一種改善帶狀線濾波器傳輸性能的分析方法

于忠吉

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

近年來，隨著電子信息系統對電磁性能、輕薄化等要求越來越高，作為系統的關鍵組成部分，微波器件的性能指標將直接影響整個電路系統的性能。微波濾波器作為重要的無源器件，其高抑制度、低損耗指標決定其無法利用芯片級設計滿足使用要求，而相比波導、同軸線形式的濾波結構，具備寬頻、高信號抑制能力的帶狀濾波器被廣泛關注。本文提出一種基于切比雪夫原理的高通濾波器設計方法[1]，針對其在調試和使用過程中遇到的工程問題，通過電磁仿真和實物測試分析原因并提出合理的解決方案。

1 電路原理

1.1 仿真電路

本文設計的濾波器采用的帶狀線是一種寬邊耦合結構，如圖1所示。其主要由2層電路和3層介質組成，中間層是厚度H1為0.127 mm的介質基板，上(下)層是厚度H2為0.787 4 mm的介質基板。圖2給出了該15階高通濾波器的三維仿真模型圖，設計截止頻率為8 GHz。其仿真結果如圖3所示，可以看到，該濾波器具有非常好的頻率選擇性，通帶損耗也比較理想，且有較好的回波損耗，其對低頻的抑制超過了80 dBc。

圖1 帶狀線基本結構

圖2 高通濾波器的三維圖

圖3 HFSS下的仿真結果

1.2 實測對比

實物加工后的測試結果如圖4所示。對比圖3與圖4，除了截止頻率的些許偏移，曲線基本吻合，在低端的抑制方面更是幾乎重合。因此，該濾波器在設計階段是完全達到了設計要求。然而，在高低溫(-40 ℃+100 ℃)試驗后，發現濾波器通帶內幾乎無變化，但帶外抑制卻明顯惡化，其測試結果如圖5所示，很明顯，低端抑制由80 dBc變成60 dBc左右。

圖4 實物測試結果

圖5 高低溫試驗后實物測試結果

2 問題分析

2.1 條件假設

針對上述問題，首先從材料方面出發分析原因，本濾波器金屬殼體為鋁制材料，其熱膨脹系數(ppm/℃)為23；介質基板采用的是羅杰斯的RT5880，X、Y、Z方向熱膨脹系數(ppm/℃)分別為31、48、237。可以看到，在高溫情況下，殼體與基板在Z方向的熱膨脹系數差異會導致介質基板的膨脹從而被擠壓。經計算，在溫度由100 ℃恢復到常溫時，在腔內可能形成約0.02 mm的空隙，其等效模型結構如圖6所示。

圖6 高溫后的帶狀線結構

假定H3為高溫后形成的空氣層。按照此模型進行三維仿真，其結果與實測結果不吻合，帶外的抑制幾乎不受此空隙的影響，無論是將空氣層厚度變化或者改變層與層之間的位置，結果都與正常結果相差不大。

這里需要指出，為了解決殼體公差造成的空氣間隙，常用到的方法是利用金屬墊片填充。本例中也用到了這種方法。

2.2 仿真對比

對濾波器開蓋檢查，發現金屬墊片與介質基板貼合得非常緊密平整，其主要是由于金屬墊片質地較軟，5880板材又屬于軟基材，高溫膨脹過程中受到金屬殼體的擠壓所致。基于此現象，推測圖6中厚度為H3的介質層應存在于金屬墊片與金屬殼體之間。改變HFSS中的三維模型，將空氣間隙設置在金屬墊片與殼體之間，仿真結果如圖7所示。

圖7 加入金屬墊片后濾波器的仿真結果

對比圖5與圖7，結果非常接近，證實了上面的推測。分析該結構，很明顯，金屬墊片與金屬殼體間形成了類似平板電容的結構，即在電路中引入了額外的對地電容。

3 模型改進

對上述模型進行電路原理分析，如圖8所示，為一五階高通濾波器原型電路。為了進一步驗證對地電容對濾波器性能影響的必然性，分別將C1短路和調諧C1為某一定值進行仿真，其仿真結果如圖9和圖10所示。

圖10 引入對地電容后的濾波器仿真數據

圖9 沒有對地電容時的濾波器仿真數據

圖8 高通濾波器原理圖

從仿真結果明顯看出，引入等效電容后的濾波器帶外抑制特性明顯惡化，S21曲線也跟實物測試上的結果很接近，可以明確該等效電容對濾波器性能的影響。

4 結束語

本文針對帶狀線濾波器在使用過程中遇到的實際問題，結合原理電路、三維仿真和實測結果分析高通濾波器在高低溫環境中的低頻抑制能力減弱問題的原因。通過對不同頻段的帶狀線結構的濾波器(X頻段的高通和Ku波段的低通濾波器)在性能調試過程中加入金屬墊片出現的類似問題進行分析，建立仿真模型，即在濾波器模型電路中引入額外的對地電容，成功發現了上述問題的原因。并得出如下結論：對于帶狀線結構來說，不宜采用墊金屬片的方式調節間隙，此間隙會形成等效電容而導致濾波器性能下降。解決該問題的建議方法有2種：(1)提高殼體的加工精度,殼體加工過程中取負公差，一般取精度≤-0.02 mm，已實物驗證(高低溫后性能穩定；(2)在帶線介質之間采用半固化片[2-3](一種介電常數很接近所用介質材料的黏合膠片)，在高溫下將3層介質基片壓合成一個整體，并在基板上下表面敷銅以形成帶狀線結構。此方法在顯著減小結構尺寸及重量的同時，性能穩定，適合小型化應用需求；而其缺點是成本較高，且在高溫壓合時需要合適的模具。此外，加入的半固化片增加了實際的介質厚度，改變了電路模型，尤其是在頻率較高時影響更大，可能需要調整幾次才能達到較好的設計效果，有待進一步研究。