基于石英基片的W频段微带平行耦合滤波器研究

摘  要：文章介绍了一种应用于W频段的新型微带平行耦合滤波器。由于采用低损耗的石英基片，该滤波器成为W频段集成化低损耗带通滤波器。实测结果表明：该滤波器在4.8 GHz的带宽内，损耗优于2 dB，驻波比优于2，对偏离中心频率12.2 GHz的下边带信号的抑制大于50 dBc，对偏离中心频率11.8 GHz的上边带信号的抑制大于30 dBc。相较于传统的腔体滤波器，该滤波器具有体积小、重量轻、易于一体集成等优点，非常适合与W频段的芯片集成，可大幅度减小收发组件的体积重量。

关键词：W频段;平行耦合微带线;薄膜电路;石英基片

中图分类号：TN713          文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）24-0059-04

Abstract： This paper introduces a novel microstrip parallel coupled filter applied to W-band. Due to the use of low loss quartz substrate， the filter becomes a W-band integrated low loss bandpass filter. The experimental results show that within the bandwidth of 4.8 GHz， the loss of the filter is better than 2 dB， the standing wave ratio is better than 2， the suppression of the lower sideband signal deviated from the center frequency of 12.2 GHz is greater than 50 dBc， and the suppression of the upper sideband signal deviated from the center frequency of 11.8 GHz is greater than 30 dBc. Compared with the traditional cavity filters， this filter has advantages of small volume， light weight， and easy integration. Therefore， it is very suitable for integration with W-band chip， and can greatly reduce the volume and weight of T/R module.

Keywords： W-band; parallel coupled microstrip line; thin film circuit; quartz substrate

0  引  言

W频段是指75 GHz～110 GHz范围内的无线电频率，是大气的一个窗口频率。随着毫米波技术的飞速发展，设备的工作频率不断提升，W频段作为大气衰减较小的频率，具有传输损耗较小，带宽和通信容量较大的优点，所以一直以来都是研究的热点。

W频段大带宽的特点，使W频段的设备在雷达、导引头、通信等领域都有广泛的应用[1，2]。在雷达的应用中，W频段具有分辨率高、体积小的特点，易于应用到小体积的平台上;在通信的应用中，W频段具有大带宽和体积小的特点，适合于高速通信。几乎在所有的应用中，对设备都有小型化的需求，其中W频段天线由于波长较短，体积比微波频段天线小，所以小型化的关键体现在W频段的收发前端上。

国外在20世纪90年代就开始了W频段收发前端的研究，特别是在集成方式上，进行了基于CMOS等工艺的小型化W频段收发前端的研制。国内学者们也陆续在W频段应用领域进行了大量的研究，但在集成方式和集成度等方面与国外还存在很大的差距，所研制出的收发前端体积也较大。在W频段的收发前端中，有源芯片可采用裸芯片，进行多芯片一体集成，或者采用多功能芯片以提高集成度，这样便于实现小型化，实现小型化的关键在于无源滤波器。

对于通过普通印制板加工工艺加工的微带滤波器，由于加工精度低、介质损耗大而无法应用于K频段及以上频段。因此常见的W频段滤波器为波导滤波器，波导滤波器具有性能好、损耗小等特点，但体积较大，对加工精度要求高，需要后期调谐，很难与芯片一体集成在收发组件中，严重制约了W频段收发组件的小型化。

薄膜技术是一种高精度的加工技术，其加工精度可达微米级，远远高于印制板工艺的加工精度，所以广泛应用于高频率微波器件的加工[3]。薄膜技术常用的基板材料有纯度为99.6%的Al2O3???陶瓷（下文简称“陶瓷”）、BeO、AlN、石英等。目前，薄膜滤波器已经大量应用于Ka频段的收发组件中，基板材料采用Al2O3???陶瓷，该材料加工方便，损耗角小，广泛应用于Ka及以下频段。但由于在Ka以上频段中陶瓷的损耗角大，还会有比较大的色散，同时介电常数高，容易产生高次模，所以W频段陶瓷微带滤波器的使用频段受到很大的限制。

石英基板具有非常小的损耗角（0.015‰），约为陶瓷???基板的十分之一，且介电常数较陶瓷基板低，其工作頻率可高达太赫兹，有利于高频微带滤波器的研制[4]。且其色散小、介电常数稳定，在研制W频段等高频段的微带滤波器时也比较容易控制频率的偏移。

采用石英基板制作的薄膜电路在国外已有广泛的应用，目前国内应用还较少。本文在Ka频段陶瓷滤波器的基础上，设计了一种基于石英基板的平行耦合微带滤波器，此滤波器可应用于W频段，且损耗较低。此滤波器已在一套W频段的收发组件中成功地替代了波导滤波器，实现了电路的平面集成，为W频段收发组件的设计提供了一种新的选择。

1  基于石英基片的W频段微带平行耦合滤波器的设计

石英滤波器是根据某W频段收发组件的滤波器要求而设计的，该收发前端应用于某雷达系统，对小型化要求较高，需要滤波器与芯片进行一体集成。滤波器的指标为：中心频率为76.2 GHz;带宽≥1 GHz;插入损耗≤6 dB;下边带抑制——对偏离中心频率12.2 GHz的下边带信号抑制大于30 dBc;上边带抑制——对偏离中心频率11.8 GHz的上边带信号抑制大于30 dBc。

根据上述技术指标设计微带滤波器，具体设计过程包括选择基板、电路设计、建立模型仿真三个部分。

1.1  选择基板

基板的选择主要包括材料和厚度两个方面。材料方面，相比微波频段的基板，需要仔细考虑损耗角与介电常数的稳定性;损耗角方面，在损耗角相同的情况下，随着频率的增加损耗会大幅度上升，W频段普通材料的损耗角会带来很大的损耗，所以需要选择损耗角较小的材料。介电常数方面，基板的介电常数会由于批次的不同而存在一定的差异，造成滤波器频率的偏移。在微波频段，由于频率低，谐振器电长度长，其变化所带来的绝对频率偏移较小，而在W频段，由于频率高，谐振器电长度短，介电常数任何一个微小的变化都会造成频率的巨大偏移;同时由于基板可能存在色散，普通基板在W频段的介电常数与微波频段的介电常数差异较大，这会进一步加剧仿真与实测的差异。因此，W频段的滤波器需要选择损耗角低、色散小、介电常数稳定的材料，各类材料中，石英最符合W频段滤波器对基板的需求。

在厚度方面，由于工作的频率较高，TEM模容易与表面波耦合[5]，所以在选择基板时，应该在满足机械强度的前提下选择较薄的石英基板。基板越薄，越不容易产生高次模，此外由于石英本身比较脆，成品率略低，加工成本偏高。石英基板主要有0.254 mm、0.127 mm、0.05 mm三种规格，0.254 mm的基板太厚，容易产生高次模，无法在W频段应用;0.05 mm的基板太薄，加工难度大，成品率低，成本高，而且在安装时也容易破碎;0.127 mm厚的基板不会产生高次模，加工的成品率较高，安装时也不容易破碎。综上所述，本文给出的微带滤波器选择的是厚度为0.127 mm的石英基板，石英基板的照片如图1所示。

1.2  电路设计

微带滤波器的形式选择平行耦合滤波器，主要原因是平行耦合滤波器比较容易实现较大的耦合度，并且抑制度较高。滤波器的电路原理框图如图2所示，采用三级谐振器，输入的信号经过谐振器1、谐振器2、谐振器3耦合到输出端，谐振器1与谐振器3之间引入一个交叉耦合，在S参数曲线上形成一个零点，提高滤波器的矩形系数。

在谐振器具体电路的实现方面，由于W频段电磁波的辐射较强，在开放空间中很难实现高抑制，必须配有金属截止腔对辐射的电磁波进行截止。采用传统的平行耦合滤波器，由于谐振器的长度固定，因此屏蔽腔的宽度受谐振器长度的制约，很难做窄，影响谐振器的带外抑制，甚至会在带内出现谐振点。本文所介绍的滤波器在传统平行耦合滤波器的基础之上进行了改进，对谐振器的位置进行了重新排布，既可实现谐振器1与谐振器3之间的交叉耦合，又便于压窄屏蔽腔的宽度，滤波器的具体电路图如图3所示。

图中作为安装环境的金属腔体是滤波器非常重要的组成部分，对高达88 GHz的信号有截止作用。结合腔体的可加工性和可组装性，本文选取长宽均为1.5 mm的金属腔体，根据矩形波导，截止波长的公式为[6]：

频率最低的TE10模的截止频率为100 GHz，高于需要抑制的频率88 GHz，可以实现截止功能。

1.3  建立模型仿真

在确定滤波器的形式后，开始建模仿真。先在ADS软件中建立滤波器的电路模型，根据电路模型进行仿真，确定滤波器的初值，再采用电磁场仿真软件进行场仿真，确定滤波器的具体参数。鉴于本文所介绍的结构为平面电路，所以选用的仿真软件为ansoft公司的Designer，仿真的主要参数为介电常数εr=3.8、介质损耗角σ=0.015‰、基板厚度h=0.127 mm、镀金层厚度t=4 um，仿真模型如图4所示。

W频段微带平行耦合滤波器的仿真结果如图5所示，图中1点表示中心频率，2点和3点表示偏离中心频率500 MHz的两点（即要求的通带），4点和5点表示指标要求的抑制点。从图5中可以看出，通带和抑制度均能满足组件的应用要求。

同时由于W频段的频率较高，加工误差、基板厚度和介电常数的批次性变化会对滤波器的带宽和中心频率产生比较大的影响，因此必须在仿真阶段进行充分的容差分析。充分考虑对滤波器影响最大的三个方面（即薄膜电路的加工精度变化、石英基板的厚度变化和石英基板介电常数的批次性变化），按照最大的偏移进行仿真，以保证最后加工出的滤波器的成品率。

薄膜基片的加工精度为±2.5 um，加工误差会造成滤波器中谐振器长度和耦合度的變化，从而影响滤波器的中心频率和带宽。陶瓷基片的厚度变化为±12.7 um，厚度变化会影响谐振器的对地电容，进而影响滤波器各级谐振器之间的耦合度，最终改变滤波器的中心频率和带宽。石英基板介电常数的变化为±0.05，介电常数的批次性变化会造成滤波器电长度的变化，从而导致滤波器频率的变化。

影响滤波器的因素较多，在仿真时只考虑两种极端情况，若在这两种极端情况下滤波器的仿真结果能够满足指标要求，那么加工而成的滤波器就能够满足指标要求。

第一种情况是基板介电常数εr=3.75，基板厚度h=0.114 3 mm，电路的加工误差取-2.5 um。在这种情况下，滤波器的中心频率会向高频方向产生最大的偏移，同时带宽最窄，滤波器容差仿真结果如图6所示，可以看出，仍然满足指标要求。

第二种情况是基板介电常数εr=3.85，基板厚度h=0.139 7 mm，电路的加工误差取+2.5 um。在这种情况下，滤波器的中心频率会向低频方向产生最大的偏移，同时带宽最宽，滤波器容差仿真结果如图7所示，可以看出，仍然满足指标要求。

2  W频段微带平行耦合滤波器测试结果

W频段微带平行耦合滤波器的实物照片如图8所示，由于石英基板是透明的，图中显示出的黑色是金属衬底的颜色。

由于W频段滤波器的频段较高，不能采用在片测试或开放腔测试，因此设计了波导接口的测试夹具，自带屏蔽腔，该测试方式同时还模拟了滤波器在收发组件中的安装情况，与最终应用的条件相吻合。测试所用的矢量网络分析仪为安立公司的ME7838A，测试结果如图9所示。从图中可以看出，该滤波器在4.8 GHz的带宽内，损耗优于2 dB（图中显示损耗为3.3 dB，而测试系统的损耗为2 dB，可计算得到滤波器的损耗为1.3 dB），驻波比优于2，对偏离中心频率12.2 GHz的下边带信号抑制大于50 dBc，对偏离中心频率11.8 GHz的上边带信号抑制大于30 dBc。结果表明，该滤波器满足设计指标的要求。

3  结  论

本文对应用于W频段的石英基板平行耦合濾波器进行研究分析并得出一些结论，该滤波器采用平行耦合的电路结构，根据W频段的特点，进行了电路形式的改进，能够实现较窄的屏蔽腔，在高频段实现较高的抑制度。同时该滤波器采用0.127 mm的石英作为基板材料，在高频段实现了低损耗。最终研制出的滤波器可在W频段实现较低的损耗和较高的抑制，相比波导滤波器更易于平面集成。该滤波器能够满足一种W频段收发前端的应用要求，可替代波导滤波器，为W频段收发组件的设计提供一种新的思路。

参考文献：

[1] 方勇.W波段防撞雷达集成前端关键技术研究 [D].成都：电子科技大学，2015.

[2] 许育铭，张自然，肖江南，等.W波段的毫米波通信 [J].太赫兹科学与电子信息学报，2014，12（4）：554-558.

[3] 田民波.薄膜技术与薄膜材料 [M].北京：清华大学出版社，2006.

[4] 白浩，王平，张晶等.太赫兹用石英基板微带电路制作工艺技术 [J].太赫兹科学与电子信息学报，2016，14（1）：23-25.

[5] 顾其诤.微波集成电路设计 [M].北京：人民邮电出版社，1978.

[6] 严冬，丁楚尘，王平，等.一种分形结构的折叠平行耦合微带滤波器：CN111029695A [P].2020-04-17.

作者简介：蔡喆（1982.09—），男，汉族，四川绵阳人，工程师，硕士，研究方向：毫米波组件电路。