X波段微帶帶通濾波器的設(shè)計及仿真

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;S211.3dB;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。

　　下文詳細介紹X波段微帶帶通濾波器的設(shè)計，重點關(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工作頻率使用。頻段劃分隨定義機構(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)計目標(biāo)

　　一般而言，帶通濾波器的設(shè)計目標(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，可以進行計算密集的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行清洗，然后進行TiW/Au(1000A/2500A)濺射金屬化，最后電鍍Au(3.75微米)。基板隨后被切割成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/固定裝置進行電容測量，然后用介電厚度、電極面積和測得電容計算Er。

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