陶瓷基交指微带带通滤波器的设计

陈 松，钟朝位，刘 稷，陶 煜



陶瓷基交指微带带通滤波器的设计

陈 松，钟朝位，刘 稷，陶 煜

（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054）

设计制作了一款小型化、温度稳定性高的交指微带带通滤波器。该滤波器选择高相对介电常数的MgZnCaLaTiO3陶瓷材料做基板（r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm），利用HFSS仿真软件，对该滤波器在3.92~4.52 GHz通带内进行了仿真。仿真结果显示，该滤波器中心频率为4.2 GHz，相对带宽14%，带内插损小，带外抑制良好。按照仿真尺寸进行实物加工并测试，实测结果与仿真吻合良好。

交指微带滤波器；陶瓷基板；HFSS仿真；小型化；中心频率；带宽

无线通讯的集成化促使射频无源器件如滤波器等小型化[1]，滤波器在系统模块之间和通讯接发端的重要性日益提高，正向高频化与微型化的方向快速发展[2]。

由于微带线本身体积小、质量小、加工简单容易、制版方便快捷[3-5]，另外还可以根据不同的应用场合与应用需求来选用不同的介质材料，其与滤波器结合后，通带损耗和阻带抑制优于其他形式的滤波器，且采用印制板工艺制作电路，容易与其他电路集成。交指型微带带通滤波器因其体积小、结构紧凑、易于加工和一致性好等优点被应用。所谓“交指”是指由多组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构。其结构一般有电容加载式、终端短路式和终端开路式[6]。

作者采用终端短路、抽头馈电方式，利用滤波器低通原型参数，计算外部值和耦合系数，再利用HFSS仿真软件得到滤波器的初始尺寸，并进行优化，得到了一款性能优良的滤波器。采用高r、高温度稳定性的介电材料作基板制作样品并进行了测试。

1 理论模型

终端短路式交指滤波器结构如图1所示，短路点交替排列，每个谐振器的长度为g/4[7]，采用抽头线的方式进行馈电。

图1 终端短路式交指滤波器

（1）确定低通模型：根据滤波器的带宽、带内波纹、衰减等指标，选择适当的低通原型，如切比雪夫、巴特沃思等模型，再确定滤波器阶数以及各阶电导参数1,2,3,···,g。对于切比雪夫型终端短路式的交指型滤波器来说，其滤波器阶数可由式（1）近似求得[8]：

式中：s为阻带衰减频率；Ar为通带衰减量最大值；As为阻带衰减量最大值。确定滤波器阶数后，可以通过查阅切比雪夫表格得到各电导值1,2,3,···,g。

（2）求得耦合系数和外部系数，通频带FBW，由电导值1,2,3,···,g，按照式（2）求得耦合系数和外部系数：

（3）求得枝节间距和枝节长度的初始值，一般来说枝节长度为g/4；

（4）计算抽头馈电点的位置，值一般由式（3）求得：

式中：o=50W为微带抽头线的特性阻抗；r为微带谐振器无耦合情况下的特征阻抗；e为滤波器终端外界品质因数。

（5）利用HFSS仿真软件进行参数优化。

2 设计实例

2.1 陶瓷基板的制备

（1）陶瓷粉料的制备：采用非化学计量配比，将碱式碳酸镁(MgCO3·Mg(OH)2·H2O，::=4:1:(4~7)、氢氧化钙Ca(OH)2、氧化镧La2O3、氧化锌ZnO按照0.8:0.09:0.02:0.05的摩尔比在电子天平上进行称量，混合；

（2）球磨：将粉料和氧化锆球ZrO2在尼龙罐中，粉料、去离子水、氧化锆球混合质量比1:1:5，混合球磨4~8 h；

（3）预烧：将球磨过后的原料在85~120℃下干燥8~15 min，用250mm(60目)筛子过筛，过筛完后，在1 000~1 200 ℃下进行预烧，预烧3~5 h，保温4~6 h，自然降温；

（4）造粒：将预烧过后的粉料经250mm(60目)筛子过筛，用质量分数10% PVA做粘合剂进行造粒；

（5）烧结：造粒完后进行烧结，烧结温度1 200~ 1 350 ℃，烧结时间4~6 h，保温3~6 h，自然降温；

（6）制作基板：将样品经干压成型，烧结，轧磨成尺寸为50.8 mm×50.8 mm×(0.8±0.05) mm的片子，再经切割，高温处理，后续抛光过程，制作成基板，制作而成的基板尺寸50 mm×50 mm×(0.381±0.05) mm。

基板参数：r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm，表面粗糙度小于20 μm，满足微波通讯所需要求。

2.2 滤波器的设计

滤波器设计指标：带宽3.92~4.52 GHz，在3.2 GHz处抑制大于30 dB，在4.8 GHz处抑制大于40 dB，输入输出阻抗50 Ω，介质为MgZnCaLaTiO3，厚度0.381 mm。

首先，将上述指标代入式中，可计算出初始阶数近似取5，选择切比雪夫低通模型，如表1所示。

表1 切比雪夫滤波器原型的元件值（0= 1，c= 1，0.5 dB波纹）

Tab.1 Element values for Chebyshev lowpass prototype filter (g0 = 1, ωc = 1, Lr= 0.5 dB at Ωc)

由表1可得0~6具体值。再计算枝节间距，枝节间距可以通过耦合系数获得；枝节长度=g/4=4.2 mm，抽头馈电位置= 0.74 mm。从而得到滤波器的初始值如表2所示。

表2 交指滤波器初始值

Tab.2 Initial values of interdigital filter

为进一步优化滤波器指标，将初始参数在HFSS中进行建模如图2，在HFSS中进行参数优化，得到最终仿真结果如图3。

图2 HFSS模型

图3 HFSS仿真结果图

由图3可知，频带3.92~4.52 GHz内插损均小于–2 dB，带内波纹小于–5 dB，带外抑制也均已达到设计要求。此时HFSS中的具体参数值如表3所示。

表3 HFSS仿真参数值

Tab.3 HFSS simulating parameters

抽头线=0.8 mm。为验证HFSS仿真结果的一致性，将HFSS仿真模型加工成实物进行测量。

3 测试结果

图4为仿真实测比较图，实际加工出来的交指滤波器中心频率略微向左偏移，经检验是由金层厚度影响，由于实际加工的金层厚度略大于仿真厚度，故发生了一点偏移；实际加工测试所得带宽与仿真一致，带内驻波比略差，猜测是打孔误差所致，但总体结果与仿真数据吻合，符合设计指标，验证了高介陶瓷基交指滤波器的实际可行性，并能对滤波器的尺寸小型化做出新的改善。

图4 仿真实测比较图

4 结论

选择MgZnCaLaTiO3陶瓷基板（r=25，tan=0.000 01，f=0/℃，基板厚度0.381 mm）设计制作了一款微带交指滤波器，用电磁仿真软件HFSS对设计进行仿真优化，对实物进行加工测试。实物测试与仿真结果对比可知，该滤波器满足3.92~4.52 GHz的通讯要求，采用本基板所制作的滤波器体积更小且比现常用的氧化铝基板具有更好的温度稳定性。

[1] 杨辉, 张启龙. 低温共烧微波介质陶瓷及其器件的研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2008, 36(6): 866-876.

[2] 王强, 唐斌, 李皓, 等. 3500 MHz陶瓷基新型带通滤波器的设计[J]. 电子元件与材料, 2014, 33(8): 73-76.

[3] KURZROK R M. General three-resonator filters in waveguide [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 1966, 14(1): 46-47.

[4] FIEDZIUSZK O, HUNTE R, ITOH T, et al. Dielectric materials devices and circuits [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 2002, 50(3): 706-720.

[5] NATH J, GHOSH D, MARIA J P, et al. An electronically tunable microstrip bandpass filter using thin-film barium-strontium-titanate (BST) varactors [J]. Microwave Theory Tech IEEE Trans, 2005, 53(9): 2707-2712.

[6] 雷振亚. 微波射频电路导论 [M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.

[7] 徐佳. 交指型微带带通滤波器小型化研究 [D]. 天津: 河北工业大学, 2010.

[8] HONG J S G, LANCASTER M J. Microstrip filters for RF/microwave applications [M]. USA: John Wiley & Sons, 2004.

（编辑：陈渝生）

Design of an interdigital microstrip bandpass filter on ceramic substrate

CHEN Song, ZHONG Chaowei, LIU Ji, TAO Yu

(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

A microstrip bandpass interdigital filter with miniaturization and high temperature stability was designed and fabricated, which firstly used high dielectric constant ceramics material MgZnCaLaTiO3(r=25，tan= 0.000 01,f=0/℃, the thickness of substrate is 0.381 mm) to make the substrate. The filter was simulated by HFSS-software between 3.92 GHz and 4.52 GHz. The simulation results are as follows: the center frequency is 4.2 GHz, the relative bandwidth is 14%. The filter was fabricated and tested according to simulation parameters. The measured results are agreed with the simulation results.

microstrip interdigital filter; ceramics substrate; HFSS simulation；miniaturization；center frequency; bandwidth

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.009

TN713

A

1001-2028（2017）01-0048-03

2016-12-11

钟朝位

总装十二五预研项目资助（No. 51312050401）

钟朝位（1966－），男，江西南康人，教授，主要从事电子陶瓷材料研究，E-mail: chaoweizhong@uestc.edu.cn ；

陈松（1992－），男，四川眉山人，研究生，研究方向为微波器件，E-mail: a852282470@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1018.009.html

网络出版时间：2016-12-30 10:18:58