涂膠調(diào)整濾波器頻率偏差的方法分析

李 健，郭戰(zhàn)魁，脫英英

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

1 引言

在無線通信系統(tǒng)中，為了篩選頻率、濾除干擾信號、減小信道間的信號串?dāng)_，平面濾波器被越來越廣泛地應(yīng)用[1-4]，發(fā)揮著舉足輕重的作用。經(jīng)過仿真設(shè)計、工藝加工、測試驗證等反復(fù)迭代得到的濾波器，由于制備基板材料參數(shù)的波動、工藝加工偏差、應(yīng)用環(huán)境的變化等原因，經(jīng)常出現(xiàn)濾波中心頻率發(fā)生偏差、不能滿足使用要求的問題[5-6]。如果每次使用條件變化都重新設(shè)計圖紙、調(diào)整制備工藝參數(shù)，會大大延長生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)成本，因此需要尋找一種高效便捷的方法對濾波器頻率出現(xiàn)偏差的問題進(jìn)行處理。目前，通過激光減材或微隙焊的方法改變?yōu)V波器枝節(jié)線的長度或間隙可以對濾波器中心頻率出現(xiàn)偏差的問題進(jìn)行有效調(diào)整，但是激光減材所需設(shè)備價格昂貴、加工效率低、耗時長，微隙焊金帶則存在調(diào)整精度控制難、工序多、可靠性差等問題。

眾所周知，在微波電路中改變傳輸線的等效介電常數(shù)可以改變等效電感、等效電容和電長度等的值[7-8]。因此如果在平面濾波電路表面涂覆絕緣膠脂，改變?yōu)V波電路的等效介電常數(shù)，則濾波器的諧振頻率會發(fā)生變化，進(jìn)而實現(xiàn)對濾波器的頻率偏差進(jìn)行微調(diào)。這種方法耗時短，效率高；涂膠參數(shù)方便可控，頻率偏差調(diào)整精度高；不需昂貴設(shè)備，成本低。本文采用建模仿真和實物驗證相結(jié)合的方法分析平面電路涂膠對濾波器各性能參數(shù)的影響，驗證該方法的可行性。

2 仿真分析

發(fā)夾型微帶濾波器由多個彎折的1/2波長的分布式諧振單元構(gòu)成，各相鄰諧振單元相互耦合實現(xiàn)濾波功能。每一個諧振單元可以看做由分布電感和分布電容組成的LC諧振電路，在微帶線表面涂覆絕緣介質(zhì)，傳輸線的有效介電常數(shù)增大，諧振單元的電感值和電容值發(fā)生改變，導(dǎo)致濾波器的中心頻率發(fā)生移動。

為具體了解微帶濾波器在表面涂膠后的性能變化，首先以微波電路中經(jīng)常用到的小體積、高性能的12階發(fā)夾型微帶結(jié)構(gòu)濾波器為例仿真分析涂膠對濾波器各性能參數(shù)的影響。濾波器的技術(shù)指標(biāo)為：工作頻率10.2～12.0 GHz，帶內(nèi)插損S21小于2 dB，帶內(nèi)波動小于0.5 dB，帶內(nèi)回波損耗S11大于10 dB，帶外抑制大于20 dB（通帶邊緣偏移600 MHz）。采用三維電磁仿真軟件HFSS建立12階發(fā)夾型帶通濾波器的仿真模型，見圖1（a）。濾波器基材為陶瓷基板，介電常數(shù)為9.8，厚度為0.508 mm。絕緣膠脂選擇吸水率小、粘附性強、抗老化能力強的氟塑料密封膠。在濾波器表面整體涂覆氟塑料密封膠，密封膠的介電常數(shù)為3.8，膠厚設(shè)為仿真變量H，變化范圍為0.02～0.1 mm，步進(jìn)為0.02 mm，仿真模型見圖1（b）。

圖1 12階發(fā)夾型帶通濾波器的仿真模型

仿真結(jié)果見圖2，可以看到電路表面未涂覆氟塑料密封膠時濾波器的通帶頻率為10.2～12.0 GHz，中心頻率為11.1 GHz，通帶寬度為1.8 GHz，帶內(nèi)插損S21小于1.8 dB，帶內(nèi)波動小于0.5 dB，帶內(nèi)回波損耗S11大于13.6 dB，帶外抑制大于26.1 dB（通帶邊緣偏移600 MHz）。當(dāng)在濾波電路表面涂覆氟塑料密封膠后，濾波器的通帶頻率向低頻移動，并且移動量隨著膠厚H的增加而增大。當(dāng)氟塑料密封膠的厚度H=0.1 mm時，通帶頻率為9.7～11.5 GHz，中心頻率為10.6 GHz，通帶寬度為1.8 GHz，帶內(nèi)插損小于2.0 dB，帶內(nèi)波動小于0.6 dB，回波損耗大于13.3 dB，帶外抑制大于25.5 dB（通帶邊緣偏移600 MHz）。

圖2 12階發(fā)夾型帶通濾波器的S21和S11仿真曲線

由仿真結(jié)果可知，涂膠后濾波器的通帶頻率向低頻方向移動。因此當(dāng)發(fā)夾型濾波電路的通帶頻率出現(xiàn)高頻偏差時，可以通過在電路表面涂覆氟塑料密封膠的方法進(jìn)行調(diào)整，偏差越大，需涂膠厚度越厚。同時需注意涂膠后濾波器的帶內(nèi)損耗略有增加，但是通帶寬度、帶內(nèi)波動、回波損耗和帶外抑制均未發(fā)生明顯惡化。仿真結(jié)果表明在電路表面涂覆氟塑料密封膠調(diào)整濾波器頻率偏差的方法可行。

3 試驗測試

為驗證仿真結(jié)論，采用薄膜工藝制備12階發(fā)夾型帶通濾波器，樣件實物見圖3，其中圖3（a）為電路表面未涂覆氟塑料密封膠的濾波器，圖3（b）為電路表面涂覆氟塑料密封膠后的濾波器。將濾波器用H20E導(dǎo)電膠粘接在裝有SMA接頭的測試夾具中進(jìn)行測試，測試用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀型號為Agilent N5230C，測試頻段為9～13 GHz，測試前對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后進(jìn)行測試。

圖3 濾波器實物

12階發(fā)夾型帶通濾波器在涂覆氟塑料密封膠前后的S21和S11曲線見圖4。在涂覆氟塑料密封膠前，濾波器的通帶頻率為10.2～12.0 GHz，中心頻率為11.1 GHz，通帶寬度為1.8 GHz，帶內(nèi)插損S21小于7.4 dB，帶內(nèi)波動小于1.4 dB，帶內(nèi)回波損耗S11大于11.5 dB，帶外抑制大于37.5 dB（通帶邊緣偏移600 MHz）。將氟塑料密封膠均勻涂覆在濾波器表面，通過臺階儀測試得到氟塑料密封膠的厚度為0.04～0.06 mm。在相同的測試條件下測得濾波器的通帶頻率為9.7～11.5 GHz，中心頻率為10.6 GHz，通帶寬度為1.8 GHz，帶內(nèi)插損小于9.8 dB，帶內(nèi)波動小于2.0 dB，帶內(nèi)回波損耗大于10.5 dB，帶外抑制大于38.3 dB（通帶邊緣偏移600 MHz）。

圖4 12階發(fā)夾型帶通濾波器涂覆氟塑料密封膠前后S21和S11的實測曲線

測試結(jié)果表明在濾波電路表面涂覆厚度為0.04～0.06 mm的氟塑料密封膠后，濾波器的中心頻率向低頻偏移500 MHz，帶內(nèi)損耗增加2.4 dB左右，通帶寬度和帶外抑制未發(fā)生明顯改變，帶內(nèi)波動和回波損耗略微變差。實測結(jié)果與仿真結(jié)論基本一致，證實了在電路表面涂覆氟塑料密封膠可以有效地對濾波器頻率偏差的情況進(jìn)行調(diào)整，同時不會對其他性能參數(shù)產(chǎn)生較大影響。

為驗證涂膠調(diào)整濾波器頻率偏差的通用性，在開路枝節(jié)線型、交指型、平行耦合線型和懸置線型等平面濾波器的表面均涂覆氟塑料密封膠，測試涂膠前后濾波器的射頻性能，不同類型的濾波器均發(fā)生中心頻率向低頻方向移動的現(xiàn)象，同時其他性能參數(shù)未發(fā)生明顯變化。這證實了采用在濾波電路表面涂覆氟塑料密封膠的方法解決濾波器頻帶高頻偏差的通用性，同時這種濾波電路頻率偏差的調(diào)整方法操作簡便、效率高、成本低，具有較高的工程應(yīng)用和推廣價值。

4 總結(jié)

通過在電路表面涂覆氟塑料密封膠的方法實現(xiàn)濾波器頻帶高頻偏差問題的調(diào)整，建立12階發(fā)夾型帶通濾波器的仿真模型，仿真結(jié)果表明涂膠后濾波器的中心頻率會向低頻偏移，帶內(nèi)損耗略有增加，其他性能參數(shù)基本不變。制備濾波器實物樣件，在其表面涂覆一層厚度為0.04～0.06 mm的氟塑料密封膠后，測得濾波器的中心頻率向低頻偏移500 MHz，帶內(nèi)損耗增加2.4 dB左右，其他性能參數(shù)幾乎不受影響，測試結(jié)果與仿真結(jié)論基本一致，證實了該方法的可行性。