一种近似芯片级尺寸的小型化微带点频滤波器

摘" 要： 射频滤波器作为具备信号筛选功能的射频器件，对现代通信系统而言具有举足轻重的地位。随着通信技术的不断更新迭代，要求射频滤波器具有小型化以及低成本的特点。目前，利用半导体工艺可制作尺寸极小且性能佳的芯片级滤波器，但研发成本普遍过高。文中使用薄膜工艺，通过对滤波器的结构、材料、性能指标进行综合考量，设计了一款适用于点频源、跳频源模块中使用的微带点频滤波器。通过仿真软件HFSS进行建模仿真并对加工工艺进行误差分析，成功得到了一款通带在12 GHz±15 MHz的微带点频滤波器，其尺寸为2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm。测试结果表明，性能曲线达到设计指标，成功验证了设计的可行性。

关键词： 微带点频滤波器； 带通滤波器； 小型化； HFSS； 射频滤波器； 阶跃阻抗谐振器

中图分类号： TN713+.5⁃34" " " " " " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " " 文章编号： 1004⁃373X（2024）05⁃0167⁃04

Miniaturized microstrip point⁃frequency filter with approximate chip⁃level size

ZHOU Xiaoping

（The 14th Research Institute of CETC， Nanjing 210013， China）

Abstract： As an RF device with the function of signal screening， RF filter plays an important role in modern communication systems. With the continuous updating and iteration of communication technology， it is required that RF filters have the characteristics of miniaturization and low cost. At present， the semiconductor technology is used to produce chip⁃level filters with small size and good performance， but its development cost is generally too high. In view of this， by taking account of the structure， material and performance of the filter， a microstrip point⁃frequency filter suitable for point⁃frequency source and frequency⁃hopping source module is designed with thin film technology. Simulation software HFSS is used for modeling and simulation and error analysis of processing technology， and a microstrip point⁃frequency filter with a passband of 12 GHz±15 MHz is successfully obtained with a size of 2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm. The test results show that the performance curve reaches the design index， which verifies the feasibility of the design.

Keywords： microstrip point⁃frequency filter; bandpass filter; miniaturization; HFSS; RF filter; SIR

0" 引" 言

自1865年麦克斯韦方程组诞生以来，无线通信自此成为了人类通信最重要的方式。射频前端器件是无线通信的基础，射频滤波器在其中扮演着重要的角色，其具有筛选信号、抑制干扰的功能[1]。随着通信技术的不断更新迭代，通信终端逐渐呈现小型化趋势，最终决定了射频滤波器需要具有尺寸小、成本低的特点。微带型滤波器因具有插入损耗小、重量轻、成本低、易加工等特点，受到广泛应用[2]。目前作为射频滤波器中应用最广泛、类型最多样的滤波器，在使用上始终受限于物理性质，即滤波器工作频率与谐振尺寸成反比，有着在较低频段内尺寸较大的缺点。因此，小型化滤波器的设计仍是一个十分重要的方向。

在文献[3⁃4]中概括总结了领域内前沿学者们的研究进展，在新工艺、谐振器结构、复合材料等方面进行了介绍。在新工艺上，介绍了高温超导体（HTS）、低温共烧陶瓷（LTCC）、微纳米加工技术（MEMS）以及CMOS工艺等新技术，从工艺上为滤波器的设计提供了新的平台。在谐振器结构上，则介绍了开环（SSR）谐振器、双模谐振器、DGS等新技术。其中DGS结构能在接地面提供滤波器的带阻特性，能够很好地兼容滤波器的设计。在复合材料上，介绍了左手复合材料，能够减少整个滤波器的体积大小。

得益于当代半导体工艺的日趋改善与进步，能够制造出尺寸小、精度高、一致性高的芯片级滤波器。在文献[5]中，依托于GaAs IPD工艺线，研制了一款应用于5G通信的芯片带通滤波器，尺寸仅为1.2 mm×0.9 mm×0.1 mm。文献[6]中介绍了一种通过硅基IPD工艺研制的一款无反射带通滤波器，尺寸仅为1.6 mm×1.25 mm×0.3 mm。文献[7]中介绍了一种采用开路枝节线以及短路枝节线构造的滤波器，实现了带宽在100%的小型化超宽带滤波器。文献[8]在T型谐振器构成的双模带通滤波器的基础上加入了折叠结构，在双模带通滤波器的基础上实现了小型化。

芯片级工艺目前能够做到尺寸小且精度高的射频滤波器，但其设计成本、流片价格都十分昂贵，一次流片成本普遍在数十万。而薄膜工艺加工精度不错，同时相对芯片级工艺而言设计成本低、一次加工只需数千元。本文选用薄膜工艺作为设计工艺，选用较薄的板材厚度用于缩小耦合间距，并在滤波器结构上引入SIR结构作为主要设计思路。同时，考虑到尺寸小所引入的相对误差，通过HFSS建模仿真并进行误差分析，成功设计了一款小型化五阶微带点频滤波器。

1" 结构设计与理论分析

谐振器作为滤波器中的基本单元，其结构的小型化对于整个滤波器的小型化至关重要。而微带谐振器则是指采用微带传输线结构完成谐振的谐振器。在其基础上，微带谐振器可以分为三类，即集总谐振器、半集总谐振器、分布参数谐振器[9]。其中分布参数谐振器是最常见的谐振器，其频率与传输线自身物理尺寸有着相应的对应关系，一般以电长度表示。而广泛用于微带滤波器中设计的分布参数谐振器主要包括[14]波长短路谐振器、[12]波长开路谐振器等。

SIR指阶跃阻抗谐振器，一般是由2个及2个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成，谐振频率受到阻抗比以及电长度两个因素的影响，因此可以通过改变阻抗比来构造小型化谐振器，一般分为[14]波长型、[12]波长型、全波长型[10]。

如图1所示，以[14]波长型SIR为例，其由一段高阻抗传输线与一段低阻抗传输线组成，高阻抗传输线的一段接地，构成[14]短路线谐振。

相应的输入阻抗可表示为：

[Zin=jZ2Z1tanθ1+Z2tanθ2Z2-Z1tanθ1tanθ2 ] （1）

将谐振条件[Zin=∞]代入式（1）得到：

[Z2-Z1tanθ1tanθ2=0] （2）

最终得到：

[tanθ1tanθ2=Z2Z1=RZ] （3）

通过公式（3）可见，SIR的谐振条件主要由高低阻抗比[RZ]以及电长度[θ1]、电长度[θ2]共同决定，在阻抗[RZ]一定时，电长度减小，能够构造出小型化谐振器[11]。

点频滤波器是一种常见于点频源、跳频源中用于筛选信号、去除杂散的滤波器，通常所需通过带宽为中心频率±15 MHz，而同时要求对带外抑制左右两端滚降系数相近。文献[12]表明在[14]波长短路谐振器的基础上加入了[12]波长开路谐振器，能够有效平衡两端滚降系数。因此，本文设计的五阶微带小型化滤波器主要结构由交指[14]波长短路谐振器以及发夹[12]波长开路谐振器构成，并利用SIR以及折叠的形式将其转换为小型化的谐振器。转换过后的交指SIR[14]波长短路谐振器以及发夹SIR[12]波长开路谐振器如图1所示。

其中1、2、4、5级为交指SIR[14]波长短路谐振器，同时在SIR的基础上进行了折叠处理，这种折叠能够更高效率地使用版图面积，而中间级则为发夹SIR[12]波长开路谐振器，两臂间距为[dd1]。两种谐振器长为[l1]、[l2]，两种SIR低阻抗线以及高阻抗线的阻抗相同，宽度为[x1]、[x2]。整体滤波器版图结构对称，谐振器间距为[d1]、[d2]。五阶小型化微带点频滤波器结构如图2所示。

2" 建模仿真与误差分析

设计的五阶小型化微带滤波器的建模仿真以及误差分析均通过HFSS完成。目的是设计一种尺寸能够近似于芯片级的微带滤波器，以小型化谐振器、基板厚度薄的材料、受加工误差影响小的点频滤波器作为整体设计思路。设计指标如下：中心频率为12 GHz，同时需满足在12 GHz±15 MHz有通带，通带内回波损耗小于10 dB，在（12±1）GHz处带外抑制大于30 dB，滤波器馈线居中，整体版图尺寸需小于4 mm×4 mm。

为了得到尺寸较小的滤波器，除了利用SIR改变阻抗比得到小型化谐振器外，合理地控制谐振器间耦合距离也十分重要。其中，减少所用基板的厚度能够有效减小谐振器间的耦合距离。以99.6%的氧化铝为例，选取相同的谐振器结构，在所需耦合系数为0.1时，在板材厚度为0.127 mm以及0.254 mm下进行对比。由图3、图4中可以得出，在板材厚度为0.254 mm时，耦合距离为0.28 mm，而在板材厚度为0.127 mm时，耦合距离为0.09 mm，使用0.127 mm的板材厚度在所需耦合系数为0.1时，相对于0.254 mm板材厚度所得耦合间距缩短了0.19 mm。可见在相同耦合系数下，越小的厚度，两谐振器间距离越小，能够使整体结构更小，能够有效地缩小滤波器的尺寸。

本文选用介电常数[εr]为9.8的99.6%的氧化铝，基板厚度为0.127 mm。谐振器间的耦合系数为[M1，2]=[M4，5]=0.043、[M2，3]=[M3，4]=0.031，外部品质因数[Q]为19.46。

整体建模如图5所示。通过优化与调试后，[S]参数如图6所示。在12 GHz时，回波损耗小于10 dB，插入损耗为3.41 dB，满足通带要求。整体版图尺寸为2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，满足尺寸要求。而在11 GHz时带外抑制为52.5 dB，13 GHz时带外抑制为45.1 dB，满足抑制要求。

整体版图面积为2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，而实际滤波器面积为1.98 mm×3 mm×0.127 mm，因为过小的滤波器面积增加了其性能对加工偏差的敏感性。基于此进行相应的误差分析。根据薄膜工艺厂商的加工说明，孔径的偏差一般在±0.05 mm以内，线宽、线间距的偏差一般在±0.02 mm以内。将相应偏差值代入仿真中，所得结果如图7所示。

通过误差分析可知，代入加工误差后，滤波器曲线会产生频率偏移，但基本都能满足12 GHz±15 MHz的带宽要求。同时，在（12±1）GHz处，带外抑制基本大于30 dB，满足抑制要求。因此，通过对加工厂商的加工偏差进行建模分析，加工后的滤波器性能基本满足设计指标，具备设计可行性。

3" 实物分析与测试结果

加工出的滤波器实物如图8所示，其中在滤波器两端通过键合至50 Ω线直连绝缘子，再通过矢网分析仪进行测试得到S2P文件，导入ADS软件中进行查看。

得到[S]参数曲线如图9所示，所测试滤波器整体尺寸为2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm，在11 GHz时抑制为39.6 dB，在13 GHz时抑制为39.4 dB。同时通带满足12 GHz±15 MHz，回波损耗小于10 dB，满足指标要求。综上所述，经过测试后表明所测滤波器实测曲线满足设计指标。

4" 结" 语

在新时代工艺技术的不断蓬勃发展下，芯片级工艺能够制作尺寸极小且精度极高的小型化芯片滤波器，但工艺成本十分昂贵。基于此，本文设计了一种通过薄膜工艺加工，但尺寸能够接近芯片级滤波器的小型化微带点频滤波器。通过仿真建模并对工艺进行误差分析，最终设计了一款中心频率为12 GHz的五阶微带点频滤波器。通过测试表明，性能曲线能够满足设计指标，验证了设计的可行性。文中构造了一款整体版图面积为2.5 mm×3.5 mm×0.127 mm的薄膜工艺滤波器，其中滤波器实际面积仅为1.98 mm×3 mm×0.127 mm。在文献[13]中的一款19.5～21.3 GHz的芯片带通滤波器尺寸为2.96 mm×1.8 mm×0.1 mm，而本文所设计的五阶微带点频滤波器中心频率为12 GHz±15 MHz，具有更大的谐振尺寸，但版图面积仅为文献[13]中芯片带通滤波器的1.67倍，尺寸能够比拟于芯片级滤波器，加工成本却是芯片级工艺的数十分之一，兼具价格优势和实际使用价值。

参考文献

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