一种毫米波调谐微带滤波器的研制

蔡 喆

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

毫米波频段具有频段宽，波长短，抗干扰能力强，波束窄，方向性好，容量大及保密性能好等特点[1]，广泛应用于卫星通信、车船防撞、测距雷达、射电天文等领域[2]。

带通滤波器是无线通讯系统中至关重要的器件之一，其具有信道选择、滤除镜频干扰、衰减噪声、频分复用等功能，在高性能的振荡、放大、倍频和混频电路中具有不可替代的作用[3-4]。在毫米波频段，传统的带通滤波器多为波导形式，但体积大，难集成，限制了毫米波电路的小型化。

采用薄膜工艺[5]加工的微带带通滤波器具有体积小，质量小，易与有源芯片集成等特点[6-7]。近年来毫米波频段逐渐代替波导滤波器，得到越来越广泛的应用。薄膜工艺加工精度较高，但由于滤波器工作在毫米波频段，加工精度、不同批次基片的厚度和材料介电常数的偏差对滤波器中心频率影响较大，加工出的滤波器中心频率大幅度偏移设计值，不同批次的滤波器中心频率也不一致，严重影响了微带滤波器的加工成品率。为了解决这个问题，需要找到一种毫米波频段微带滤波器的调谐方法，通过调谐解决滤波器频率偏移的问题。

在低频段，微带滤波器最常用的调谐方法是在微带电路上贴装变容二极管[8-9]，通过调节变容二级管的偏置电压来实现滤波器的调谐。但由于变容二级管的封装和焊点引入的寄生参数对高频段的影响较大，这种方法难以应用到毫米波频段。在毫米波频段，国外有很多调谐微带滤波器的报道，但多采用微机电系统(MEMS)工艺实现[10]，其工艺复杂，价格昂贵，在工程项目中难以大规模推广应用。

本文介绍了一种毫米波频段的新型调谐微带带通滤波器。该滤波器由加载矩形孔的半波长开路可调谐振器构成。在滤波器加工完成后，采用在谐振器的矩形孔上键合金丝的方式改变谐振器的等效电感，实现滤波器的中心频率调谐。基于金丝键合的调谐方式能有效解决在毫米波频段微带滤波器因介电常数批次性差异、加工精度等因素引起的频率偏移问题。该滤波器具有低成本、低损耗、调谐方法简单及易操作等优点，在工程项目中可大规模应用。

1 仿真与设计

1.1 可调微带谐振器基本原理

微带滤波器常采用开路或短路传输线实现谐振器。在毫米波频段，短路结构谐振器加工较难，故常采用开路传输线来实现谐振器。开路传输线谐振器可以采用并联RLC集总元件等效电路进行模拟，其等效电路如图1所示。

开路传输线的谐振角频率ω0由等效电感L0和等效电容C0决定：

(1)

由式(1)可以看出，通过改变谐振器的L0、C0值，可改变谐振器的ω0。低频段可调滤波器通常通过改变谐振器的等效电容来调谐频率，最典型的方法是加载变容二级管，但受限于品质因数，基于变容二极管的调谐等效电容的方法不适用于毫米波波段。

图2为采用Ka波段的可调谐振器传输线模型。在一段开路微带谐振器上蚀刻一个矩形孔，矩形孔边缘与谐振器边缘形成了两段高阻抗传输线，两段传输线的长度均为L，宽度为W，矩形孔中心距离谐振器中心的距离为D。两段传输线由于线宽极窄，可以近似等效为两个串联电感，从而增大了谐振器的等效电感值。因此，与传统的未开孔谐振器相比，开孔谐振器的谐振频率会降低。

高阻抗传输线的等效电感值[11]为

(2)

式中：Zc为高阻抗传输线特性阻抗；λg为谐振频率对应的波导波长。由式(2)可以看出，高阻抗传输线的等效电感值可通过L、W进行调节。当增大L或减小W时，两段传输线的等效电感值都会随之增大，从而改变微带谐振器的谐振频率。在半波长开路谐振器中，由于不同位置的电流分布不同，改变谐振器上矩形孔的加载位置同样会改变谐振频率。

为了对毫米波频段谐振器的频率偏差进行补偿，本文提出了在谐振器矩形孔两端键合金丝的方法实现频率调整，可调微带谐振器模型如图3所示。金丝键合是指利用热压或超声能源，通过金丝实现集成电路内部器件互联的一种焊接方式[12]。由于金丝可以等效为电感，与矩形孔两端的高阻抗传输线是并联关系。因此，在键合金丝后，谐振器的等效电感值降低，谐振频率升高。当键合足够数量的金丝后，可调谐振器和同样电路尺寸的未开孔谐振器频率相同。同时受限于薄膜工艺加工精度、最小金丝键合距离以及金丝直径，最终选择在矩形孔上键合两根金丝以实现频率调谐。由图可见，在开孔谐振器上键合金丝后频率随之上升，而键合两根金丝的谐振器与相同电路尺寸未开孔谐振器的频率近似相等。

图4为与键合金丝的谐振器相比，当调节矩形孔参数D、W及L时，谐振频率偏移量随参数D、W和L的变化曲线。此时谐振器宽度为0.2 mm，长度为1.43 mm。由图可见，在开路谐振器矩形孔两端键合金丝后，谐振频率上升。其中，频率偏移量主要与矩形孔参数W、L、D相关。当谐振器及矩形孔尺寸不变时，矩形孔越靠近谐振器中心，矩形孔对谐振器内电流分布影响越大，谐振频率随着距离D减小而降低；反之，当矩形孔位置靠近谐振器两端时，谐振频率随着距离D增加而上升。当保持矩形孔相对位置D不变时，随着高阻抗传输线的线宽W减小或长度L增大，两段并联传输线的感性增强，谐振频率随之降低。

由图3、4可以看出，在建模时对可调微带谐振器3个关键参数(W、L和D)进行选择优化，则通过键合金丝可产生所需的频率步进。

多步进可调微带谐振器的结构如图5所示。由图可见，以谐振器的中线为对称轴，在谐振器的两侧对称地加载四对矩形孔。在投版测试后，对称键合图中标号为A1、A2、A3、A4的矩形孔，滤波器可以实现不同步进的频率调谐。进一步将具有不同频率步进的矩形孔进行组合(如同时键合A1和A2的4个矩形孔)，则可以实现更大的可调范围。

图6是图5中可调微带谐振器的仿真结果。其中曲线A是未键合金丝前谐振器的S参数曲线，曲线B、C、D、E是在保持前一键合状态不变时，继续依次键合A1、A2、A3、A4矩形孔后的仿真结果。由图可以看出，该谐振器可以实现最大可调频率范围1.15 GHz。在最靠近谐振器中心位置的A1矩形孔键合金丝时，可以实现最大调谐步进400 MHz；在谐振器两端的A4矩形孔键合金丝时，能够实现最小频率步进180 MHz。

1.2 调谐微带滤波器设计

为了验证1.1节中提出的频率调谐方法，以一种Ka频段五阶微带滤波器的设计为例。该滤波器的设计指标：中心频率f0=35.8 GHz，绝对带宽大于500 MHz，带外±1.2 GHz处抑制大于30 dBc。

采用图5中的多步进可调微带谐振器实现了五阶平行耦合式调谐滤波器，电路版图如图7所示。其中，输入、输出端采用开路平行耦合馈线以实现宽带匹配，谐振器之间采用并联非谐振传输线的方式来调节耦合强度。

首先，基于该拓扑结构以及传统未开孔开路谐振器，在ADS软件中进行快速仿真计算，得到谐振器长度、谐振器耦合缝隙宽度、谐振器与输入输出馈线耦合缝隙宽度等关键参数的初值。然后基于以上初值，在三维电磁仿真软件HFSS中进行电路建模仿真，这里采用介质厚度为0.254 mm、介电常数为9.6的陶瓷基板进行仿真优化。最后，为了实现设计目标的中心频率，多步进可调谐振器在全部键合金丝和不键合金丝时可以实现最大和最小可调频率，该频率调节范围应覆盖f0。

图7中的滤波器通过谐振器之间的交叉耦合和混合耦合，在阻带内产生了多个传输零点，从而改善滤波器的频率选择性。通过调节谐振器之间的耦合强度可以改变零点位置。在两个谐振器之间并联一段高阻抗非谐振传输线来调节耦合强度。改变非谐振传输线到谐振器之间的耦合缝隙宽度s1，则可调节通带两端零点位置，如图8所示。

图9为所提出的Ka频段调谐微带滤波器的仿真结果。该滤波器可以实现5种频率响应状态、4种不同的频率步进，通带调节范围为34.9～36.05 GHz，实现了1.15 GHz的最大频率调节范围。

2 测试结果及分析

采用陶瓷基板(基板厚度h=0.254 mm, 介电常数εr=9.6, 损耗角正切tanδ=0.001)对可调滤波电路进行仿真设计，并通过加工测试进行实验验证。通过全波仿真软件HFSS仿真优化得到具体电路参数，调谐滤波器的实物如图10所示。滤波器的最终优化尺寸分别为：w0=0.255 mm，w1=0.2 mm，w2=0.023 mm，s1=0.1 mm，s2=0.42 mm，s3=0.337 mm，s4=0.75 mm，s5=0.135 mm，l1=1.45 mm，l2=1.1 mm，ls=0.05 mm，ds=0.13 mm，ws=0.035 mm。

将滤波器电路粘接在屏蔽腔高2 mm、宽度2.5 mm的滤波器测试台中，滤波器与测试台传输线之间采用金丝键合进行连接。使用矢量网络分析仪Agilent N5244A对图10中的调谐微带滤波器进行测试。图11是在谐振器不同位置键合金丝时，滤波器的测试S参数曲线。

由图11可知，通过在谐振器不同位置的矩形孔键合金丝，通带频率能从35.53 GHz调谐到35.95 GHz，同时保持绝对带宽均大于850 MHz。调谐过程中，通带内回波损耗均大于10 dB，带内插入损耗为(3.75±0.70)dB，阻带抑制均大于30 dBc。当在谐振器A1、A2处同时键合金丝时，能实现所需的通带频率。

3 结束语

本文基于金丝键合工艺和薄膜工艺，采用加载矩形孔的半波长开路谐振器，提出了一种Ka频段五阶调谐带通滤波器。该滤波器通过键合金丝的方式来调谐频率，从而实现对测试结果的修正。对Ka调谐微带滤波器进行了仿真优化、加工测试及调试。该滤波器的通带可调范围为35.35～35.95 GHz，插损小于4.6 dB，且在A1、A2位置矩形孔键合金丝时，能实现设计和实测结果基本吻合。本文解决了滤波器在毫米波频段由于加工精度低及一致性不高所造成的通带频率偏移问题。该滤波器尺寸小且易集成，调谐方法简单易操作，可降低生产成本，具备在毫米波工程项目大规模应用的潜力。