Ku频段梳状滤波器小型化设计

王 新，李其强，杨 凯

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

滤波器在微波毫米波系统中起着重要的作用，它可以用来分离和组合不同频率的信号[1-2]。在雷达系统、卫星通信、微波中继通信、电子对抗及微波测量仪表中滤波器有着极其广泛的应用，滤波器性能的好坏直接决定了整个通信系统的质量。

最早的梳状线滤波器是由一系列在一侧短路，另一侧加载由调谐螺丝构成的集总电容的耦合金属杆组成的，传统的梳状线滤波器需要2根非谐振金属杆将外界端口阻抗变换到滤波器内部阻抗[3]。容性加载一方面可以使谐振器的长度小于1/4波长，另一方面也可以使得滤波器第一个寄生通道高于3倍中心频率[4]。在后续的研究中，传统梳状线滤波器的2根非谐振金属杆改为抽头连接以及梳状线滤波器的微带实现，使得梳状线滤波器更加紧凑、更加易于集成[5-7]。随着工作频率的提高，为了提高设计精度、改善响应特性、降低制造复杂度，学者们也做了很多研究。文献[8]中报道了一个适用于多阶梳状线滤波器设计的多模的传输线系统，使得滤波器的设计更精准；文献[9-10]利用交叉耦合在有限频率处引入传输零点来改善梳状线滤波器的频率响应；文献[11-12]运用耦合的阶梯阻抗谐振器(Stepped-Impedance Resonators，SIR)来制作梳状线滤波器，用低阻抗传输线的寄生电容来取代集总元件电容。

本文采用阶梯阻抗谐振器对滤波器谐振器进行小型化设计，通过对谐振器形状的设计，使得滤波器整体版图布局紧凑，同时引入交叉耦合，在高频阻带一侧引入传输零点，改善高频阻带响应。在此基础上设计制作了一款基于陶瓷基板、体积较小和高频阻带抑制度较高的带通滤波器。

1 传输线特性分析

1/4波长阶梯阻抗谐振器示意图如图1所示，其由2段特征阻抗为Z1、Z2的传输线组成，其电长度分别为θ1、θ2。忽略传输线的不连续性，开路端的输入导纳可以表示为：

(1)

式中，Y1=1/Z1，Y2=1/Z2。根据谐振器的谐振条件Yi=0，可得

tanθ1·tanθ2=RZ，

(2)

式中，RZ=Y1/Y2=Z2/Z1。此时谐振器的总长度可以表示为：

(3)

由式(3)可知，当RZ<1时，可以使谐振器小型化[13]。

图1 1/4波长阶梯阻抗谐振器示意

设计小型化梳状带通滤波器的结构如图2所示。采用阶梯阻抗谐振器使谐振器小型化，从而减小滤波器尺寸。滤波器采用Al2O3陶瓷基板制作[14]，介电常数为9.9，损耗角正切为0.000 2，基板厚度0.254 mm。基板底层为滤波器地，顶层为不同阻抗的薄膜微带线，接地端通过金属化通孔与地层连接。滤波器采用抽头方式与外界相连，抽头微带线特征阻抗为50 Ω。滤波器结构参数为：Wt=0.25 mm，W1=0.15 mm，W2=0.35 mm，W3=0.40 mm，L1=1.08 mm，L2=0.84 mm，S12=0.565 mm，S23=0.525 mm，S14=0.575 mm，S=0.26 mm，t=0.24 mm，R1=0.1 mm，R2=0.15 mm。

图2 滤波器结构示意

薄膜微带线的特性可以由ANSYSTMHFSS软件仿真的二端口S参数萃取得到[15-16]。在HFSS软件中，所有材料参数的设置与陶瓷基板的工艺参数相同。萃取得到的0.15 mm(W1)、0.35 mm(W2)、0.4 mm(W3)不同线宽的薄膜微带线的复数特征阻抗如图3(a)所示。从图中可以看出，在5～15 GHz频率范围内同一线宽薄膜微带线的特征阻抗基本维持恒定，3种不同线宽特征阻抗实(虚)部分别约为60(-0.13) Ω、40(-0.077) Ω和36(-0.068) Ω。萃取得到的3种不同线宽的薄膜微带线的品质因数随频率变化曲线如图3(b)所示。从图中可以看出，3种线宽的微带线的品质因数都随着频率升高而变大，随着线宽增大传输线的品质因数增大。在5～15 GHz频段内，3种线宽微带线的品质因数分别由139增加至221、181增加至287、187增加至295，在12.5 GHz频率处3种线宽微带线的品质因数分别为202、264和273。

图3 不同线宽薄膜微带线特性

2 滤波器设计

选取带通滤波器的中心频率为12.5 GHz，根据式(1)、式(2)和式(3)可以初步计算出谐振器的尺寸，然后在仿真软件中进行微调，使得谐振器的谐振频率在滤波器中心频率附近。

当谐振器的尺寸确定后，谐振器之间的耦合系数与谐振器之间距离的关系、谐振器的外部品质因数与抽头位置的关系可以通过仿真软件萃取得到[17]。萃取得到的谐振器之间耦合系数(M)与谐振器之间距离的关系曲线如图4所示。由图2的滤波器结构示意图可知，滤波器中有2种耦合较强的结构，其耦合系数分别是M12和M23。可以看出，随着谐振器之间距离变大，谐振器之间的耦合系数逐渐减小。为萃取得到的谐振器外部品质因数(Qe)与抽头位置的关系曲线如图5所示。由图可以看出，随着抽头位置远离接地点谐振器外部品质因数逐渐减小。

图4 耦合系数随谐振器间距变化曲线

图5 外部品质因数随抽头位置变化曲线

按传统滤波器的设计方法[18]，设计了中心频率12.5 GHz，相对带宽(FBW)8%，带内波纹0.043 21 dB的四阶切比雪夫带通滤波器。经查表可得低通原型值为g0=1，g1=0.931 4，g2=1.292，g3=1.577 5，g4=0.762 8，g5=1.221。由公式

(4)

(5)

可以计算出Qe1=Qe4=11.64，M12=M34=0.073，M23=0.056。由图4和图5可以得到S12初值为0.68 mm，S23初值为0.55 mm，t初值为0.23 mm。由于版图布局时在谐振器I与IV之间引入交叉耦合，会使得谐振器I与II之间耦合变弱，因此实际S12值会比初值小，需在全波仿真中进行微调。

3 滤波器仿真与测试结果

设计的四阶梳状滤波器的实物照片如图6所示。滤波器两侧为使用GSG探针对滤波器进行测量时探针接触的GSG PAD，PAD为接地共面波导结构(Coplanar Waveguide Ground，CPWG)，上层地与底层地通过金属化通孔进行连接。包含PAD在内，滤波器的尺寸为7 mm×2.5 mm。滤波器的核心面积为2.4 mm×2.1 mm(0.1λ0×0.087 5λ0)。

图6 滤波器实物照片

在测试之前，整个测试系统(包含矢量网络分析仪(Rohde & Schwarz，ZVA40)、射频电缆以及探针)，利用Cascade MicrotechTM的标准基片，运用二端口Line-Reflection-Reflection-Match(LRRM)方法进行校准[19-20]。

仿真与实际测试的二端口S参数如图7所示。图中方形符号曲线为ANSYSTMHFSS软件全波仿真得到的滤波器S参数结果，圆形符号曲线为实际测试得到的滤波器S参数结果。

图7 滤波器仿真与测试结果对比

从仿真结果可以看出，谐振器I与IV之间引入的交叉耦合，在滤波器的高频阻带处引入一个传输零点，提高了高频阻带的抑制度。从仿真结果与测试结果的对比可以看出，测试结果与仿真结果吻合的很好。由实际测试结果可以看出，滤波器中心频率为12.5 GHz，中心频率插入损耗为1.85 dB，带宽约为8%，传输零点位于13.7 GHz，在14 GHz频率处阻带抑制度>40 dB。

4 结束语

随着无线通信技术的快速发展，系统对低剖面、小型化的需求越来越迫切。滤波器作为系统中的关键器件，其小型化一直是研究难点。本文通过采用高介电常数陶瓷基板，小型化阶梯阻抗谐振器，紧凑版图布局，设计了一款Ku频段小型化带通滤波器。该滤波器仿真测试结果一致性较好，具有良好的应用前景。

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