高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作_李艳江

第29卷第10期电子元件与材料V ol.29 No.10 2010年10月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Oct. 2010高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作李艳江，吴孟强，彭森，周晓华，张树人（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）摘要: 依据微带发夹型带通滤波器的原理，进行了数学建模，并结合ADS2008的优化仿真功能对滤波器进行了优化设计。

根据仿真结果，在高介电常数的陶瓷基板[MgTiO3-CaTiO3-Nd2O3，εr = 18，Q·f = 65 000（7 GHz），板厚度0.8 mm]上制作了中心频率f0 = 3.5 GHz、带宽为3.25~3.75 GHz的滤波器。

经测试发现，制得的滤波器具有良好的端口反射特性，可靠性高，基本满足3.25~3.75 GHz频率范围内的特殊通讯要求。

这表明本研究所用设计方法合理，适合于工程应用。

关键词:发夹型带通滤波器；微带线；ADS仿真设计中图分类号: TN713 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2010）10-0054-04Design and fabrication of hairpin bandpass filter with high reliability LI Yanjiang, WU Mengqiang, PENG Sen, ZHOU Xiaohua, ZHANG Shuren (State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology ofChina, Chengdu 610054, China)Abstract: Mathematical models were established according to the principle of microstrip hairpin bandpass filter, and the design was then optimized using the simulation function of the software ADS2008. Based on the simulation results, microstrip hairpin bandpass filter, with a central frequency f0 = 3.5 GHz and a bandwith ranging from 3.25 GHz to 3.75 GHz, was fabricated on the high-permittivity ceramic substrate [MgTiO3-CaTiO3-CeO2, εr = 18, Q•f = 65 000(7 GHz)] witha thickness of 0.8 mm. The results show that the fabricated filter exhibits excellent port-reflection performance and highreliability, meeting the requirements of the special communication application iin the frequency band from 3.25 GHz to3.75 GHz. This indicates that the design method is reliable and suitable for engineering applications.Key words: hairpin bandpass filter; microstrip; ADS simulation design近年来，介质滤波器因具有体积小，损耗低、稳定性好和能承受高功率的特点，既广泛用于移动通信、卫星通信和电视电缆系统[1]，还用于特殊通信系统。

这些装备除对滤波器的电性能提出高的标准外，还对其组装技术、可靠性等提出更高的要求。

国内有人采用高介电常数微波陶瓷制作介质滤波器，但存在可靠性不高的弊端[2-3]。

因此制造适应SMT的体积小，可靠性高的滤波器一直是有重要应用价值的研究课题。

解决这个问题的有效途径是采用高品质因数、高介电常数、低温度系数的微波陶瓷来设计和制作。

钛酸镁是近年来在微波陶瓷领域应用广泛的介电材料，其介电常数εr为16~22，由于其原料丰富、成本低廉，引起了各国材料工作者的极大关注[4]。

笔者采用εr = 18的钛酸镁陶瓷作为基板材料来设计滤波器。

由于微带带通滤波器具有设计简单、制作方便、体积小、成本低且便于集成等优点，在MIC和MMIC中得到广泛应用，所以笔者采用微带线结构设计和制作。

和平行耦合线滤波器相比，发夹型带通滤波器具有紧凑的电路结构[5-8]。

发夹型谐振器通过适当的耦合拓扑结构实现滤波，一方面，它是半波长耦合微带线滤波器的一种改良结构，其结构紧凑、尺寸较小而易于集成[5-6]；另一方面，其耦合线终端开路，无需过孔接地，消除了过地孔引收稿日期：2010-07-05 通讯作者：李艳江基金项目：四川省青年基金资助项目（No. JS0303001）作者简介：吴孟强（1970－），男，四川崇州人，教授，主要从事微波材料与器件、能源材料与器件的研究，E-mail: mwu@ ；李艳江（1983－），男，河北邯郸人，研究生，研究方向为微波射频电路及微波器件，E-mail: jinmi68@ 。

第29卷 第 10 期 55李艳江等：高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作 入的误差，从而保证了更好的电性能，因而在微波平面电路的设计与应用中具有广阔的应用前景，特别是在电路尺寸有较严格要求的场合应用广泛，所以笔者采用发夹型结构设计滤波器。

1 基板材料实验用基板材料采用钛酸镁系材料，电性能对比如表1。

表1 掺杂改性的钛酸镁陶瓷的电性能Tab.1 Electric properties of doped MgTiO 3 ceramics材料 εr Q ·f / GHz ρ / (Ω·cm) τε / (10–6℃–1) MT 17.3 49 000 1.2×1012 93 MT-3%CT 18.5 51 000 1.5×1012 5 MT-3%CT-Nd 17.8 65 0009.5×1012 –3MT-3%CT-Ce 18.1 62 000 7.3×1012 2 注：MT 为MgTiO 3；CT 为CaTiO 3；Nd 为Nd 2O 3；Ce 为CeO 2；3%为质量分数。

表1为1 330 ℃烧结的不同掺杂剂改性的钛酸镁陶瓷的电性能，从表1可以看出，陶瓷材料的Q ·f值和绝缘特性在掺杂后有进一步的改善。

图1为纯MgTiO 3与掺杂改性的MgTiO 3陶瓷表面SEM 照片，可以看出，相对于纯MgTiO 3陶瓷[图1(a)]而言，Nd 2O 3与CaTiO 3共掺杂的MgTiO 3陶瓷[图1(b)]晶粒大小均匀度提高，空隙少而细，致密性良好，晶粒表面平滑。

因为Q ·f 值和密度、晶格缺陷、晶粒大小、晶界等密切相关，致密化程度越高，缺陷越少，晶粒分布越均匀，越有利于Q ·f 值的提高。

MgTiO 3-3%CaTiO 3-Nd 2O 3的Q ·f = 65 000 GHz(7.00 GHz)，为目前同类材料中最高；绝缘性能较好且温度系数τε = –3×10–6/ ℃，具有良好的微波特性。

(a)MgTiO 3 (b)MgTiO 3-3%CaTiO 3-Nd 2O 3图1 钛酸镁陶瓷表面SEM 照片Fig.1 SEM surface photographs of MgTiO 3 ceramics2 设计参数2.1 滤波器各参数初值的确定发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，见图2(a)，其信号输入输出方式可采用抽头线和平行耦合方式，本文采用抽头方式。

滤波器的示意图如图2(b)所示，其设计参数包括发夹臂长L 、微带线宽w 和抽头位置t 等。

L 为L = λg /4，re 0g /ελλ= （1）式中：λ0是滤波器中心频率的自由空间传播波长；λg 是滤波器实际波长；基板的相对有效介电常数εre(a) (b) 图2 发夹型滤波器示意图Fig.2 Schematic graph of a hairpin filter可表示为[9])/12(112121r r re w h +−++=εεε （2）式中：h 是基片厚度；w 是微带线线宽。

在采用抽头线耦合的方式时，发夹式滤波器的抽头位置可由公式（3）确定12πarcsin π2Z Q R L t = （3）式中：R 是抽头线阻抗；Z 0是发夹式滤波器的特性阻抗；FBW11+=i i g g Q ，是发夹式谐振器的外部耦合系数，i 是发夹序号；FBW 是相对中心频率的归一化带宽；g i 是滤波器低通原型中的第i 个归一化元件值。

2.2 谐振器的耦合系数耦合系数的计算精确与否直接关系到滤波器设计是否成功。

谐振器的间距和相对位置偏移决定了耦合系数的大小，因此，设计滤波器时，必须完成耦合系数的计算[5]。

实际应用中，对于级联型滤波器，计算相邻谐振器间耦合系数一般使用下面的通用计算公式 101,FBW ++=i i i i g g f K (i =1, 2, …, n –1) （4）式中：n 是滤波器的阶数。

根据以上讨论，可以设计出滤波器的雏型，可以获得该滤波器的性能，但与理想的相关性能尚存在一定差距，所以采用ADS2008软件对设计的滤波器进行优化仿真分析。

3 仿真设计3.1 设计指标滤波器的理想性能指标见表2。

表2 滤波器的性能指标Tab.2 Targets of the filter properties中心频率f 0 / GHz 插入损耗I L / dB 带内波动/ dB阻带衰减/dB (2.6 GHz ，4.0 GHz)3.5 <3 <1 >403.2 初值（1）用高介电常数复合型陶瓷材料做基板，材5 µm 5 µm t Lw (a) (b)56李艳江等：高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作V ol.29No.10Oct. 2010料的参数为：εr = 18，Q ·f = 65 000 GHz (7 GHz)；基板厚度为0.8 mm ，相对磁导率µr = 1；金属电导率= 5.88×107 S/cm ；微带线厚度4 µm ；损耗角正切= 1×10–4，表面粗糙度=1×10–4 mm 。