LCP 柔性HMSAFSIW 帶通濾波器設(shè)計與實現(xiàn)

劉維紅,陳 元,黃 倩

(西安郵電大學 電子工程學院,陜西 西安 710121)

隨著通信系統(tǒng)使用頻率的不斷升高,作為其核心電子器件的濾波器倍受關(guān)注。為應對更高頻率微波器件的設(shè)計,Deslandes 等[1]在2000 年左右提出了SIW結(jié)構(gòu)。隨著研究的不斷深入,研究人員提出了空氣填充的基片集成波導結(jié)構(gòu)(Air filled Substrate Integrated Waveguide,AFSIW),該結(jié)構(gòu)將部分基片用空氣代替,大大減小了其介質(zhì)損耗[2]。由于空氣介質(zhì)的引入,AFSIW 的微波特性得到了改善,但是AFSIW 仍然存在單模帶寬較窄的問題,并且加工難度較SIW 加大。為了進一步提高性能,空氣隙填充的基片集成波導(Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide,SAFSIW)應運而生[3],并被廣泛應用于微波電路設(shè)計。為了進一步縮小濾波器體積,出現(xiàn)了半模SAFSIW(HMSAFSIW)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)延續(xù)了SAFSIW優(yōu)異的微波毫米波特性,同時大大減小了濾波器的體積。

高分子液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer,LCP)是20 世紀80 年代初期發(fā)展起來的一種高性能工程材料,該材料具有優(yōu)異的微波毫米波特性,并且在較寬的頻率范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的介電常數(shù)和較低的介質(zhì)損耗[4]。同時,由于LCP 可以彎曲,因此被應用于柔性基板的加工[5-7]。

鑒于柔性LCP 材料優(yōu)異的微波毫米波特性以及HMSAFSIW 高效的微波傳輸特征,本文嘗試利用LCP柔性板設(shè)計并加工了一款中心頻率11.5 GHz 的柔性HMSAFSIW 帶通濾波器。

1 HMSAFSIW 諧振腔設(shè)計

如圖1 所示,HMSAFSIW 諧振腔上下表面為金屬銅,其厚度為18 μm,中間為帶有空氣隙的LCP 介質(zhì)層,其中LCP 介質(zhì)層的厚度為100 μm,相對介電常數(shù)為2.9,介電損耗為0.0025[8-9]。

在前期的研究過程中發(fā)現(xiàn),由于基板較薄,將所有的空氣隙聚集成一個整體,在后期加工過程中很容易導致上下金屬層短路,進而影響結(jié)構(gòu)的傳輸特性。為了降低加工難度,本文將空氣隙分成如圖1 所示的不連續(xù)的縫隙,通過控制空氣縫隙的尺寸大小,就可以避免上下金屬層的短路問題。

圖1 HMSAFSIW 諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Geometrical structure of HMSAFSIW resonant cavity

為了分析圖1 所示的HMSAFSIW 諧振腔結(jié)構(gòu)的電磁特性,利用HFSS 仿真軟件對其本征模式進行仿真分析[10]。仿真結(jié)果表明,該諧振腔的前三個本征模式為TM010、TM110、TM210,其對應的頻率分別為8.5,13.2,17.4 GHz,三個本征模式的電場分布如圖2所示。

圖2 HMSAFSIW 諧振腔三個本征模式電場分布圖Fig.2 Simulated electric field distribution of the three eigenmodes of the HMSAFSIW resonator

通過對HMSAFSIW 諧振腔本征模分析[11],發(fā)現(xiàn)HMSAFSIW 諧振腔基模TM010的最強電場分布在半圓中心,并且頻率只有8.5 GHz,不能滿足本文濾波器中心頻率11.5 GHz 的設(shè)計要求。為了提高TM010模式的諧振頻率,本文在HMSAFSIW 諧振腔的中心引入了一個金屬通孔。如圖3 所示,金屬通孔的引入對TM010模式影響極其明顯,頻率從8.5 GHz 移動到10.6 GHz,諧振腔內(nèi)的其他兩個高次模,沒有受到太大影響,諧振頻率仍保持不變[12-13]。

圖3 中心加載金屬通孔HMSAFSIW 諧振腔三個本征模式電場分布圖Fig.3 Simulated electric field distribution of three eigenmodes of the HMSAFSIW resonator with via hole load

2 過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的濾波器的饋電結(jié)構(gòu)主要有微帶、接地共面波導結(jié)構(gòu)[14]。如圖4 所示,HMSAFSIW 濾波器的饋電單元包括微帶線到漸變共面波導,這樣可以縮小饋電結(jié)構(gòu)的體積,并且由于漸變結(jié)構(gòu)的存在,可以實現(xiàn)微帶中TEM 信號順利過渡到諧振腔內(nèi)的TM 模式[15]。

圖4 HMSAFSIW 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.4 Layout of HMSAFSIW filter

圖5 給出了過渡結(jié)構(gòu)引入情況下,HMSAFSIW 濾波器的電磁仿真結(jié)果。如圖所示,當引入過渡結(jié)構(gòu)之后,出現(xiàn)了三個中心頻率分別位于11,13.4,16.8 GHz 頻段。通過比較,發(fā)現(xiàn)饋電結(jié)構(gòu)的引入對基模TM010有較大影響,其頻率從10 GHz 上移到了11 GHz,其他兩個諧振模式中心頻率影響不大。

圖5 HMSAFSIW 濾波器的電磁仿真結(jié)果Fig.5 Electromagnetic simulated results of HMSAFSIW filter

為進一步改善濾波器通帶的傳輸特性,如圖6 所示,在HMSAFSIW 濾波器結(jié)構(gòu)中加載槽線結(jié)構(gòu),并且槽線沿中心向邊緣延伸,槽線的引入主要影響兩個高頻諧振模式。

圖6 加載槽線結(jié)構(gòu)的HMSAFSIW 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.6 HMSAFSIW filter loaded with slot line

本文研究了槽線不同長度情況下,濾波器的傳輸特性[16],加載槽線結(jié)構(gòu)的HMSAFSIW 帶通濾波器的電磁仿真結(jié)果如圖7 所示,當槽線長度從4 mm 增加到7 mm,HMSAFSIW 帶通濾波器的下邊帶變化不是特別明顯,而上邊帶從18 GHz 下移到13 GHz。因此,通過改變槽線結(jié)構(gòu)的長度,可以靈活地調(diào)整HMSAFSIW 帶通濾波器上邊帶的截止頻率。

圖7 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 帶通濾波器的電磁仿真結(jié)果Fig.7 Electromagnetic simulated results of HMSAFSIW band-pass filter

3 濾波器設(shè)計

表1 為加載槽線結(jié)構(gòu)的HMSAFSIW 帶通濾波器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸,其結(jié)構(gòu)如圖8 所示。圖9 為加載槽線結(jié)構(gòu)的HMSAFSIW 帶通濾波器的電磁仿真結(jié)果。如圖9所示,通過在徑向加載槽線結(jié)構(gòu),在濾波器的上邊帶引入了傳輸零點,其中S11在15 GHz 和19 GHz 附近出現(xiàn)了兩個相鄰的傳輸零點,使得濾波器在上邊帶出現(xiàn)了S11小于-50 dB 的超寬阻帶,大大改善了濾波器的帶外抑制特性。

表1 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 帶通濾波器相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Structural parameter of the HMSAFSIW band-pass filter loaded slot line

圖8 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Geometrical structure of HMSAFSIW band-pass filter loaded slot line

圖9 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 帶通濾波器的電磁仿真結(jié)果Fig.9 Electromagnetic simulated results of HMSAFSIW band-pass filter loaded slot line

4 濾波器制作與測試

本文采用相對介電常數(shù)為2.9,介質(zhì)損耗為0.0025,芯板厚度為0.1 mm,上下表面金屬厚度均為0.018 mm 的LCP 基板,對設(shè)計的HMSAFSIW 帶通濾波器進行實物加工,加工所得實物照片如圖10所示。

圖10 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 濾波器實物圖Fig.10 Photograph of the fabricated HMSAFSIW band-pass filter loaded slot line

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5224B)對制作的HMSAFSIW 帶通濾波器進行平坦和柔性測試,如圖11所示。

圖11 加載槽線結(jié)構(gòu)HMSAFSIW 帶通濾波器的(a)平坦測試和(b)柔性測試Fig.11 (a) Flat measured and (b) flexible measured of HMSAFSIW band-pass filter loaded slot line

如圖12 所示,對加載槽線結(jié)構(gòu)的HMSAFSIW 濾波器的平坦和柔性測試結(jié)果進行對比。對比發(fā)現(xiàn),彎曲情況下,濾波器的柔性傳輸特性和平坦條件下的測試結(jié)果一致。

圖12 濾波器平坦和柔性測試結(jié)果對比圖Fig.12 Flat and flexible measured results of the proposed filter

5 結(jié)論

基于LCP 柔性板設(shè)計并實現(xiàn)了一款中心頻率11.5 GHz、相對帶寬為14%的HMSAFSIW 帶通濾波器。通過在HMSAFSIW 的中心引入通孔,實現(xiàn)了基模向高頻的移動。同時,通過在HMSAFSIW 帶通濾波器上表面加載徑向槽線實現(xiàn)了高次模式的分離,使濾波器上邊帶產(chǎn)生了優(yōu)異的阻帶特性。該濾波器的S參數(shù)曲線在柔性和平坦測試條件下保持高度一致。