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 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）10-0054-04
Design and fabrication of hairpin bandpass filter with high reliability LI Yanjiang, WU Mengqiang, PE
NG Sen, ZHOU Xiaohua, ZHANG Shuren (State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, University of Electronic Science and Technology of
韩寒China, 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)] with
a thickness of 0.8 mm. The results show that the fabricated filter exhibits excellent port-reflection performance and high
reliability, meeting the requirements of the special communication application iin the frequency band from 3.25 GHz to
3.75 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@uestc.edu ；
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@163 。
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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 65 000
9.5×1012 –3
MT-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
坠入魔法世界
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 ceramics
2 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(112
1
2
1r 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；FBW
1
1+=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
吡啶甲酸
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 1
01,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 >40
3.2 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 L
w (a) (b)
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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.10
Oct. 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 。
（2）根据微带线的偶模和奇模阻抗[9]，按照给定的微带线电路板的参数，利用ADS2008软件中的微
带线计算器LineCalc 计算得到微带线的几何尺寸：w = 0.392 mm ，L = 6.362 mm 。
（3）根据需要确定滤波器主要技术指标，利用带通滤波器频率变换公式
⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝
⎛−−=
L U L
U 0f f f f f f f Ω （5） 式中：Ω为相应切比雪夫类型低通滤波器原型的归
一化频率；上边频f U = 3.75 GHz ；下边频f L = 3.25 GHz ；f = 2.60 GHz ；计算得Ω = 4.156 4。带内波纹取0.5 dB ，在2.60 GHz 处衰减大于40.0 dB 。
查归一化滤波器衰减特性与阶数图，可知在2.60阿托品滴眼液
GHz 处衰减大于40.0 dB ，
滤波器的阶数n 可取5[10]，对应的归一化参数为：g 1 = g 5 = 3.481 7，g 2 = g 4 = 0.761 8，g 3 = 4.538 1。
（4）发夹臂长取L = 6.362 mm ，微带线宽为0.392 mm 。抽头位置可根据（3）式进行估算，可设为1.000 mm 。发夹间距S 可由耦合系数估算，因该发夹型滤波器采用左右对称的结构，取第一个发夹与第二个发夹的间距S 1 = 0.300 mm ，第二个和第三个发夹的间距S 2 = 0.500 mm 。 3.3 仿真分析与优化 3.3.1 仿真分析
根据上述计算的发夹状滤波器的各个参数可以大致确定滤波器的拓扑结构，仿真结果如图3所示。从图3可以看出，S 21参数曲线显示出一个带通滤波器的形状，但是其通带内衰减较大，与设计目标相差较大；带宽为3.17~3.95 GHz ，偏大；中心频率移至3.66 GHz ；滤波器插损在通带内较大，差值约为1.2 dB ，滤波器存在较大的端口反射系数。因此，需要对其进行优化，使其指标满足设计要求。
通过调谐发现，发夹间距在很大程度上决定了微带滤波器的带宽，而发夹臂长则影响滤波器的中心频率，与理论相吻合。另外，抽头位置以及微带线的长度和宽度则对带内衰减、带外衰减以及端口反射等影响较大，这是因为微带线的长度、宽度以及抽头的位置影响滤波器端口的阻抗，通过调节其参数值可以实现最佳阻抗匹配。考虑到理论计算与仿真结果可能存在的偏差，设计过程可适当增加通
带宽度以实现较好的匹配。经过多次优化仿真得到的滤波器仿真结果如图3所示。
(a) 原理图仿真曲线
图3 滤波器仿真曲线
Fig.3 Simulating curves of the filters
3.3.2 版图仿真
由原理图生成的版图仿真曲线如图4所示。图4表明，通带3.25~3.75 GHz 内衰减小于1.0 dB ，阻带衰减也在40.0 dB 以上，满足设计指标要求。观察图4的S 11曲线，可得滤波器带内端口处反射系数约为17 dB ，满足工程上设计指标要求。
图4 版图仿真曲线
Fig.4 Stimulating curves of the layout plate
4 制作及测试
经过配料-加粘合剂-喷雾造粒-烧结等工艺制成基板，在陶瓷基板上磁控溅射NiCr/Cu 膜，厚度分别是80 nm 和4 µm ，然后经过光刻和刻蚀等工艺。最终，所制备的滤波器实物图和用Agilent 矢网分析仪测试的结果如图5所示。滤波器的尺寸为10.0 mm×8.0 mm×0.8 mm ，与用Al 2O 3做基板制作的同样性能的滤波器相比，尺寸大大缩小。滤波器带宽
2 3 4 5f / GHz 0
词牌名春–20
–40
–60
m 1 m 2 m 2
f =3.66 GHz S 11=6.198 dB 迭代数= 0m 1
f =4.05 GHz S 21= –1.230 dB
迭代数 =
–20m 1 2 3 4 5f / GHz
–20–40–60
–80m 1 m 2 m 2 f =3.50 GHz S 11=0.925 dB m 3 f =4.35 GHz S 21= –40.3 dB
m 1 f =3.66 GHz S 11=–17.471 dB
m 3
第29卷 第 10 期 57
李艳江等：高可靠性发夹型带通滤波器的设计与制作 3.30~3.75 GHz ，带内插损大约是1.8 dB ，中心频率在3.51 GHz 。高频端性能有所恶化，原因是测试过程焊接SMA 接头时焊锡滴落在微带线上，与靠近SMA 的发夹连在一起，导致滤波器端口阻抗不匹配，S 21曲线右端上翘。经过多次反复试验，研究结果表明，随温度变化，用新材料制作的滤波器带宽、中心频率、插损等性能变化很小，满足SMT 组装要求的体积小和可靠性高的要求。
(a) 滤波器实物
(b) 滤波器测试曲线
电子元件与材料图5 滤波器实物及测试曲线 Fig.5 The filter and its measured curve
5 结论
（1）在原料丰富、成本低廉、高介电常数、微
波性能好的钛酸镁系陶瓷基板[MgTiO 3-3% CaTiO 3-Nd 2O 3，εr = 17.8，Q ·f = 65 000 GHz (7.00 GHz)]上设计和制作的微波发夹型陶瓷滤波器，具有体积小，损耗低和可靠性高的优点。
（2）利用仿真软件ADS2008对发夹型微带线带通滤波器进行仿真分析，可避免实际工作中理论设计时查表的不准确性和计算的麻烦，同时可大幅度缩短滤波器设计周期，减少了设计成本，且获得较好的性能指标。
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（编辑：陈渝生）
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据媒体报道，华南理工大学化学与化工学院博士生杜丽经过反复试验，制备出一系列具有不同形貌的介孔硅材料。在此基础上，她设想可以利用一种空心球状的介孔材料来储存药物，然后在空心球的孔道上增加智能纳米阀门，通过控制阀门的关闭和打开，用来实现对药物的储存与智能释放。这一科研
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物理法制备太阳能电池级多晶硅技术具有低耗能、无污染且转换率高的特点。只需将天然开采的硅石，加热至上千摄氏度后变成硅水，然后将硅水立即冷凝处理，就可以达到纯度99.9%的工业硅，再将工业硅进行“过滤”，取出主要影响太阳能光伏电池板的磷、硼元素后，就可将硅的纯度提升至99.999%。
据介绍，采用这种方法提炼出的多晶硅，较同种纯度的多晶硅，其成本可降低l/4至1/3。
业界人士表示，该技术大规模推广应用后，将从根本上解决困扰国内外光伏业界长达数十年的光伏专用多晶硅材料短缺问题，提高太阳能光伏发电的应用普及速度，并将改变人类能源开发和利用的格局。
[摘自《功能材料信息》, 2010, 7(3)]
2.5 2.9
3.3 3.7
4.1 4.5 f / GHz 0–
5.00–10.00
–15.00
–20.00–25.00
–30.00
–35.00–40.00
S 21 / d B
1.3510 GHz, –1.826 4 dB
BW: 0.45 GHz 1
豫公网安备41160202000603
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