基于SISL 的介质填充双通带滤波器设计

李双旭 马凯学* 闫宁宁 陈雄 傅海鹏

（1. 天津大学微电子学院,天津 300072；2. 天津市成像与感知微电子技术重点实验室,天津 300072）

引 言

随着无线通信技术的发展，低成本、小型化双通带滤波器在微波电路与系统中发挥着越来越重要的作用.双通带滤波器作为无线通信系统中的关键模块，研究人员对其小型化技术研究提出了多种方法[1-7].文献[1]运用1/4 波长阶梯阻抗谐振器(steppedindependence resonator,SIR)实现了双通带响应，有效地减小了电路尺寸.文献[2-5]将多模谐振器应用于小型化双通带滤波器的设计，有效实现了小尺寸，但两个通带的响应相对难以独立调节.近些年，低温共烧陶瓷(low-temperature co-fired ceramic,LTCC)技术广泛应用于小型化微波器件的设计中.文献[6-7]中基于LTCC 技术设计的双通带滤波器有明显的尺寸优势，但与传统的印制电路板(printed circuit board,PCB)技术相比，LTCC 技术的加工制造成本较高.介质集成悬置线(substrate integrated suspended line,SISL)作为一种新型传输线，拥有自封装、低成本、高集成度等优势[8]，目前已有多款基于SISL 设计的双通带滤波器[9-11]，如文献[9]中双通带滤波器将馈线作为一组滤波单元，并对双通带滤波器电路进行双层布线，减小了电路体积，但电路尺寸依旧较大.文献[12]中基于SISL 结构提出了一种介质填充电容，并将其应用于准集总低通滤波器设计中，得到了明显的小型化效果.然而，此低通滤波器仅对部分空气腔进行了介质填充，并没有对全部的电路进行小型化.此外，文献[13]中还提出了一种基于SISL 的小型化介质填充天线.

为设计一种小型化且两个通带相对独立的双通带滤波器，本文利用SISL 结构，通过在其空气腔体中填充高介电常数介质块，提升等效介电常数从而实现电路的小型化.高介电常数介质块可以直接被SISL 结构固定，同时双通带滤波器的响应主要由分布在G7层的电路结构决定，因此滤波器的设计相对自由，且具有较高的灵活度.此外，利用T 型结连接了两个工作在不同频率的滤波单元[14]，使得两个通带响应相对独立.最终对工作在3.45 GHz 和4.9 GHz的SISL 介质填充双通带滤波器进行了加工与测试，验证了此方法的可行性.双通带滤波器的面积仅为0.008(λg为SISL 在第一通带中心频率处的导波波长)，实现了明显的小型化效果.在此设计中，七层介质基板均采用FR4 板材，具有低成本、自封装、高集成度等优势.

1 七层SISL 介质填充结构

图1 为七层SISL 介质填充结构的三维示意图，此结构一共包含七层介质基板和十四层金属.七层介质基板分别命名为介质基板1、介质基板2、介质基板3、介质基板4、介质基板5、介质基板6、介质基板7.每一层介质基板的正反面均包含一个金属层，从上至下分别命名为G1～G14.介质基板1～7 的厚度分别为0.6 mm、2 mm、0.127 mm、0.127 mm、0.127 mm、2 mm、0.6 mm，其中，介质基板2 和介质基板6 被部分挖除，形成一个矩形的空气腔体.每一层介质基板均环绕空气腔体设置了金属化过孔.金属化过孔实现了同层介质基板的上下互联，并将七层介质基板所有外部金属相连，为内部的主电路实现近乎理想的电磁屏蔽环境.同时，两个介电常数为21.6 的介质块填充入七层SISL 的空气腔中.图2 为每一层介质基板的形状.对比典型的五层 SISL 结构[8-11]，七层SISL 结构额外增加了两层厚度为0.127 mm 的薄介质基板作为支撑层，分别为介质基板3 和介质基板5，两层介质基板均留下了少部分的介质来实现对高介电常数介质块的物理支撑.

图1 七层SISL 介质填充结构三维示意图Fig.1 Three-dimensional schematic of the seven-layer SISL dielectric-filed structure

图2 所有层介质基板俯视图Fig.2 The top view of all substrate boards

图3 展示了所有层介质基板和高介电常数介质块按顺序进行压合后的侧视图.可以看出，滤波器的主电路布线在G7层，高介电常数介质块可以直接被SISL 空气腔及两个支撑层固定，无需利用胶水等额外的方式固定.在SISL 中填充两个高介电常数的介质块后，SISL 的等效介电常数增加.根据式(1)，电路的物理尺寸将减小[15]：

图3 七层SISL 介质填充结构侧视图Fig.3 The side view of the dielectric-filled structure based on seven-layer SISL

2 双通带滤波器设计

SISL 介质填充双通带滤波器的拓扑结构如图4所示.此设计由两个工作在不同频段的滤波单元组成，分别命名为滤波单元A 和滤波单元B.同时利用两个T 型结为双通带滤波器馈电，提供合适的外部品质因数.图5 为双通带滤波器电路层G7的结构图.为进一步实现电路小型化，运用了1/4 波长开口螺旋谐振器的概念[16]，每一个螺旋谐振器的输入阻抗[11]为

图4 SISL 介质填充双通带滤波器的拓扑结构Fig.4 The topology of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

图5 电路层G7 结构图Fig.5 Configuration of the circuit layer G7

当Zin=∞时，谐振器会发生谐振，即当βz=π/4时，可以产生一个传输极点.

基于SISL 结构，利用抽头式馈电对1/4 波长开口螺旋谐器填充高介电常数介质块前后的谐振特性进行研究.图6 所示为螺旋谐振器填充高介电常数介质块前后响应的变化.可以看出，填充高介电常数介质块后螺旋谐振器的工作频率对比未填充高介电常数介质块时有了显著的下降，说明填充高介电常数的介质块后使电路实现了明显的小型化效果.

图6 螺旋谐振器填充高介电常数介质块前后响应的变化Fig.6 The simulation of the spiral-like resonator with or without dielectric-filled

图5 中每个滤波单元均由两个螺旋谐振器组成，且两个螺旋谐振器由一段短路短截线进行连接.单一滤波单元的电磁耦合关系等效电路图如图7 所示.滤波单元的级间耦合可分为两种：电耦合与磁耦合，其中Cm代表电耦合，Lm代表磁耦合.电耦合系数与磁耦合系数[11]分别被定义为：

总耦合系数k决定着滤波器带宽的大小：

每个滤波单元可以产生两个传输零点[16]，其中一个传输零点是由混合电磁耦合产生的[16-17].

图7 所示等效电路的Y 参数矩阵可以表示为

图7 单一滤波单元的电磁耦合关系等效电路图Fig.7 The equivalent circuit of the electromagnetic coupling relationship of a single filtering section

式中：

此双通带滤波器一共产生四个传输零点.如图5所示，通过T 型结使两个工作在不同频段的滤波单元相对独立.首先对工作在第二通带频率处的顶部滤波单元A 进行分析，滤波器级间的电耦合主要受W1影响，而磁耦合主要受W1及W6长度影响.图8为W1取不同值时的仿真结果.可以看出，随着W1值的增加，传输零点TZ1band2逐渐向高频移动，而TZ2band2的位置几乎没有发生变化.W1值的改变会对电耦合和磁耦合产生影响，说明TZ1band2是由混合电磁耦合产生的，而TZ2band2是由开口螺旋线的自谐振产生的.TZ1band2产生在第二通带的下阻带处，说明滤波单元A 的级间耦合中电耦合占主导地位[16-17].带通滤波器的带宽和级间总耦合系数k相关，随着W1的增加，总耦合系数减小，带宽逐渐变窄.

图8 不同W1 值对频率响应的影响Fig.8 The impact of different W1 on the frequency response

对于底部的滤波单元B，工作在第一通带的频率处，工作机理与滤波单元A 类似.图9 所示为不同W2值对频率响应的影响.可以看出，伴随着W2值的增加，传输零点TZ1band1的位置逐渐向高频移动，且第一通带的带宽也有变化，而传输零点TZ2band1的位置几乎没有发生变化.因此TZ1band1是由混合电磁耦合产生的，而TZ2band1是由开口螺旋线的自谐振产生的.

图9 不同W2 值对频率响应的影响Fig.9 The impact of different W2 on the frequency response

通过电磁仿真软件进行优化，最终电路层G7的参数如表1 所示.

表1 双通带滤波器电路层的参数Tab.1 Parameters of the dual-band bandpass filter circuit layer mm

3 仿真与测试

SISL 介质填充双通带滤波器加工实物如图10所示，所有介质基板均采用传统的PCB 加工工艺.滤波器的核心电路尺寸仅为0.058λg×0.139λg(即面积为0.008λg2)，其中λg是七层SISL 结构在3.45 GHz 的导波波长.图11 展示了SISL 介质填充双通带滤波器的仿真与测试结果.测试结果中两个通带的相对带宽分别为21.6%和9.3%，通带内部的回波损耗均优于15 dB.去掉SMA 连接器以及过渡结构的损耗后，两个通带的插入损耗分别为1.98 dB 和3.83 dB，同时两通带之间的隔离度优于30 dB.本设计中，所有的介质基板均采用损耗角正切为0.02 的低成本FR4 板材，同时高介电常数介质块的损耗误差会使双通带滤波器的损耗变大.此外，为减小滤波器的体积，使用了宽度较窄的传输线，导致引入更多的欧姆损耗.从表2 可以看出，对比其他双通带滤波器的指标，本文所提出的双通带滤波器具有非常紧凑的尺寸，以及拥有自封装的特性.

图10 多层PCB 板结构以及SISL 自封装介质填充双通带滤波器Fig.10 Multilayer PCB structure and the self-packaged dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

图11 SISL 介质填充双通带滤波器的仿真与测试结果Fig.11 The simulated and measured results of the dielectricfilled dual-band bandpass filter based on SISL

表2 本设计与近期其他文献中双通带滤波器对比Tab.2 Comparison of this design with other dual-band bandpass filters in recent literatures

4 结 论

本文提出了一种新型的小型化SISL 介质填充双通带滤波器.通过将高介电常数介质块填充入SISL 的空气腔中，同时利用T 型结设计了一个小型化且通带独立的双通带滤波器.本设计基于SISL 平台设计，所有的介质基板均采用了低成本的FR4 板材，同时拥有自封装的特性.在未来滤波器的设计中可以采用类似的方法提升等效介电常数实现电路的小型化，且其它电路同样可以利用类似的方法实现小型化.