氧化鋁陶瓷基板上薄膜無(wú)源元件混合電路過(guò)去常用于要求高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠、中等功耗和頻率不超過(guò)100MHz的應(yīng)用。提高這些傳統(tǒng)性能的極限以滿足平面?zhèn)鬏斁€濾波器不斷發(fā)展和增長(zhǎng)的要求,，已成為生產(chǎn)流程控制、材料相容性工程以及電磁(EM)設(shè)計(jì)的精巧之處。X波段微帶帶通濾波器的薄膜制造工藝綜合考慮了上述因素,。
在高精度微帶帶通過(guò)濾器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，需要考慮導(dǎo)體屬性,、介電性能,、尺寸和幾何外形。這里采用了平行板電容和諧振腔介電特性技術(shù),，對(duì)氧化鋁的介電常數(shù)(Er)和損耗角正切值進(jìn)行了測(cè)量,。測(cè)量結(jié)果顯示，氧化鋁的批次內(nèi)電氣屬性的非均勻性(Er=4~5%)和損耗角正切值(tan=40%)。介電厚度測(cè)量顯示有明顯的不一致性,。為適應(yīng)介質(zhì)基板的不一致性,，需根據(jù)其特定的介電特性量身定制導(dǎo)體掩膜原圖，以實(shí)現(xiàn)最佳濾波器性能,。TiW/Au金屬化方案的RF薄層電阻率的計(jì)算結(jié)果顯示,，TiW決定導(dǎo)體損耗程度，在10GHz時(shí)約為0.089dB/cm,。經(jīng)過(guò)評(píng)估,，鈦鎢金(TiW/Au)的導(dǎo)體損耗在0.08dB/cm到0.11dB/cm 之間，主要決定于界面TiW附著層,。
對(duì)X波段微帶帶通濾波器進(jìn)行了EM仿真,、薄膜制造和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)試。仿真和測(cè)試的濾波器特性非常吻合：因數(shù)為10.1GHz;S21<1.3dB;電壓駐波比(VSWR)為1.1;帶寬在1dB,、3dB和10dB的時(shí)候分別為340MHz,、380MHz和800MHz;形狀因數(shù)為0.054dB/MHz。
下文詳細(xì)介紹X波段微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì),，重點(diǎn)關(guān)注材料與生產(chǎn)考慮因素,。
濾波器通常用來(lái)從復(fù)雜波形中篩選/隔離出單個(gè)或者多個(gè)信號(hào)(頻率)。此外,，它們還能夠?qū)ΨQ或者非對(duì)稱地修正信號(hào)的幅度和/或相位,。
隨著業(yè)界逐漸使用特定頻率用于通信，以及射頻信號(hào)傳輸需要兼顧普通模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),，帶寬被具有獨(dú)特特性的信號(hào)所占用,。這些特殊信號(hào)既能以離散頻率通道中的單一信號(hào)形式存在，也能以占用跳頻信號(hào)集群包形式出現(xiàn),。頻譜被劃分為普遍接受的頻段外,，剩余部分供各級(jí)雷達(dá)工作頻率使用。頻段劃分隨定義機(jī)構(gòu)(國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU),、JCS)的不同略有區(qū)別,。
表1是ITU的頻段名稱及其一般應(yīng)用。在如此復(fù)雜電磁環(huán)境中,，需要對(duì)分配的帶寬進(jìn)行充分的利用,，因此出色的射頻系統(tǒng)性能主要取決于經(jīng)過(guò)優(yōu)化的器件性能。其中濾波器是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,，一般用來(lái)從更為復(fù)雜的波形中篩選/隔離出一個(gè)或多個(gè)信號(hào)(頻率),。此外，濾波器能對(duì)稱或者非對(duì)稱地修正信號(hào)的幅度和/或相位,。在為數(shù)眾多的濾波器設(shè)計(jì)中,，采用微帶幾何形狀的平面導(dǎo)波傳輸線結(jié)構(gòu),，最適合采用高精度薄膜制造工藝、無(wú)源微波組件制造工藝以及后續(xù)的模塊組裝工藝,。
設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
在這種配置中,，介質(zhì)層位于金屬化導(dǎo)體之間，頂層是金屬化電路導(dǎo)體層,，底層是整片的接地層,。雖然由于介質(zhì)層與頂層電路導(dǎo)體層不對(duì)稱(介質(zhì)層與導(dǎo)體層只在一側(cè)接觸)，該結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)將導(dǎo)致近似TEM的電磁橫向傳播,，但是微帶幾何結(jié)構(gòu)能在寬泛的特性阻抗范圍內(nèi)(15~150Ω)提供良好的功率容量,、中等的輻射損耗(適度的串?dāng)_)和頻散性能。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
一般而言,，帶通濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在帶通頻率上將傳輸損耗降至最低,，并且在期望帶寬的上下實(shí)現(xiàn)最大抑制。濾波器的性能品質(zhì)因數(shù)(FOM)由S參數(shù),、帶寬,、中心頻率、紋波,、抑制,、群延遲和功率容量定義。根據(jù)由這些FOM構(gòu)成的規(guī)范集,，可以進(jìn)行計(jì)算密集的EM建模和優(yōu)化,。選擇與所需濾波器性能最接近的合適的傳輸函數(shù)(切比雪夫、貝塞爾,、橢圓等),，并重復(fù)運(yùn)行FOM優(yōu)化流程。最終的濾波器結(jié)構(gòu)由終端耦合,、邊緣耦合、交叉的Ω/2長(zhǎng)開路諧振器串聯(lián)而成,。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)體諧振器的對(duì)稱偏移量,、間隔、寬度,、長(zhǎng)度,、厚度以及“中間”介質(zhì)層的Er和厚度，可以得到最佳的FOM,。
用于生產(chǎn)的材料結(jié)構(gòu)
已完成的邊緣耦合交叉式濾波器的結(jié)構(gòu)示例如圖2和圖3所示,。邊緣耦合濾波器的插入損耗和回波損耗性能如圖1所示。
一旦優(yōu)化設(shè)計(jì)完成,，就可以生成合適的導(dǎo)體走線圖,，然后采用常規(guī)的薄膜加工進(jìn)行諧振器所要求的金屬化圖形沉淀,。采用這種方法生產(chǎn)的帶通濾波器，其獨(dú)特之處在于填充的過(guò)孔將接地層和頂層的微帶導(dǎo)體連接在一起(接地層-信號(hào)層-接地層),，并采用聚酰亞胺支撐的“空氣橋”進(jìn)行導(dǎo)體互聯(lián),。
介電特性的測(cè)量
介電常數(shù)和損耗角正切屬性測(cè)量采用了開放式諧振器/HP8510 VNA和平行于基板的兩個(gè)主平面內(nèi)軸線的電場(chǎng)，測(cè)量范圍為18GHz到25GHz,。
平行板法用于根據(jù)電容和損耗因數(shù)分別導(dǎo)出介電常數(shù)(Er)和損耗角正切,。先對(duì)99.6%的0.015英寸x4.5英寸x3.75英寸三氧化二鋁陶瓷基板進(jìn)行清洗，然后進(jìn)行TiW/Au(1000A/2500A)濺射金屬化,，最后電鍍Au(3.75微米),。基板隨后被切割成4.40英寸x3.70英寸的標(biāo)稱尺寸,，供隔離的頂部電極和底部電極使用,。先用LCR測(cè)量計(jì)/固定裝置進(jìn)行電容測(cè)量，然后用介電厚度,、電極面積和測(cè)得電容計(jì)算Er,。
每50片三氧化二鋁基板的厚度，均測(cè)自4.40英寸x3.70英寸的面積上由12個(gè)點(diǎn)組成的陣列,，同時(shí)對(duì)基板的長(zhǎng)軸和短軸進(jìn)行兩次長(zhǎng)度和寬度測(cè)量,。
表2是50片三氧化二鋁基板的Er、損耗角正切和厚度分布數(shù)據(jù),，以及“最好”和“最差”的基板數(shù)據(jù),。
帶通濾波器(BPF)仿真和測(cè)量
期望的BPF規(guī)格如表3所示，它選自于X波段性能,。BPF測(cè)量采用了HP8510C VNA,，其帶有一個(gè)完整的雙端口SOLT(短路-開路-負(fù)載-直通)微調(diào)裝置。
反復(fù)使用奇/偶模式阻抗分析,，對(duì)側(cè)部邊緣耦合濾波器的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估,。根據(jù)該設(shè)計(jì)計(jì)算得出的衰減程度和VSWR結(jié)果見圖4。在10,100MHz和10,200MHz之間存在最小的VSWR(1.07)和衰減(1.8dB),。
圖5是側(cè)部邊緣耦合BPF拓?fù)湓O(shè)計(jì),。該設(shè)計(jì)采用 GSG “共面”源端口和負(fù)載端口，四周布置過(guò)孔接地籠,。微帶諧振器的幾何尺寸為長(zhǎng)5.52mm,，寬0.330mm，耦合隙為0.152mm,。
圖6 是自由諧振條件下的無(wú)損耗S21和S11參數(shù)
對(duì)導(dǎo)體幾何尺寸和電氣屬性的精確控制是實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的關(guān)鍵,。對(duì)于濾波器的應(yīng)用頻率，諧振器耦合發(fā)生在 ?/4元件上時(shí),，耦合效果最強(qiáng),。這種耦合線結(jié)構(gòu)的缺陷是需要微小的縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的耦合,。由于這些元件是由導(dǎo)線構(gòu)成的，導(dǎo)線的幾何精度和一致性分別決定了所需阻抗的匹配度和耦合度,。為控制導(dǎo)體的幾何尺寸,，可采用高度共形的電阻和尺寸補(bǔ)償布線，以實(shí)現(xiàn)電鍍導(dǎo)體的垂直/水平生長(zhǎng)縱橫比,。使用這些設(shè)計(jì)/工藝特性,，可以生產(chǎn)長(zhǎng)25~50mm的3μm導(dǎo)線和空隙。
圖7是 10GHz自由諧振條件下的電場(chǎng),。
微帶幾何結(jié)構(gòu)的散射特性(非均質(zhì)介質(zhì))會(huì)引起偶模和奇模相位速度的不對(duì)稱,。
圖8~9是自由諧振條件下的 S21和S11損耗參數(shù) 。
對(duì)諧振高Q濾波器結(jié)構(gòu),，使用四面體網(wǎng)孔建模進(jìn)行了三維全波EM仿真,。在計(jì)算S參數(shù)時(shí)，使用了降階模型法,。電磁場(chǎng)的評(píng)估則使用考慮到損耗的模型分析(固有模式)來(lái)進(jìn)行,。對(duì)分立式濾波器(自由諧振)和諧振腔濾波器(封閉諧振)都進(jìn)行了分析。
模型報(bào)告
圖 10是實(shí)際測(cè)量 (S21, S11),。
本文小結(jié)
X波段微帶通帶濾波器已經(jīng)過(guò)了EM仿真,、薄膜制造和VNA測(cè)試。仿真特性和測(cè)量得的濾波器特性具有良好的一致性：因數(shù)為10.1GHz;S21<1.3dB;電壓駐波比(VSWR)為 1.1;帶寬在1dB,、3dB和10dB時(shí)分別為340MHz,、380MHz和800MHz;形狀因子為0.054dB/MHz。
威世公司的EFI在優(yōu)化功能的多項(xiàng)關(guān)鍵性互動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)上取得突破性進(jìn)展,。威世公司是為數(shù)不多的幾家能夠提供這種設(shè)計(jì)和建模功能的制造商之一,。