Ka波段微带滤波器的仿真与测试

邓庆文，范童修，卢胜军

（中国电子科技集团公司第36研究所，浙江嘉兴314033）

Ka波段微带滤波器的仿真与测试

邓庆文，范童修，卢胜军

（中国电子科技集团公司第36研究所，浙江嘉兴314033）

微带滤波器在电子工程领域有很重要的应用，设计了一款Ka波段微带滤波器并通过测试夹具研究键合线及键合微带线间隙对其性能的影响。结合电磁仿真结果与实测结果发现：键合金丝及键合微带线间隙在高频条件下引入的寄生参数恶化滤波器的驻波，通过提取相应的等效参数，并对键合端点进行阻抗匹配，再次进行电磁场仿真，结果表明滤波器的驻波有了明显的改善。

微带滤波器；键合线；ADS；HFSS；寄生参数

0 引言

滤波器作为信号处理链路中的关键器件，不仅可以实现信号分离、抑制干扰，还可以起阻抗变换、阻抗匹配和延迟信号的作用。滤波器的性能直接影响系统的性能，因此，设计并制备出性能优越的滤波器对保证射频、微波信号处理系统的性能具有十分重要意义。与集总参数元件滤波器相比，微带线滤波器具有重量轻、体积小、易于加工集成、易于与射频电路匹配等优点，目前广泛应用于射频、微波等频率较高的通信电路中[1⁃4]。滤波器的工作频率是决定滤波器尺寸的关键因素，对体积小、工作频率高的微带线滤波器在实际应用时需要将滤波器输入、输出微带线与上一级元器件的输出端和下一级的输入端相连，一般通过键合线或者微带线转SMA接头来连接。由于金丝键合处的不连续性和键合端口微带线之间的间隙在高频下的寄生参数导致滤波器的测试性能与实际性能有所不同，只有将金丝键合模型参数提取出来并在测试过程中进行校正，才能使实测结果逼近真实结果。因此，提取金丝键合处的等效模型已经成为微带线滤波器精确测试需要解决的首要问题，本论文主要针对这个问题开展研究。

1 仿真

设计一款工作频率在Ka波段的滤波器，目标设计参数为：

（1）中心频率30.2 GHz，相对带宽为7.95%；

（2）偏离中心频率3 GHz处带外抑制高于30 dB；

（3）介质基板厚度为0.254 mm，相对介电常数为9.8。

使用空间映射法[5～7]在理想空气腔体（长、宽与滤波器基板一致）中进行优化，经过不断优化后的最终仿真结果如图1所示，从图中可以看出，滤波器中心频率为30.2 GHz，通带为29～31.4 GHz，将滤波器物理参数提取出来后用薄膜电路工艺进行实物加工，加工精度为2 μm。

2 测试

滤波器的测试系统如图2所示，待测滤波器通过铅锡合金共晶烧结在测试载片上，载片通过4颗螺钉与测试腔体固定，输入、输出K接头的波珠与50 Ω微带线焊接，最后通过键合金丝将50 Ω微带线与滤波器相连，微带线与滤波器输入、输出微带线之间的间隙为0.1 mm。考虑腔体对测试结果的影响，将滤波器置于图2所示的测试夹具中再次进行电磁场仿真，如图3所示。

图1 滤波器在理想空气腔体中的仿真结果

图2 测试夹具实物图

图3 整腔电磁仿真模型

滤波器放入测试夹具后开盖仿真结果如图4所示，与图1相比，滤波器的插入损耗显著增加，带内波动恶化，驻波变差。金丝键合及波珠与微带的转换过程中的不连续性引起的阻抗失配导致驻波变差，表面不光滑的微带线和金丝引入较大的电阻，导致滤波器的插入损耗增加。

图5为实测结果（横坐标25～35 GHz，1 GHz/格；纵坐标10 dB/格），从图中得知滤波器插损为3.1 dB，带内波动为1.9 dB，回波损耗为11.2 dB。测试前使用直通50 Ω微带线代替滤波器用于校准驻波，图5的实测结果驻波优于图4所示的仿真结果，主要是因为实测时驻波使用了直通微带线进行校准，键合线及微带线间隙寄生参数的影响已基本消除。实测插入损耗比仿真结果差，这主要是因为仿真时金丝、微带线被视为理想导体，且表面光滑，其电阻被忽略。

图4 滤波器带测试腔体仿真结果

图5 实物测试结果

3 参数提取

为研究键合线对滤波器性能的影响，将金丝等效为电阻与电感串联后再和电容并联，微带线与滤波器输入、输出端口之间的缝隙等效为接地电容。通过ADS建立等效电路模型并将滤波器在测试腔体模型中的电磁仿真结果与理想空气腔体中的电磁仿真结果进行对比，将等效电感、电容设为变量进行优化，如图6所示。经过优化后得到金丝的电感值约为0.05 nH，金丝对地电容约为0.05 pF，微带线与滤波器输入、输出端口之间的缝隙等效的耦合电容约为1 nF。

图6 参数提取电路仿真模型

为补偿因键合线及缝隙电容所恶化的驻波，用渐变线代替测试端口微带线，采用图7所示的电路结构优化渐变线参数。将滤波器换成同一基板介质的50 Ω微带线，再进行电磁场仿真，对比金丝键合前后的仿真结果，如图8所示。从图8中可以看出，直通时由于键合线的寄生电感，输入输出端口微带线之间的间隙电容引入的寄生参数恶化了驻波，并且插损也略有增加。

图7 金丝键合线和间隙电容补偿优化电路

图8 金丝键合前后直通模式电磁仿真结果

将图8所示的电磁仿真结果导入ADS中，经过优化后，微带线末端改为渐变线进行阻抗匹配。使用匹配后的渐变微带线对滤波器测试腔体再次建立模型，并进行电磁场仿真，图9为匹配前后的仿真结果对比图。通过图9可以看出，经过渐变微带线匹配后的回波损耗为12 dB，与实测值11.2 dB很接近，这表明在微带线末端使用渐变线进行匹配可以很好地校准键合线和微带线输入、输出端口之间的间隙引入的寄生参数，从而使测试结果更加逼近真实值。

图9 键合线、微带线间隙电容补偿后电磁仿真结果对比

4 结论

本文设计并加工了一款可在Ka波段工作的耦合微带线滤波器作为微带线与金丝键合的研究模型。通过仿真与测试相结合，提取键合处寄生参数的等效电路模型，最后通过渐变线优化驻波，优化后的仿真结果与实测结果相吻合。

[1]闫军喜，张淑莉，彭玉峰.硅基参数对微带带通滤波器传输特性的影响[J].半导体技术，2012，37（1）：47⁃50.

[2]许悦，王胜福，鲁国林，等.一种新型超宽带小型化U型微带滤波器[J].半导体技术，2012，37（4）：291⁃294.

[3]梁惟一，焦扬，王均宏.连续结构微带滤波器的矩阵运算法分析[J].红外与毫米波学报，2006，25（1）：60⁃63.

[4]张羽，张淑娥.微带滤波器级间耦合系数的计算方法[J].华北电力大学学报，2007，34（5）：103⁃107.

[5]BANDLER J W，BIERNACKI R M，CHEN S H，et al.Space mapping technique for electromagnetic optimization[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Tech，1994，42（2）：536⁃2544.

[6]ECHEVERRIA D，HEMKER P W.Space mapping and defect correction[J].Int Math Journal of ComputMethods App Math，2005，5（2）：107⁃136.

[7]KOZIEL S，MENG J，BANDLER J W，et al.Accelerated mi⁃crowave design optimization with tuning space mapping[J]. IEEE Transactions on Microw Theory Tech，2009，57（2）：383⁃394.

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）

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.

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

TN713⁃34

A

1004⁃373X（2015）05⁃0149⁃03

邓庆文（1984—），男，工程师，博士。主要研究方向为射频、微波组件和微组装等技术研究。

2014⁃08⁃19