基于SISL 的介質填充雙通帶濾波器設計

李雙旭 馬凱學* 閆寧寧 陳雄 傅海鵬

（1. 天津大學微電子學院,天津 300072；2. 天津市成像與感知微電子技術重點實驗室,天津 300072）

引 言

隨著無線通信技術的發展，低成本、小型化雙通帶濾波器在微波電路與系統中發揮著越來越重要的作用.雙通帶濾波器作為無線通信系統中的關鍵模塊，研究人員對其小型化技術研究提出了多種方法[1-7].文獻[1]運用1/4 波長階梯阻抗諧振器(steppedindependence resonator,SIR)實現了雙通帶響應，有效地減小了電路尺寸.文獻[2-5]將多模諧振器應用于小型化雙通帶濾波器的設計，有效實現了小尺寸，但兩個通帶的響應相對難以獨立調節.近些年，低溫共燒陶瓷(low-temperature co-fired ceramic,LTCC)技術廣泛應用于小型化微波器件的設計中.文獻[6-7]中基于LTCC 技術設計的雙通帶濾波器有明顯的尺寸優勢，但與傳統的印制電路板(printed circuit board,PCB)技術相比，LTCC 技術的加工制造成本較高.介質集成懸置線(substrate integrated suspended line,SISL)作為一種新型傳輸線，擁有自封裝、低成本、高集成度等優勢[8]，目前已有多款基于SISL 設計的雙通帶濾波器[9-11]，如文獻[9]中雙通帶濾波器將饋線作為一組濾波單元，并對雙通帶濾波器電路進行雙層布線，減小了電路體積，但電路尺寸依舊較大.文獻[12]中基于SISL 結構提出了一種介質填充電容，并將其應用于準集總低通濾波器設計中，得到了明顯的小型化效果.然而，此低通濾波器僅對部分空氣腔進行了介質填充，并沒有對全部的電路進行小型化.此外，文獻[13]中還提出了一種基于SISL 的小型化介質填充天線.

為設計一種小型化且兩個通帶相對獨立的雙通帶濾波器，本文利用SISL 結構，通過在其空氣腔體中填充高介電常數介質塊，提升等效介電常數從而實現電路的小型化.高介電常數介質塊可以直接被SISL 結構固定，同時雙通帶濾波器的響應主要由分布在G7層的電路結構決定，因此濾波器的設計相對自由，且具有較高的靈活度.此外，利用T 型結連接了兩個工作在不同頻率的濾波單元[14]，使得兩個通帶響應相對獨立.最終對工作在3.45 GHz 和4.9 GHz的SISL 介質填充雙通帶濾波器進行了加工與測試，驗證了此方法的可行性.雙通帶濾波器的面積僅為0.008(λg為SISL 在第一通帶中心頻率處的導波波長)，實現了明顯的小型化效果.在此設計中，七層介質基板均采用FR4 板材，具有低成本、自封裝、高集成度等優勢.

1 七層SISL 介質填充結構

圖1 為七層SISL 介質填充結構的三維示意圖，此結構一共包含七層介質基板和十四層金屬.七層介質基板分別命名為介質基板1、介質基板2、介質基板3、介質基板4、介質基板5、介質基板6、介質基板7.每一層介質基板的正反面均包含一個金屬層，從上至下分別命名為G1～G14.介質基板1～7 的厚度分別為0.6 mm、2 mm、0.127 mm、0.127 mm、0.127 mm、2 mm、0.6 mm，其中，介質基板2 和介質基板6 被部分挖除，形成一個矩形的空氣腔體.每一層介質基板均環繞空氣腔體設置了金屬化過孔.金屬化過孔實現了同層介質基板的上下互聯，并將七層介質基板所有外部金屬相連，為內部的主電路實現近乎理想的電磁屏蔽環境.同時，兩個介電常數為21.6 的介質塊填充入七層SISL 的空氣腔中.圖2 為每一層介質基板的形狀.對比典型的五層 SISL 結構[8-11]，七層SISL 結構額外增加了兩層厚度為0.127 mm 的薄介質基板作為支撐層，分別為介質基板3 和介質基板5，兩層介質基板均留下了少部分的介質來實現對高介電常數介質塊的物理支撐.

圖1 七層SISL 介質填充結構三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic of the seven-layer SISL dielectric-filed structure

圖2 所有層介質基板俯視圖Fig.2 The top view of all substrate boards

圖3 展示了所有層介質基板和高介電常數介質塊按順序進行壓合后的側視圖.可以看出，濾波器的主電路布線在G7層，高介電常數介質塊可以直接被SISL 空氣腔及兩個支撐層固定，無需利用膠水等額外的方式固定.在SISL 中填充兩個高介電常數的介質塊后，SISL 的等效介電常數增加.根據式(1)，電路的物理尺寸將減小[15]：

圖3 七層SISL 介質填充結構側視圖Fig.3 The side view of the dielectric-filled structure based on seven-layer SISL

2 雙通帶濾波器設計

SISL 介質填充雙通帶濾波器的拓撲結構如圖4所示.此設計由兩個工作在不同頻段的濾波單元組成，分別命名為濾波單元A 和濾波單元B.同時利用兩個T 型結為雙通帶濾波器饋電，提供合適的外部品質因數.圖5 為雙通帶濾波器電路層G7的結構圖.為進一步實現電路小型化，運用了1/4 波長開口螺旋諧振器的概念[16]，每一個螺旋諧振器的輸入阻抗[11]為

圖4 SISL 介質填充雙通帶濾波器的拓撲結構Fig.4 The topology of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

圖5 電路層G7 結構圖Fig.5 Configuration of the circuit layer G7

當Zin=∞時，諧振器會發生諧振，即當βz=π/4時，可以產生一個傳輸極點.

基于SISL 結構，利用抽頭式饋電對1/4 波長開口螺旋諧器填充高介電常數介質塊前后的諧振特性進行研究.圖6 所示為螺旋諧振器填充高介電常數介質塊前后響應的變化.可以看出，填充高介電常數介質塊后螺旋諧振器的工作頻率對比未填充高介電常數介質塊時有了顯著的下降，說明填充高介電常數的介質塊后使電路實現了明顯的小型化效果.

圖6 螺旋諧振器填充高介電常數介質塊前后響應的變化Fig.6 The simulation of the spiral-like resonator with or without dielectric-filled

圖5 中每個濾波單元均由兩個螺旋諧振器組成，且兩個螺旋諧振器由一段短路短截線進行連接.單一濾波單元的電磁耦合關系等效電路圖如圖7 所示.濾波單元的級間耦合可分為兩種：電耦合與磁耦合，其中Cm代表電耦合，Lm代表磁耦合.電耦合系數與磁耦合系數[11]分別被定義為：

總耦合系數k決定著濾波器帶寬的大小：

每個濾波單元可以產生兩個傳輸零點[16]，其中一個傳輸零點是由混合電磁耦合產生的[16-17].

圖7 所示等效電路的Y 參數矩陣可以表示為

圖7 單一濾波單元的電磁耦合關系等效電路圖Fig.7 The equivalent circuit of the electromagnetic coupling relationship of a single filtering section

式中：

此雙通帶濾波器一共產生四個傳輸零點.如圖5所示，通過T 型結使兩個工作在不同頻段的濾波單元相對獨立.首先對工作在第二通帶頻率處的頂部濾波單元A 進行分析，濾波器級間的電耦合主要受W1影響，而磁耦合主要受W1及W6長度影響.圖8為W1取不同值時的仿真結果.可以看出，隨著W1值的增加，傳輸零點TZ1band2逐漸向高頻移動，而TZ2band2的位置幾乎沒有發生變化.W1值的改變會對電耦合和磁耦合產生影響，說明TZ1band2是由混合電磁耦合產生的，而TZ2band2是由開口螺旋線的自諧振產生的.TZ1band2產生在第二通帶的下阻帶處，說明濾波單元A 的級間耦合中電耦合占主導地位[16-17].帶通濾波器的帶寬和級間總耦合系數k相關，隨著W1的增加，總耦合系數減小，帶寬逐漸變窄.

圖8 不同W1 值對頻率響應的影響Fig.8 The impact of different W1 on the frequency response

對于底部的濾波單元B，工作在第一通帶的頻率處，工作機理與濾波單元A 類似.圖9 所示為不同W2值對頻率響應的影響.可以看出，伴隨著W2值的增加，傳輸零點TZ1band1的位置逐漸向高頻移動，且第一通帶的帶寬也有變化，而傳輸零點TZ2band1的位置幾乎沒有發生變化.因此TZ1band1是由混合電磁耦合產生的，而TZ2band1是由開口螺旋線的自諧振產生的.

圖9 不同W2 值對頻率響應的影響Fig.9 The impact of different W2 on the frequency response

通過電磁仿真軟件進行優化，最終電路層G7的參數如表1 所示.

表1 雙通帶濾波器電路層的參數Tab.1 Parameters of the dual-band bandpass filter circuit layer mm

3 仿真與測試

SISL 介質填充雙通帶濾波器加工實物如圖10所示，所有介質基板均采用傳統的PCB 加工工藝.濾波器的核心電路尺寸僅為0.058λg×0.139λg(即面積為0.008λg2)，其中λg是七層SISL 結構在3.45 GHz 的導波波長.圖11 展示了SISL 介質填充雙通帶濾波器的仿真與測試結果.測試結果中兩個通帶的相對帶寬分別為21.6%和9.3%，通帶內部的回波損耗均優于15 dB.去掉SMA 連接器以及過渡結構的損耗后，兩個通帶的插入損耗分別為1.98 dB 和3.83 dB，同時兩通帶之間的隔離度優于30 dB.本設計中，所有的介質基板均采用損耗角正切為0.02 的低成本FR4 板材，同時高介電常數介質塊的損耗誤差會使雙通帶濾波器的損耗變大.此外，為減小濾波器的體積，使用了寬度較窄的傳輸線，導致引入更多的歐姆損耗.從表2 可以看出，對比其他雙通帶濾波器的指標，本文所提出的雙通帶濾波器具有非常緊湊的尺寸，以及擁有自封裝的特性.

圖10 多層PCB 板結構以及SISL 自封裝介質填充雙通帶濾波器Fig.10 Multilayer PCB structure and the self-packaged dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

圖11 SISL 介質填充雙通帶濾波器的仿真與測試結果Fig.11 The simulated and measured results of the dielectricfilled dual-band bandpass filter based on SISL

表2 本設計與近期其他文獻中雙通帶濾波器對比Tab.2 Comparison of this design with other dual-band bandpass filters in recent literatures

4 結 論

本文提出了一種新型的小型化SISL 介質填充雙通帶濾波器.通過將高介電常數介質塊填充入SISL 的空氣腔中，同時利用T 型結設計了一個小型化且通帶獨立的雙通帶濾波器.本設計基于SISL 平臺設計，所有的介質基板均采用了低成本的FR4 板材，同時擁有自封裝的特性.在未來濾波器的設計中可以采用類似的方法提升等效介電常數實現電路的小型化，且其它電路同樣可以利用類似的方法實現小型化.