一种改善带状线滤波器传输性能的分析方法

于忠吉

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

近年来，随着电子信息系统对电磁性能、轻薄化等要求越来越高，作为系统的关键组成部分，微波器件的性能指标将直接影响整个电路系统的性能。微波滤波器作为重要的无源器件，其高抑制度、低损耗指标决定其无法利用芯片级设计满足使用要求，而相比波导、同轴线形式的滤波结构，具备宽频、高信号抑制能力的带状滤波器被广泛关注。本文提出一种基于切比雪夫原理的高通滤波器设计方法[1]，针对其在调试和使用过程中遇到的工程问题，通过电磁仿真和实物测试分析原因并提出合理的解决方案。

1 电路原理

1.1 仿真电路

本文设计的滤波器采用的带状线是一种宽边耦合结构，如图1所示。其主要由2层电路和3层介质组成，中间层是厚度H1为0.127 mm的介质基板，上(下)层是厚度H2为0.787 4 mm的介质基板。图2给出了该15阶高通滤波器的三维仿真模型图，设计截止频率为8 GHz。其仿真结果如图3所示，可以看到，该滤波器具有非常好的频率选择性，通带损耗也比较理想，且有较好的回波损耗，其对低频的抑制超过了80 dBc。

图1 带状线基本结构

图2 高通滤波器的三维图

图3 HFSS下的仿真结果

1.2 实测对比

实物加工后的测试结果如图4所示。对比图3与图4，除了截止频率的些许偏移，曲线基本吻合，在低端的抑制方面更是几乎重合。因此，该滤波器在设计阶段是完全达到了设计要求。然而，在高低温(-40 ℃+100 ℃)试验后，发现滤波器通带内几乎无变化，但带外抑制却明显恶化，其测试结果如图5所示，很明显，低端抑制由80 dBc变成60 dBc左右。

图4 实物测试结果

图5 高低温试验后实物测试结果

2 问题分析

2.1 条件假设

针对上述问题，首先从材料方面出发分析原因，本滤波器金属壳体为铝制材料，其热膨胀系数(ppm/℃)为23；介质基板采用的是罗杰斯的RT5880，X、Y、Z方向热膨胀系数(ppm/℃)分别为31、48、237。可以看到，在高温情况下，壳体与基板在Z方向的热膨胀系数差异会导致介质基板的膨胀从而被挤压。经计算，在温度由100 ℃恢复到常温时，在腔内可能形成约0.02 mm的空隙，其等效模型结构如图6所示。

图6 高温后的带状线结构

假定H3为高温后形成的空气层。按照此模型进行三维仿真，其结果与实测结果不吻合，带外的抑制几乎不受此空隙的影响，无论是将空气层厚度变化或者改变层与层之间的位置，结果都与正常结果相差不大。

这里需要指出，为了解决壳体公差造成的空气间隙，常用到的方法是利用金属垫片填充。本例中也用到了这种方法。

2.2 仿真对比

对滤波器开盖检查，发现金属垫片与介质基板贴合得非常紧密平整，其主要是由于金属垫片质地较软，5880板材又属于软基材，高温膨胀过程中受到金属壳体的挤压所致。基于此现象，推测图6中厚度为H3的介质层应存在于金属垫片与金属壳体之间。改变HFSS中的三维模型，将空气间隙设置在金属垫片与壳体之间，仿真结果如图7所示。

图7 加入金属垫片后滤波器的仿真结果

对比图5与图7，结果非常接近，证实了上面的推测。分析该结构，很明显，金属垫片与金属壳体间形成了类似平板电容的结构，即在电路中引入了额外的对地电容。

3 模型改进

对上述模型进行电路原理分析，如图8所示，为一五阶高通滤波器原型电路。为了进一步验证对地电容对滤波器性能影响的必然性，分别将C1短路和调谐C1为某一定值进行仿真，其仿真结果如图9和图10所示。

图10 引入对地电容后的滤波器仿真数据

图9 没有对地电容时的滤波器仿真数据

图8 高通滤波器原理图

从仿真结果明显看出，引入等效电容后的滤波器带外抑制特性明显恶化，S21曲线也跟实物测试上的结果很接近，可以明确该等效电容对滤波器性能的影响。

4 结束语

本文针对带状线滤波器在使用过程中遇到的实际问题，结合原理电路、三维仿真和实测结果分析高通滤波器在高低温环境中的低频抑制能力减弱问题的原因。通过对不同频段的带状线结构的滤波器(X频段的高通和Ku波段的低通滤波器)在性能调试过程中加入金属垫片出现的类似问题进行分析，建立仿真模型，即在滤波器模型电路中引入额外的对地电容，成功发现了上述问题的原因。并得出如下结论：对于带状线结构来说，不宜采用垫金属片的方式调节间隙，此间隙会形成等效电容而导致滤波器性能下降。解决该问题的建议方法有2种：(1)提高壳体的加工精度,壳体加工过程中取负公差，一般取精度≤-0.02 mm，已实物验证(高低温后性能稳定；(2)在带线介质之间采用半固化片[2-3](一种介电常数很接近所用介质材料的黏合胶片)，在高温下将3层介质基片压合成一个整体，并在基板上下表面敷铜以形成带状线结构。此方法在显著减小结构尺寸及重量的同时，性能稳定，适合小型化应用需求；而其缺点是成本较高，且在高温压合时需要合适的模具。此外，加入的半固化片增加了实际的介质厚度，改变了电路模型，尤其是在频率较高时影响更大，可能需要调整几次才能达到较好的设计效果，有待进一步研究。