X波段微帶帶通濾波器的仿真設計

2021-01-09 電子發燒友
X波段微帶帶通濾波器的仿真設計

佚名 發表於 2010-11-25 08:48:51

　　氧化鋁陶瓷基板上薄膜無源元件混合電路過去常用於要求高精度、長期穩定可靠、中等功耗和頻率不超過100MHz的應用。提高這些傳統性能的極限以滿足平面傳輸線濾波器不斷發展和增長的要求，已成為生產流程控制、材料相容性工程以及電磁(EM)設計的精巧之處。X波段微帶帶通濾波器的薄膜製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計和製造過程中，需要考慮導體屬性、介電性能、尺寸和幾何外形。這裡採用了平行板電容和諧振腔介電特性技術，對氧化鋁的介電常數(Er)和損耗角正切值進行了測量。測量結果顯示，氧化鋁的批次內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。為適應介質基板的不一致性，需根據其特定的介電特性量身定製導體掩膜原圖，以實現最佳濾波器性能。TiW/Au金屬化方案的RF薄層電阻率的計算結果顯示，TiW決定導體損耗程度，在10GHz時約為0.089dB/cm。經過評估，鈦鎢金(TiW/Au)的導體損耗在0.08dB/cm到0.11dB/cm 之間，主要決定於界面TiW附著層。

　　對X波段微帶帶通濾波器進行了EM仿真、薄膜製造和矢量網絡分析儀(VNA)測試。仿真和測試的濾波器特性非常吻合：因數為10.1GHz;S21<1.3dB;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;形狀因數為0.054dB/MHz。

　　下文詳細介紹X波段微帶帶通濾波器的設計，重點關注材料與生產考慮因素。

　　濾波器通常用來從複雜波形中篩選/隔離出單個或者多個信號(頻率)。此外，它們還能夠對稱或者非對稱地修正信號的幅度和/或相位。

　　

　　隨著業界逐漸使用特定頻率用於通信，以及射頻信號傳輸需要兼顧普通模擬信號和數位訊號，帶寬被具有獨特特性的信號所佔用。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，也能以佔用跳頻信號集群包形式出現。頻譜被劃分為普遍接受的頻段外，剩餘部分供各級雷達工作頻率使用。頻段劃分隨定義機構(國際電信聯盟(ITU)、JCS)的不同略有區別。

　　表1是ITU的頻段名稱及其一般應用。在如此複雜電磁環境中，需要對分配的帶寬進行充分的利用，因此出色的射頻系統性能主要取決於經過優化的器件性能。其中濾波器是系統的關鍵組成部分，一般用來從更為複雜的波形中篩選/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。在為數眾多的濾波器設計中，採用微帶幾何形狀的平面導波傳輸線結構，最適合採用高精度薄膜製造工藝、無源微波組件製造工藝以及後續的模塊組裝工藝。

　　設計結構

　　在這種配置中，介質層位於金屬化導體之間，頂層是金屬化電路導體層，底層是整片的接地層。雖然由於介質層與頂層電路導體層不對稱(介質層與導體層只在一側接觸)，該結構的電場(E)和磁場(H)將導致近似TEM的電磁橫向傳播，但是微帶幾何結構能在寬泛的特性阻抗範圍內(15~150Ω)提供良好的功率容量、中等的輻射損耗(適度的串擾)和頻散性能。

　　設計目標

　　一般而言，帶通濾波器的設計目標是在帶通頻率上將傳輸損耗降至最低，並且在期望帶寬的上下實現最大抑制。濾波器的性能品質因數(FOM)由S參數、帶寬、中心頻率、紋波、抑制、群延遲和功率容量定義。根據由這些FOM構成的規範集，可以進行計算密集的EM建模和優化。選擇與所需濾波器性能最接近的合適的傳輸函數(切比雪夫、貝塞爾、橢圓等)，並重複運行FOM優化流程。最終的濾波器結構由終端耦合、邊緣耦合、交叉的Ω/2長開路諧振器串聯而成。通過調節導體諧振器的對稱偏移量、間隔、寬度、長度、厚度以及「中間」介質層的Er和厚度，可以得到最佳的FOM。

　　

　　用於生產的材料結構

　　

　　已完成的邊緣耦合交叉式濾波器的結構示例如圖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。

　　

　　一旦優化設計完成，就可以生成合適的導體走線圖，然後採用常規的薄膜加工進行諧振器所要求的金屬化圖形沉澱。採用這種方法生產的帶通濾波器，其獨特之處在於填充的過孔將接地層和頂層的微帶導體連接在一起(接地層-信號層-接地層)，並採用聚醯亞胺支撐的「空氣橋」進行導體互聯。

　　介電特性的測量

　　介電常數和損耗角正切屬性測量採用了開放式諧振器/HP8510 VNA和平行於基板的兩個主平面內軸線的電場，測量範圍為18GHz到25GHz。

　　平行板法用於根據電容和損耗因數分別導出介電常數(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，然後進行TiW/Au(1000A/2500A)濺射金屬化，最後電鍍Au(3.75微米)。基板隨後被切割成4.40英寸x3.70英寸的標稱尺寸，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，然後用介電厚度、電極面積和測得電容計算Er。

　　

　　每50片三氧化二鋁基板的厚度，均測自4.40英寸x3.70英寸的面積上由12個點組成的陣列，同時對基板的長軸和短軸進行兩次長度和寬度測量。

　　表2是50片三氧化二鋁基板的Er、損耗角正切和厚度分布數據，以及「最好」和「最差」的基板數據。

　　帶通濾波器(BPF)仿真和測量

　　

　　期望的BPF規格如表3所示，它選自於X波段性能。BPF測量採用了HP8510C VNA，其帶有一個完整的雙埠SOLT(短路-開路-負載-直通)微調裝置。

　　

　　反覆使用奇/偶模式阻抗分析，對側部邊緣耦合濾波器的初步設計進行了評估。根據該設計計算得出的衰減程度和VSWR結果見圖4。在10,100MHz和10,200MHz之間存在最小的VSWR(1.07)和衰減(1.8dB)。

　　

　　圖5是側部邊緣耦合BPF拓撲設計。該設計採用 GSG 「共面」源埠和負載埠，四周布置過孔接地籠。微帶諧振器的幾何尺寸為長5.52mm，寬0.330mm，耦合隙為0.152mm。

　　

　　圖6 是自由諧振條件下的無損耗S21和S11參數

　　對導體幾何尺寸和電氣屬性的精確控制是實現優異性能的關鍵。對於濾波器的應用頻率，諧振器耦合發生在 ?/4元件上時，耦合效果最強。這種耦合線結構的缺陷是需要微小的縫隙來實現強大的耦合。由於這些元件是由導線構成的，導線的幾何精度和一致性分別決定了所需阻抗的匹配度和耦合度。為控制導體的幾何尺寸，可採用高度共形的電阻和尺寸補償布線，以實現電鍍導體的垂直/水平生長縱橫比。使用這些設計/工藝特性，可以生產長25~50mm的3μm導線和空隙。

　　

　　圖7是 10GHz自由諧振條件下的電場。

　　微帶幾何結構的散射特性(非均質介質)會引起偶模和奇模相位速度的不對稱。

　　

　　

　　圖8~9是自由諧振條件下的 S21和S11損耗參數 。

　　對諧振高Q濾波器結構，使用四面體網孔建模進行了三維全波EM仿真。在計算S參數時，使用了降階模型法。電磁場的評估則使用考慮到損耗的模型分析(固有模式)來進行。對分立式濾波器(自由諧振)和諧振腔濾波器(封閉諧振)都進行了分析。

　　模型報告

　　

　　圖 10是實際測量 (S21, S11)。

　　本文小結

　　X波段微帶通帶濾波器已經過了EM仿真、薄膜製造和VNA測試。仿真特性和測量得的濾波器特性具有良好的一致性：因數為10.1GHz;S21<1.3dB;電壓駐波比(VSWR)為 1.1;帶寬在1dB、3dB和10dB時分別為340MHz、380MHz和800MHz;形狀因子為0.054dB/MHz。

　　威世公司的EFI在優化功能的多項關鍵性互動設計參數上取得突破性進展。威世公司是為數不多的幾家能夠提供這種設計和建模功能的製造商之一。

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