可調濾波電路進行仿真設計，并通過加工測試進行實驗驗證。通過全波仿真軟件HFSS仿真優化得到具體電路參數，調諧濾波器的實物如圖10所示。濾波器的最終優化尺寸分別為：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的濾波器測試臺中，濾波器與測試臺傳輸線之間采用金絲鍵合進行連接。使用矢量網絡分析儀Agilent N5244A對圖10中的調諧微帶濾波器進行測試。圖11是在諧振器不同位置鍵合金絲時，濾波器的測試S參數曲線。

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調諧到35.95 GHz，同時保持絕對帶寬均大于850 MHz。調諧過程中，通帶內回波損耗均大于10 dB，帶內插入損耗為(3.75±0.70)dB，阻帶抑制均大于30 dBc。當在諧振器A1、A2處同時鍵合金絲時，能實現所需的通帶頻率。

3 結束語

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開路諧振器，提出了一種Ka頻段五階調諧帶通濾波器。該濾波器通過鍵合金絲的方式來調諧頻率，從而實現對測試結果的修正。對Ka調諧微帶濾波器進行了仿真優化、加工測試及調試。該濾波器的通帶可調范圍為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，能實現設計和實測結果基本吻合。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，調諧方法簡單易操作，可降低生產成本，具備在毫米波工程項目大規模應用的潛力。