X波段微带带通滤波器的仿真设计

　氧化铝陶瓷基板上薄膜无源元件混合电路过去常用于要求高精度、长期稳定可靠、中等功耗和频率不超过100MHz的应用。提高这些传统性能的极限以满足平面传输线滤波器不断发展和增长的要求，已成为生产流程控制、材料相容性工程以及电磁(EM)设计的精巧之处。X波段微带带通滤波器的薄膜制造工艺综合考虑了上述因素。

　　在高精度微带带通过滤器的设计和制造过程中，需要考虑导体属性、介电性能、尺寸和几何外形。这里采用了平行板电容和谐振腔介电特性技术，对氧化铝的介电常数(Er)和损耗角正切值进行了测量。测量结果显示，氧化铝的批次内电气属性的非均匀性(Er=4~5%)和损耗角正切值(tan=40%)。介电厚度测量显示有明显的不一致性。为适应介质基板的不一致性，需根据其特定的介电特性量身定制导体掩膜原图，以实现最佳滤波器性能。TiW/Au金属化方案的RF薄层电阻率的计算结果显示，TiW决定导体损耗程度，在10GHz时约为0.089dB/cm。经过评估，钛钨金(TiW/Au)的导体损耗在0.08dB/cm到0.11dB/cm 之间，主要决定于界面TiW附着层。

　　对X波段微带带通滤波器进行了EM仿真、薄膜制造和矢量网络分析仪(VNA)测试。仿真和测试的滤波器特性非常吻合：因数为10.1GHz;S21<1.3dB;电压驻波比(VSWR)为1.1;带宽在1dB、3dB和10dB的时候分别为340MHz、380MHz和800MHz;形状因数为0.054dB/MHz。

　　下文详细介绍X波段微带带通滤波器的设计，重点关注材料与生产考虑因素。

　　滤波器通常用来从复杂波形中筛选/隔离出单个或者多个信号(频率)。此外，它们还能够对称或者非对称地修正信号的幅度和/或相位。

　　随着业界逐渐使用特定频率用于通信，以及射频信号传输需要兼顾普通模拟信号和数字信号，带宽被具有独特特性的信号所占用。这些特殊信号既能以离散频率通道中的单一信号形式存在，也能以占用跳频信号集群包形式出现。频谱被划分为普遍接受的频段外，剩余部分供各级雷达工作频率使用。频段划分随定义机构(国际电信联盟(ITU)、JCS)的不同略有区别。

　　表1是ITU的频段名称及其一般应用。在如此复杂电磁环境中，需要对分配的带宽进行充分的利用，因此出色的射频系统性能主要取决于经过优化的器件性能。其中滤波器是系统的关键组成部分，一般用来从更为复杂的波形中筛选/隔离出一个或多个信号(频率)。此外，滤波器能对称或者非对称地修正信号的幅度和/或相位。在为数众多的滤波器设计中，采用微带几何形状的平面导波传输线结构，最适合采用高精度薄膜制造工艺、无源微波组件制造工艺以及后续的模块组装工艺。

　　设计结构

　　在这种配置中，介质层位于金属化导体之间，顶层是金属化电路导体层，底层是整片的接地层。虽然由于介质层与顶层电路导体层不对称(介质层与导体层只在一侧接触)，该结构的电场(E)和磁场(H)将导致近似TEM的电磁横向传播，但是微带几何结构能在宽泛的特性阻抗范围内(15~150Ω)提供良好的功率容量、中等的辐射损耗(适度的串扰)和频散性能。

　　设计目标

　　一般而言，带通滤波器的设计目标是在带通频率上将传输损耗降至最低，并且在期望带宽的上下实现最大抑制。滤波器的性能品质因数(FOM)由S参数、带宽、中心频率、纹波、抑制、群延迟和功率容量定义。根据由这些FOM构成的规范集，可以进行计算密集的EM建模和优化。选择与所需滤波器性能最接近的合适的传输函数(切比雪夫、贝塞尔、椭圆等)，并重复运行FOM优化流程。最终的滤波器结构由终端耦合、边缘耦合、交叉的Ω/2长开路谐振器串联而成。通过调节导体谐振器的对称偏移量、间隔、宽度、长度、厚度以及“中间”介质层的Er和厚度，可以得到最佳的FOM。

　　用于生产的材料结构

　　已完成的边缘耦合交叉式滤波器的结构示例如图2和图3所示。边缘耦合滤波器的插入损耗和回波损耗性能如图1所示。

　　一旦优化设计完成，就可以生成合适的导体走线图，然后采用常规的薄膜加工进行谐振器所要求的金属化图形沉淀。采用这种方法生产的带通滤波器，其独特之处在于填充的过孔将接地层和顶层的微带导体连接在一起(接地层-信号层-接地层)，并采用聚酰亚胺支撑的“空气桥”进行导体互联。

　　介电特性的测量

　　介电常数和损耗角正切属性测量采用了开放式谐振器/HP8510 VNA和平行于基板的两个主平面内轴线的电场，测量范围为18GHz到25GHz。

　　平行板法用于根据电容和损耗因数分别导出介电常数(Er)和损耗角正切。先对99.6%的0.015英寸x4.5英寸x3.75英寸三氧化二铝陶瓷基板进行清洗，然后进行TiW/Au(1000A/2500A)溅射金属化，最后电镀Au(3.75微米)。基板随后被切割成4.40英寸x3.70英寸的标称尺寸，供隔离的顶部电极和底部电极使用。先用LCR测量计/固定装置进行电容测量，然后用介电厚度、电极面积和测得电容计算Er。

　　每50片三氧化二铝基板的厚度，均测自4.40英寸x3.70英寸的面积上由12个点组成的阵列，同时对基板的长轴和短轴进行两次长度和宽度测量。

　　表2是50片三氧化二铝基板的Er、损耗角正切和厚度分布数据，以及“最好”和“最差”的基板数据。

　　带通滤波器(BPF)仿真和测量

　　期望的BPF规格如表3所示，它选自于X波段性能。BPF测量采用了HP8510C VNA，其带有一个完整的双端口SOLT(短路-开路-负载-直通)微调装置。

　　反复使用奇/偶模式阻抗分析，对侧部边缘耦合滤波器的初步设计进行了评估。根据该设计计算得出的衰减程度和VSWR结果见图4。在10,100MHz和10,200MHz之间存在最小的VSWR(1.07)和衰减(1.8dB)。

　　图5是侧部边缘耦合BPF拓扑设计。该设计采用 GSG “共面”源端口和负载端口，四周布置过孔接地笼。微带谐振器的几何尺寸为长5.52mm，宽0.330mm，耦合隙为0.152mm。

　　图6 是自由谐振条件下的无损耗S21和S11参数

　　对导体几何尺寸和电气属性的精确控制是实现优异性能的关键。对于滤波器的应用频率，谐振器耦合发生在 ?/4元件上时，耦合效果最强。这种耦合线结构的缺陷是需要微小的缝隙来实现强大的耦合。由于这些元件是由导线构成的，导线的几何精度和一致性分别决定了所需阻抗的匹配度和耦合度。为控制导体的几何尺寸，可采用高度共形的电阻和尺寸补偿布线，以实现电镀导体的垂直/水平生长纵横比。使用这些设计/工艺特性，可以生产长25~50mm的3μm导线和空隙。

　　图7是 10GHz自由谐振条件下的电场。

　　微带几何结构的散射特性(非均质介质)会引起偶模和奇模相位速度的不对称。

　　图8~9是自由谐振条件下的 S21和S11损耗参数 。

　　对谐振高Q滤波器结构，使用四面体网孔建模进行了三维全波EM仿真。在计算S参数时，使用了降阶模型法。电磁场的评估则使用考虑到损耗的模型分析(固有模式)来进行。对分立式滤波器(自由谐振)和谐振腔滤波器(封闭谐振)都进行了分析。

　　模型报告

　　图 10是实际测量 (S21, S11)。

　　本文小结

　　X波段微带通带滤波器已经过了EM仿真、薄膜制造和VNA测试。仿真特性和测量得的滤波器特性具有良好的一致性：因数为10.1GHz;S21<1.3dB;电压驻波比(VSWR)为 1.1;带宽在1dB、3dB和10dB时分别为340MHz、380MHz和800MHz;形状因子为0.054dB/MHz。

　　威世公司的EFI在优化功能的多项关键性互动设计参数上取得突破性进展。威世公司是为数不多的几家能够提供这种设计和建模功能的制造商之一。