Ka波段微帶濾波器的仿真與測試

鄧慶文　范童修　盧勝軍

摘 要： 微帶濾波器在電子工程領域有很重要的應用，設計了一款Ka波段微帶濾波器并通過測試夾具研究鍵合線及鍵合微帶線間隙對其性能的影響。結合電磁仿真結果與實測結果發現： 鍵合金絲及鍵合微帶線間隙在高頻條件下引入的寄生參數惡化濾波器的駐波，通過提取相應的等效參數，并對鍵合端點進行阻抗匹配，再次進行電磁場仿真，結果表明濾波器的駐波有了明顯的改善。

關鍵詞： 微帶濾波器； 鍵合線； ADS； HFSS； 寄生參數

中圖分類號： TN713?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）05?0149?03

Simulation and testing of Ka?band microstrip filter

DENG Qing?wen， FAN Tong?xiu， LU Sheng?jun

（No.36 Research Institute of CETC， Jiaxing 314033， China）

Abstract： Microstrip filters are widely used in the electronic engineering field. A Ka?band microstrip filter was designed and tested for the target to investigate return loss and insertion loss from bonding wire and gap between bonding microstrip wires. The results show that the gap between gold bonding wire and microstrip wire may deteriorate the standing wave of the filter if pa?rasitic parameter is introduced under the condition of high frequency. After the equivalent parameters was extracted and impe?dance was matched at the bonding endpoint， another electromagnetic field simulation was carried out. The result indicates that the standing wave of the filter is improved obviously.

Keywords： microstrip filter； bonding wire； ADS； HFSS； parasitic parameter

0 引 言

濾波器作為信號處理鏈路中的關鍵器件，不僅可以實現信號分離、抑制干擾，還可以起阻抗變換、阻抗匹配和延遲信號的作用。濾波器的性能直接影響系統的性能，因此，設計并制備出性能優越的濾波器對保證射頻、微波信號處理系統的性能具有十分重要意義。與集總參數元件濾波器相比，微帶線濾波器具有重量輕、體積小、易于加工集成、易于與射頻電路匹配等優點，目前廣泛應用于射頻、微波等頻率較高的通信電路中[1?4]。濾波器的工作頻率是決定濾波器尺寸的關鍵因素，對體積小、工作頻率高的微帶線濾波器在實際應用時需要將濾波器輸入、輸出微帶線與上一級元器件的輸出端和下一級的輸入端相連，一般通過鍵合線或者微帶線轉SMA接頭來連接。由于金絲鍵合處的不連續性和鍵合端口微帶線之間的間隙在高頻下的寄生參數導致濾波器的測試性能與實際性能有所不同，只有將金絲鍵合模型參數提取出來并在測試過程中進行校正，才能使實測結果逼近真實結果。因此，提取金絲鍵合處的等效模型已經成為微帶線濾波器精確測試需要解決的首要問題，本論文主要針對這個問題開展研究。

1 仿 真

設計一款工作頻率在Ka波段的濾波器，目標設計參數為：

（1） 中心頻率30.2 GHz，相對帶寬為7.95%；

（2） 偏離中心頻率3 GHz處帶外抑制高于30 dB；

（3） 介質基板厚度為0.254 mm，相對介電常數為9.8。

使用空間映射法[5～7]在理想空氣腔體（長、寬與濾波器基板一致）中進行優化，經過不斷優化后的最終仿真結果如圖1所示，從圖中可以看出，濾波器中心頻率為30.2 GHz，通帶為29～31.4 GHz，將濾波器物理參數提取出來后用薄膜電路工藝進行實物加工，加工精度為2 μm。

2 測 試

濾波器的測試系統如圖2所示，待測濾波器通過鉛錫合金共晶燒結在測試載片上，載片通過4顆螺釘與測試腔體固定，輸入、輸出K接頭的波珠與50 Ω微帶線焊接，最后通過鍵合金絲將50 Ω微帶線與濾波器相連，微帶線與濾波器輸入、輸出微帶線之間的間隙為0.1 mm。考慮腔體對測試結果的影響，將濾波器置于圖2所示的測試夾具中再次進行電磁場仿真，如圖3所示。

濾波器放入測試夾具后開蓋仿真結果如圖4所示，與圖1相比，濾波器的插入損耗顯著增加，帶內波動惡化，駐波變差。金絲鍵合及波珠與微帶的轉換過程中的不連續性引起的阻抗失配導致駐波變差，表面不光滑的微帶線和金絲引入較大的電阻，導致濾波器的插入損耗增加。

圖5為實測結果（橫坐標25～35 GHz，1 GHz/格；縱坐標10 dB/格），從圖中得知濾波器插損為3.1 dB，帶內波動為1.9 dB，回波損耗為11.2 dB。測試前使用直通50 Ω微帶線代替濾波器用于校準駐波，圖5的實測結果駐波優于圖4所示的仿真結果，主要是因為實測時駐波使用了直通微帶線進行校準，鍵合線及微帶線間隙寄生參數的影響已基本消除。實測插入損耗比仿真結果差，這主要是因為仿真時金絲、微帶線被視為理想導體，且表面光滑，其電阻被忽略。

3 參數提取

為研究鍵合線對濾波器性能的影響，將金絲等效為電阻與電感串聯后再和電容并聯，微帶線與濾波器輸入、輸出端口之間的縫隙等效為接地電容。通過ADS建立等效電路模型并將濾波器在測試腔體模型中的電磁仿真結果與理想空氣腔體中的電磁仿真結果進行對比，將等效電感、電容設為變量進行優化，如圖6所示。經過優化后得到金絲的電感值約為0.05 nH，金絲對地電容約為0.05 pF，微帶線與濾波器輸入、輸出端口之間的縫隙等效的耦合電容約為1 nF。

為補償因鍵合線及縫隙電容所惡化的駐波，用漸變線代替測試端口微帶線，采用圖7所示的電路結構優化漸變線參數。將濾波器換成同一基板介質的50 Ω微帶線，再進行電磁場仿真，對比金絲鍵合前后的仿真結果，如圖8所示。從圖8中可以看出，直通時由于鍵合線的寄生電感，輸入輸出端口微帶線之間的間隙電容引入的寄生參數惡化了駐波，并且插損也略有增加。

將圖8所示的電磁仿真結果導入ADS中，經過優化后，微帶線末端改為漸變線進行阻抗匹配。使用匹配后的漸變微帶線對濾波器測試腔體再次建立模型，并進行電磁場仿真，圖9為匹配前后的仿真結果對比圖。通過圖9可以看出，經過漸變微帶線匹配后的回波損耗為12 dB，與實測值11.2 dB很接近，這表明在微帶線末端使用漸變線進行匹配可以很好地校準鍵合線和微帶線輸入、輸出端口之間的間隙引入的寄生參數，從而使測試結果更加逼近真實值。

4 結 論

本文設計并加工了一款可在Ka波段工作的耦合微帶線濾波器作為微帶線與金絲鍵合的研究模型。通過仿真與測試相結合，提取鍵合處寄生參數的等效電路模型，最后通過漸變線優化駐波，優化后的仿真結果與實測結果相吻合。

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