X波段SICL小型化帶通濾波器的設計

唐瑞瑞，黃玉蘭，唐 磊

(西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710121)

0 引言

隨著無線通信技術的普及，現代濾波器需要滿足小型化、高集成度、低成本等要求[1-3]。基片集成波導(SIW)具有尺寸小[4],品質因數(Q)值高[5]，損耗低和易于集成的特點[6-7]。電子科技大學已將SIW應用于K波段的濾波器中，其中心頻率可以達到19.75 GHz[8]，針對Wi-Fi設計的SIW型帶通濾波器回波損耗可達-34 dB[9]。但由于SIW的尺寸不能隨意縮小，造成SIW在較低頻段尺寸較大[10]。因此，一種具有屏蔽的、非色散特性結構的基片集成同軸線(SICL)結構應運而生[11]。和SIW相比，SICL在保持高性能屏蔽結構優點的基礎上，設計尺寸更靈活，同時又可用簡單且廉價的印制電路板(PCB)、CMOS、微機電系統(MEMS)甚至薄膜電路等工藝實現，易與有源器件系統進行集成[12-13]。目前，已運用SICL結構研究出濾波器、功分器及耦合器等多種微波器件。東南大學微波實驗室提出一種以中心頻率2.2 GHz的SICL技術的小型表面掛載濾波器[14]。電子科技大學設計出了一種新型的基于SIW和SICL復合結構的雙帶帶通濾波器[15]。Mathieu Cariou等在SICL技術的研究上，利用8層金屬化組成的多層PCB設計和制造了一種三階的X波段濾波器[16-17]，但由于SICL器件的物理結構，測試要求使用夾具進行，則測試結果受夾具精度的影響較大[18]。

本文針對SIW濾波器尺寸過大和SICL的使用夾具測試引起的損耗問題，主要分析了階躍阻抗(SIR)型SICL諧振器的設計原理和方法，提出了利用共面波導(CPW)向SICL諧振器提供激勵的方法，利用電耦合方式，設計了一種X波段帶通濾波器，濾波器階數僅為三階。利用SIR結構有效地增加了帶寬，獲得了較低插損和較小尺寸。

1 SIR型SICL諧振器設計

1.1 SIR型SICL諧振器的原理

如圖1所示，SICL是一種屏蔽平面同軸傳輸線，由2層介電質層、3層金屬層及2排金屬通孔構成。圖中，H1為介質層厚度，H2為粘結層厚度。SICL主要類似于一個矩形的同軸線，它保留了與平面電路相結合的優點和進一步的兼容。本文的介質板材選用Taconic公司的多層PCB板，介質材料的相對介電常數為2.2，介質損耗角為0.000 9，厚為0.254 mm;粘結層相對介電常數為3.0，介質損耗角為0.003 8，厚為0.12 mm；敷銅厚為0.036 mm。

圖1 SICL結構模型

SIR型諧振器是由2個及2個以上具有不同特性阻抗的傳輸線，通過阻抗階躍結合面組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。SIR諧振器的開路端和短路端具有電容效應，可達到減小濾波器尺寸的目的。此外，SIR濾波器還可控制濾波器的寄生通帶。通過控制諧振器的阻抗比來控制諧振頻率，結合SIR設計出SICL型諧振器如圖2所示。圖中，p、d分別為相鄰金屬通孔間距和金屬通孔直徑，A為兩排金屬通孔距離，代表SICL結構的外導體直徑，w1、w2分別為SICL內導體直徑，L1、L2分別為SIR結構中的短路端及開路端傳輸線的長度。諧振阻抗比為

(1)

式中：Rz為SIR結構2個特性阻抗之比；Z1、Z2分別為短路端及開路端阻抗。

圖2 SIR型SICL諧振器

1.2 諧振器激勵的引進

為了解決用夾具測量SICL器件引起的濾波器損耗問題，設計引進了諧振器激勵。SICL由很多周期的金屬化通孔構成，外加SICL集成于介質基片上，由于大多測試要使用夾具進行，使測試結果受夾具精度的影響較大。又因CPW可傳輸準橫電磁波(TEM)，與SICL傳輸模式相同，因此，本文設計一種用CPW結構引進諧振器的激勵，其結構如圖3所示。圖中，w3為CPW中心導帶寬度加上2個縫隙的總距離。盲孔是由上層介質上表面至粘結層下表面處，盲孔內均填銅，目的是使SICL的內導體與CPW結構相連。根據諧振腔內部結構，選擇抽頭式饋電，抽頭外接CPW結構，由CPW結構連接平面電路。

圖3 SICL諧振器的激勵引進結構圖

1.3 激勵引進結構數據分析

諧振器外接CPW結構阻值為50 Ω，CPW與抽頭的連接部分會造成信號的衰減，從而影響諧振器的性能。因此，我們改變CPW的盲孔直徑d1，得到d1和諧振器反射系數S11的關系曲線，如圖4所示。通過調節抽頭與接地端的距離S1可控制外接Q濾波器群時延的大小，群時延與S1的關系曲線如圖5所示。

圖4 S11與d1仿真曲線

圖5 S11群時延與S1仿真曲線

根據圖4、5可看出：

1) 隨著d1的增大，反射系數S11相應減小。d1越大，信號傳輸性能越好，表現出諧振通帶衰減越小，通帶內反射系數的衰減越大。

2) 隨著d1的增大，諧振頻率隨之增大。d1的大小影響諧振器中的電磁場模式，隨之反映出諧振頻率的變化。

3) 當S1變大時，群時延變大，群時延又與外界品質因數正相關，即抽頭越接近接地端，外界品質因數越大。

4) 當S1變大時，諧振頻率會相應減小，反之也成立。這說明濾波器內部抽頭會影響其諧振頻率，濾波器的頻率會降低。

因此，設計濾波器時，應配合相應的盲孔直徑和抽頭與接地端的距離，適當調節連接CPW結構諧振器的諧振頻率，防止因盲孔和抽頭與接地端距離而導致頻率誤差。

2 濾波器的耦合及優化仿真

2.1 諧振器的耦合

本文通過組合3個SICL型諧振器，應用耦合系數法設計了中心頻率為10 GHz，帶寬1.5 GHz的濾波器。使用HFSS仿真諧振器間的耦合系數，雙諧振器的耦合方式如圖6所示，耦合系數大小通過耦合線的寬度Wk來調節。

圖6 耦合系數仿真模型

圖7為耦合系數k隨Wk變化的曲線。由圖可看出，隨著Wk的增大，耦合系數相繼增大，且k>0.08，為強耦合。Wk的增大不僅改變了耦合系數，也相應地改變了濾波器的反射系數，圖8為反射系數隨Wk的變化曲線。由圖可看出，當Wk增大時，反射系數、諧振帶寬隨之減小，濾波器的中心頻率變大。

圖7 耦合系數隨Wk的變化曲線

圖8 反射系數隨Wk的變化曲線

2.2 濾波器仿真結果

圖9為三階帶通濾波器的結構。使用HFSS軟件進行優化仿真，確定得到尺寸的最終值，如表1所示。

圖9 SICL型濾波器結構圖

Sk/mmWk/mmL1/mmL2/mm10.62.41.3S1/mmw1/mmw2/mmWt1/mm10.232.730.2

SICL型濾波器占用空間為13 mm×7 mm，標準化體積為0.43λ0×0.023λ0(λ0為中心頻率在自由空間中的波長)，得到的曲線如圖10所示。

圖10 SICL型濾波器仿真曲線圖

由圖10可看出，SICL型濾波器的中心頻率為10 GHz，在通帶9.25～10.75 GHz內，最小插入損耗為0.8 dB，其中包括CPW結構引起的損耗，回波損耗大于19.5 dB。

2.3 濾波器性能對比

為突出SICL結構的性能，將SICL濾波器與現今的主流結構SIW型濾波器進行對比分析，表2為SICL濾波器與SIW型濾波器的參數比較。

表2 SICL結構與SIW結構濾波器的參數比較

由表2可看出，與文獻[7-9]中SIW濾波器相比，本文SICL濾波器的插入損耗較高，帶寬寬，且標準體積較小。SIR結構的加入，使諧振器的帶寬加寬，標準體積的改善是由于SICL諧振器的寬度尺寸由內、外導體比值確定。與文獻[8]相比，由于SIW諧振器的窄帶寬，造成其所設計濾波器的諧振器數量增大，則尺寸相應增大。文獻[9]是低頻波段SIW的應用。由表2還可看出，若SIW濾波器面積小，同時帶寬會更小，驗證了SIW更適合窄帶濾波器的設計，SICL型濾波器適合寬帶濾波器。

3 結束語

本文研究了SICL諧振器的性能，設計了中心頻率為10 GHz、帶寬15%的濾波器。提出由CPW引進激勵于SICL諧振器的方式，激勵引進結構中的盲孔直徑會影響諧振器的本征頻率和傳輸性能。濾波器面積為13 mm×6 mm的諧振器，可與小型螺紋連接的同軸連接器 (SMA)接口直接連接。與SIW諧振器相比，SICL結構尺寸縮小，且還可進一步縮小。由此可得，SICL濾波器的面積可達0.43λ0×0.023λ0，損耗僅有0.8 dB。與SIW結構相比，SICL結構損耗低且便于集成。本設計為SICL結構在微波領域的發展提供了一定的參考價值。