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基于SISL的介质填充双通带滤波器设计

李双旭, 马凯学, 闫宁宁, 陈雄, 傅海鹏

李双旭,马凯学,闫宁宁,等. 基于SISL的介质填充双通带滤波器设计[J]. 电波科学学报,2022,37(4):629-634. DOI: 10.12265/j.cjors.2021011
引用格式: 李双旭,马凯学,闫宁宁,等. 基于SISL的介质填充双通带滤波器设计[J]. 电波科学学报,2022,37(4):629-634. DOI: 10.12265/j.cjors.2021011
LI S X, MA K X, YAN N N, et al. A dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL technology[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(4):629-634. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021011
Reference format: LI S X, MA K X, YAN N N, et al. A dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL technology[J]. Chinese journal of radio science,2022,37(4):629-634. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021011

基于SISL的介质填充双通带滤波器设计

基金项目: 国家自然科学基金(61831017)
详细信息
    作者简介:

    李双旭: (1996—),男,天津大学微电子学院硕士研究生,主要研究方向为微波滤波器理论与设计

    马凯学: (1973—),男,天津大学微电子学院教授,主要研究方向为微波毫米波电路技术

    闫宁宁: (1990—),女,天津大学微电子学院讲师,主要研究方向为天线理论与设计

    陈雄: (1990—), 男,天津大学微电子学院副教授,主要研究方向为微波毫米波电路器件非线性设计与先进测量方法

    傅海鹏: (1985—),男,天津大学微电子学院副教授,主要研究方向为射频集成电路

    通信作者:

    马凯学 E-mail: makaixue@tju.edu.cn

  • 中图分类号: TN014

A dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL technology

  • 摘要: 为实现滤波器的小型化,基于介质集成悬置线(substrate integrated suspended line, SISL)结构提出了一种介质填充双通带滤波器的设计方案. 首先将高介电常数的介质块填充入SISL的空气腔中,提升SISL的等效介电常数,实现电路的小型化,高介电常数介质块可以直接被SISL固定;然后利用T型结连接两组工作在不同频段的滤波器从而使得两个通带相对独立;最后利用仿真软件进行优化,确定介质填充双通带滤波器的尺寸,并进行加工与测试. 仿真与测试结果表明,二者具有较好的一致性,两个通带频率内的回波损耗均优于15 dB,电路的核心尺寸为0.058λg×0.139λg(λg为SISL在第一通带中心频率处的导波波长). 此双通带滤波器具有小尺寸、自封装等优势,且所有层介质基板均采用低成本的FR4板材,降低了制造成本.
    Abstract: This paper proposes a dielectric-filled dual-band bandpass filter (DF-DBBPF) using substrate integrated suspended line (SISL) technology to realize the miniaturization of the filter. In this design, high dielectric constant material is embedded in the SISL air cavity to construct a high equivalent dielectric constant and miniaturize the circuits. The high dielectric constant material is fixed directly by the SISL cavity. Meanwhile, by using T-junctions to design the dual-band bandpass filter, each passband response can be designed independently. With the help of the EM simulation software, all the dimensions are determined and the DF-DBBPF is processed and tested. The simulated and measured results of this design have the same tendency. The return loss of the two passbands are both better than 15 dB and the size of core circuit is only 0.058λg×0.139λg, which λg represents the guided wavelength at the central frequency of the first passband. The DF-DBBPF is with the advantage of compact size and self-packaging. Meanwhile, low-cost FR4 is chosen for all seven substrate boards.
  • 随着无线通信技术的发展,低成本、小型化双通带滤波器在微波电路与系统中发挥着越来越重要的作用. 双通带滤波器作为无线通信系统中的关键模块,研究人员对其小型化技术研究提出了多种方法 [1-7]. 文献[1]运用1/4波长阶梯阻抗谐振器(stepped-independence resonator, SIR)实现了双通带响应,有效地减小了电路尺寸. 文献[2-5]将多模谐振器应用于小型化双通带滤波器的设计,有效实现了小尺寸,但两个通带的响应相对难以独立调节. 近些年,低温共烧陶瓷(low-temperature co-fired ceramic, LTCC)技术广泛应用于小型化微波器件的设计中. 文献[6-7]中基于LTCC技术设计的双通带滤波器有明显的尺寸优势,但与传统的印制电路板(printed circuit board, PCB)技术相比,LTCC技术的加工制造成本较高. 介质集成悬置线(substrate integrated suspended line, SISL)作为一种新型传输线,拥有自封装、低成本、高集成度等优势[8],目前已有多款基于SISL设计的双通带滤波器[9-11],如文献[9]中双通带滤波器将馈线作为一组滤波单元,并对双通带滤波器电路进行双层布线,减小了电路体积,但电路尺寸依旧较大. 文献[12]中基于SISL结构提出了一种介质填充电容,并将其应用于准集总低通滤波器设计中,得到了明显的小型化效果. 然而,此低通滤波器仅对部分空气腔进行了介质填充,并没有对全部的电路进行小型化. 此外,文献[13]中还提出了一种基于SISL的小型化介质填充天线.

    为设计一种小型化且两个通带相对独立的双通带滤波器,本文利用SISL结构,通过在其空气腔体中填充高介电常数介质块,提升等效介电常数从而实现电路的小型化. 高介电常数介质块可以直接被SISL结构固定,同时双通带滤波器的响应主要由分布在G7层的电路结构决定,因此滤波器的设计相对自由,且具有较高的灵活度. 此外,利用T型结连接了两个工作在不同频率的滤波单元[14],使得两个通带响应相对独立. 最终对工作在3.45 GHz和4.9 GHz的SISL介质填充双通带滤波器进行了加工与测试,验证了此方法的可行性. 双通带滤波器的面积仅为0.008λg 2λg为SISL在第一通带中心频率处的导波波长),实现了明显的小型化效果. 在此设计中,七层介质基板均采用FR4板材,具有低成本、自封装、高集成度等优势.

    图1为七层SISL介质填充结构的三维示意图,此结构一共包含七层介质基板和十四层金属. 七层介质基板分别命名为介质基板1、介质基板2、介质基板3、介质基板4、介质基板5、介质基板6、介质基板7. 每一层介质基板的正反面均包含一个金属层,从上至下分别命名为G1~G14. 介质基板1~7的厚度分别为0.6 mm、2 mm、0.127 mm、0.127 mm、0.127 mm、2 mm、0.6 mm,其中,介质基板2和介质基板6被部分挖除,形成一个矩形的空气腔体. 每一层介质基板均环绕空气腔体设置了金属化过孔. 金属化过孔实现了同层介质基板的上下互联,并将七层介质基板所有外部金属相连,为内部的主电路实现近乎理想的电磁屏蔽环境. 同时,两个介电常数为21.6的介质块填充入七层SISL的空气腔中. 图2为每一层介质基板的形状. 对比典型的五层 SISL 结构[8-11],七层SISL结构额外增加了两层厚度为0.127 mm的薄介质基板作为支撑层,分别为介质基板3和介质基板5,两层介质基板均留下了少部分的介质来实现对高介电常数介质块的物理支撑.

    图  1  七层SISL介质填充结构三维示意图
    Fig.  1  Three-dimensional schematic of the seven-layer SISL dielectric-filed structure
    图  2  所有层介质基板俯视图
    Fig.  2  The top view of all substrate boards

    图3展示了所有层介质基板和高介电常数介质块按顺序进行压合后的侧视图. 可以看出,滤波器的主电路布线在G7层,高介电常数介质块可以直接被SISL空气腔及两个支撑层固定,无需利用胶水等额外的方式固定. 在SISL中填充两个高介电常数的介质块后,SISL的等效介电常数增加. 根据式(1),电路的物理尺寸将减小[15]

    图  3  七层SISL介质填充结构侧视图
    Fig.  3  The side view of the dielectric-filled structure based on seven-layer SISL
    λ=2πβ=2πωμε=λ0μrεr. (1)

    SISL介质填充双通带滤波器的拓扑结构如图4所示. 此设计由两个工作在不同频段的滤波单元组成,分别命名为滤波单元A和滤波单元B. 同时利用两个T型结为双通带滤波器馈电,提供合适的外部品质因数. 图5为双通带滤波器电路层G7的结构图. 为进一步实现电路小型化,运用了1/4波长开口螺旋谐振器的概念[16],每一个螺旋谐振器的输入阻抗[11]

    图  4  SISL介质填充双通带滤波器的拓扑结构
    Fig.  4  The topology of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL
    图  5  电路层G7结构图
    Fig.  5  Configuration of the circuit layer G7
    Zin=jZ0tan(βz). (2)

    Zin=时,谐振器会发生谐振,即当βz=π/4时,可以产生一个传输极点.

    基于SISL结构,利用抽头式馈电对1/4波长开口螺旋谐器填充高介电常数介质块前后的谐振特性进行研究. 图6所示为螺旋谐振器填充高介电常数介质块前后响应的变化. 可以看出,填充高介电常数介质块后螺旋谐振器的工作频率对比未填充高介电常数介质块时有了显著的下降,说明填充高介电常数的介质块后使电路实现了明显的小型化效果.

    图  6  螺旋谐振器填充高介电常数介质块前后响应的变化
    Fig.  6  The simulation of the spiral-like resonator with or without dielectric-filled

    图5中每个滤波单元均由两个螺旋谐振器组成,且两个螺旋谐振器由一段短路短截线进行连接. 单一滤波单元的电磁耦合关系等效电路图如图7所示. 滤波单元的级间耦合可分为两种:电耦合与磁耦合,其中Cm代表电耦合,Lm代表磁耦合. 电耦合系数与磁耦合系数[11]分别被定义为:

    图  7  单一滤波单元的电磁耦合关系等效电路图
    Fig.  7  The equivalent circuit of the electromagnetic coupling relationship of a single filtering section
    ke=CmC1km=LmL1. (3)

    总耦合系数k决定着滤波器带宽的大小:

    k=|kekm|. (4)

    每个滤波单元可以产生两个传输零点[16],其中一个传输零点是由混合电磁耦合产生的[16-17].

    图7所示等效电路的Y参数矩阵可以表示为

    [I1I2] = [Y11Y12Y21Y22][V1V2]. (5)

    式中:

    Y12 = I1V2|V1 = 0 = jωCmLmjω(L21L2m)=Y21. (6)

    ω=ωm=1LmCm(L21L2m1)时,Y12Y21)等于0. 由于S21=Y21Y0(Y11+Y0)(Y22+Y0)Y12Y21ωmS21的传输零点[11],而滤波单元的另一个传输零点是由开口螺旋线的自谐振产生的[16].

    此双通带滤波器一共产生四个传输零点. 如图5所示,通过T型结使两个工作在不同频段的滤波单元相对独立. 首先对工作在第二通带频率处的顶部滤波单元A进行分析,滤波器级间的电耦合主要受W1影响,而磁耦合主要受W1W6长度影响. 图8W1取不同值时的仿真结果. 可以看出,随着W1值的增加,传输零点TZ1band2逐渐向高频移动,而TZ2band2的位置几乎没有发生变化. W1值的改变会对电耦合和磁耦合产生影响,说明TZ1band2是由混合电磁耦合产生的,而TZ2band2是由开口螺旋线的自谐振产生的. TZ1band2产生在第二通带的下阻带处,说明滤波单元A的级间耦合中电耦合占主导地位[16-17]. 带通滤波器的带宽和级间总耦合系数k相关,随着W1的增加,总耦合系数减小,带宽逐渐变窄.

    图  8  不同W1值对频率响应的影响
    Fig.  8  The impact of different W1 on the frequency response

    对于底部的滤波单元B,工作在第一通带的频率处,工作机理与滤波单元A类似. 图9所示为不同W2值对频率响应的影响. 可以看出,伴随着W2值的增加,传输零点TZ1band1的位置逐渐向高频移动,且第一通带的带宽也有变化,而传输零点TZ2band1的位置几乎没有发生变化. 因此TZ1band1是由混合电磁耦合产生的,而TZ2band1是由开口螺旋线的自谐振产生的.

    图  9  不同W2值对频率响应的影响
    Fig.  9  The impact of different W2 on the frequency response

    通过电磁仿真软件进行优化,最终电路层G7的参数如表1所示.

    表  1  双通带滤波器电路层的参数
    Tab.  1  Parameters of the dual-band bandpass filter circuit layer mm
    W1W2W3W4W5W6W7W8W9
    0.150.150.150.150.150.30.150.20.15
    W10W11W12L1L2L3L4L5L6
    0.20.30.24.255.653.450.650.50.83
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    SISL介质填充双通带滤波器加工实物如图10所示,所有介质基板均采用传统的PCB加工工艺. 滤波器的核心电路尺寸仅为0.058λg×0.139λg (即面积为0.008λg2),其中λg是七层SISL结构在3.45 GHz的导波波长. 图11展示了SISL介质填充双通带滤波器的仿真与测试结果. 测试结果中两个通带的相对带宽分别为21.6%和9.3%,通带内部的回波损耗均优于15 dB. 去掉SMA连接器以及过渡结构的损耗后,两个通带的插入损耗分别为1.98 dB和3.83 dB,同时两通带之间的隔离度优于30 dB. 本设计中,所有的介质基板均采用损耗角正切为0.02的低成本FR4板材,同时高介电常数介质块的损耗误差会使双通带滤波器的损耗变大. 此外,为减小滤波器的体积,使用了宽度较窄的传输线,导致引入更多的欧姆损耗. 从表2可以看出,对比其他双通带滤波器的指标,本文所提出的双通带滤波器具有非常紧凑的尺寸,以及拥有自封装的特性.

    图  10  多层PCB板结构以及SISL自封装介质填充双通带滤波器
    Fig.  10  Multilayer PCB structure and the self-packaged dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL
    图  11  SISL介质填充双通带滤波器的仿真与测试结果
    Fig.  11  The simulated and measured results of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL
    表  2  本设计与近期其他文献中双通带滤波器对比
    Tab.  2  Comparison of this design with other dual-band bandpass filters in recent literatures
    文献电路面积工作频率/GHz自封装传输线种类介质基板材料S11 /dB通带带宽
    /%
    插入损耗
    /dB
    通带隔离度
    /dB
    [1]0.022λg 20.90/1.50微带线Rogers 4003<−15/<−2042.0/15.00.20/0.50>40
    [4]0.040λg 22.10/3.43微带线Rogers 4003<−10/<−1517.1/12.21.40/1.90>30
    [9]0.032λg 22.40/5.20SISLFR4和Rogers5880<−15/<−1545.4/21.60.59/0.55>20
    [11]0.023λg 22.55/3.91SISLFR4和Rogers5880<−10/<−1513.0/5.42.00/3.40>40
    本文0.008λg 23.55/4.96SISLFR4<−15/<−1521.6/9.31.98/3.83>30
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    本文提出了一种新型的小型化SISL介质填充双通带滤波器. 通过将高介电常数介质块填充入SISL的空气腔中,同时利用T型结设计了一个小型化且通带独立的双通带滤波器. 本设计基于SISL平台设计,所有的介质基板均采用了低成本的FR4板材,同时拥有自封装的特性. 在未来滤波器的设计中可以采用类似的方法提升等效介电常数实现电路的小型化,且其它电路同样可以利用类似的方法实现小型化.

  • 图  1   七层SISL介质填充结构三维示意图

    Fig.  1   Three-dimensional schematic of the seven-layer SISL dielectric-filed structure

    图  2   所有层介质基板俯视图

    Fig.  2   The top view of all substrate boards

    图  3   七层SISL介质填充结构侧视图

    Fig.  3   The side view of the dielectric-filled structure based on seven-layer SISL

    图  4   SISL介质填充双通带滤波器的拓扑结构

    Fig.  4   The topology of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

    图  5   电路层G7结构图

    Fig.  5   Configuration of the circuit layer G7

    图  6   螺旋谐振器填充高介电常数介质块前后响应的变化

    Fig.  6   The simulation of the spiral-like resonator with or without dielectric-filled

    图  7   单一滤波单元的电磁耦合关系等效电路图

    Fig.  7   The equivalent circuit of the electromagnetic coupling relationship of a single filtering section

    图  8   不同W1值对频率响应的影响

    Fig.  8   The impact of different W1 on the frequency response

    图  9   不同W2值对频率响应的影响

    Fig.  9   The impact of different W2 on the frequency response

    图  10   多层PCB板结构以及SISL自封装介质填充双通带滤波器

    Fig.  10   Multilayer PCB structure and the self-packaged dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

    图  11   SISL介质填充双通带滤波器的仿真与测试结果

    Fig.  11   The simulated and measured results of the dielectric-filled dual-band bandpass filter based on SISL

    表  1   双通带滤波器电路层的参数

    Tab.  1   Parameters of the dual-band bandpass filter circuit layer mm

    W1W2W3W4W5W6W7W8W9
    0.150.150.150.150.150.30.150.20.15
    W10W11W12L1L2L3L4L5L6
    0.20.30.24.255.653.450.650.50.83
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    表  2   本设计与近期其他文献中双通带滤波器对比

    Tab.  2   Comparison of this design with other dual-band bandpass filters in recent literatures

    文献电路面积工作频率/GHz自封装传输线种类介质基板材料S11 /dB通带带宽
    /%
    插入损耗
    /dB
    通带隔离度
    /dB
    [1]0.022λg 20.90/1.50微带线Rogers 4003<−15/<−2042.0/15.00.20/0.50>40
    [4]0.040λg 22.10/3.43微带线Rogers 4003<−10/<−1517.1/12.21.40/1.90>30
    [9]0.032λg 22.40/5.20SISLFR4和Rogers5880<−15/<−1545.4/21.60.59/0.55>20
    [11]0.023λg 22.55/3.91SISLFR4和Rogers5880<−10/<−1513.0/5.42.00/3.40>40
    本文0.008λg 23.55/4.96SISLFR4<−15/<−1521.6/9.31.98/3.83>30
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  • 期刊类型引用(1)

    1. 王玲,刘定南,和浩铭,刘长军. 一种基于介质集成悬置线的高效率微波整流电路. 应用科技. 2022(05): 52-57 . 百度学术

    其他类型引用(2)

图(11)  /  表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-07
  • 网络出版日期:  2021-10-20
  • 刊出日期:  2022-09-04

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