中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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三、中庸之道-介質(zhì)濾波器
電影《蟻人》中，主角通過皮姆粒子重新排布分子結(jié)構(gòu)，質(zhì)量與量子空間交換，可以實(shí)現(xiàn)體積大幅縮小。在濾波器領(lǐng)域不需要這么復(fù)雜。當(dāng)我們嫌棄腔體濾波器的巨大體積，又愿意犧牲功率和損耗的時(shí)候，我們可以借助一個(gè)關(guān)鍵公式：波長=波速/頻率，而波速=光速/根號(hào)下介電常數(shù)：
濾波器的尺寸，主要由波長λ決定。在介質(zhì)材料中，由于介電常數(shù)的存在，波速會(huì)比真空中波速c變慢，從而波長降低，濾波器體積減少。如果介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)
，則波速v會(huì)變?yōu)樽杂煽臻g中波速的
，波長因此相應(yīng)減小，減少濾波器體積減少。根據(jù)公式可知，腔體濾波器可以視為介質(zhì)濾波器在介電常數(shù)的
特例。
圖：腔體濾波器到介質(zhì)濾波器體積縮小示意圖
常見的射頻用介質(zhì)濾波器主要分為三類：Monoblock、介質(zhì)波導(dǎo)和介質(zhì)電容加載波導(dǎo)。
圖：常見介質(zhì)濾波器的典型分類
Monoblock濾波器，其相當(dāng)于在介質(zhì)上做了一個(gè)金屬同軸濾波器，所有諧振單元和耦合結(jié)構(gòu)集成在單一陶瓷塊內(nèi)。陶瓷內(nèi)部的金屬化通孔相當(dāng)于金屬同軸的接地細(xì)圓柱，陶瓷表面的方形金屬相當(dāng)于金屬同軸的圓盤，同樣起到電容加載的作用。但是，Monoblock濾波器的耦合實(shí)現(xiàn)形式?jīng)]有金屬同軸那么靈活，除了調(diào)節(jié)諧振柱之間的遠(yuǎn)近外，就只能通過改變介質(zhì)上層表面金屬圖案來改變耦合。目前實(shí)際中Monoblock濾波器主要應(yīng)用于600MHz—8GHz，其Q值一般在500-700區(qū)間，功率容量10W以內(nèi)。Monoblock濾波器的尺寸在2GHz只有約25mm*6mm*8mm，這對(duì)于金屬同軸（典型尺寸約400mm*300mm*75mm）有顯著降低，是性能向尺寸妥協(xié)的一個(gè)經(jīng)典案例。
圖：Monoblock單諧振腔 & 濾波器示意圖
圖：Monoblock濾波器響應(yīng)曲線
而如果將前文的金屬波導(dǎo)濾波器內(nèi)部填充上介質(zhì)，則稱之為介質(zhì)波導(dǎo)濾波器，其由金屬波導(dǎo)形式演進(jìn)而來，大幅降低了濾波器的尺寸。濾波器由相互獨(dú)立的介質(zhì)波導(dǎo)諧振腔組成，各個(gè)腔之間的耦合依靠開窗/縫隙實(shí)現(xiàn)，最終依靠焊接將幾個(gè)諧振腔拼起來構(gòu)成濾波器。
圖：介質(zhì)波導(dǎo)體積大幅縮小示意圖
后面陸續(xù)有學(xué)者和工程師將金屬波導(dǎo)中的各種技術(shù)運(yùn)用到介質(zhì)波導(dǎo)中，例如介質(zhì)波導(dǎo)三模濾波器，通過加載相對(duì)介電常數(shù)44的陶瓷介質(zhì)，成功把1800MHz頻段的濾波器的最大尺寸降到30mm左右，大幅縮小波導(dǎo)濾波器的體積。但是這種形式的濾波器要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)有較高的挑戰(zhàn)，一是因?yàn)樾枰獙讐K介質(zhì)諧振腔拼到一塊，需要的精度要求比較高，尤其是在開窗耦合處，否則會(huì)影響濾波器的性能；二是調(diào)諧困難，會(huì)增加調(diào)試成本。
圖：三模介質(zhì)波導(dǎo)濾波器及結(jié)果圖
最后再進(jìn)一步折中，介質(zhì)波導(dǎo)電容加載濾波器登場(chǎng)，解決了上述兩個(gè)問題。一是粉體燒制成坯后，將介質(zhì)表面金屬化，單層介質(zhì)一次成型，無需拼接；二是引入加載電容的盲孔，通過打磨，可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的正向和反向調(diào)節(jié)。如下圖所示，介質(zhì)波導(dǎo)電容加載濾波器每個(gè)諧振腔上有一盲孔，該盲孔在諧振腔中心（電場(chǎng)最強(qiáng)處），引入了比較強(qiáng)的電容。因此打磨盲孔的底部，可以提高諧振頻率；打磨盲孔的側(cè)壁，可以降低諧振頻率，實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)節(jié)。兩個(gè)諧振腔的耦合使用開窗或者深盲孔實(shí)現(xiàn)。這類濾波器在介質(zhì)濾波器品類中具有均衡的性能、功率容量和體積、成本，因此應(yīng)用日益廣泛。
圖：電容加載介質(zhì)濾波器
圖：典型響應(yīng)曲線
由于目前介質(zhì)波導(dǎo)電容加載濾波器的廣泛應(yīng)用，學(xué)者和工程師們也進(jìn)行了諸多研究。例如，通過兩個(gè)垂直的金屬化盲孔引入兩個(gè)非簡并的TEM模式，有降低40%尺寸的潛力；將該濾波器技術(shù)拓展至四工器，實(shí)現(xiàn)了1.8/2.1GHz四工器，與金屬同軸四工器相比體積減小了至少4倍；通過盲孔負(fù)耦合與通孔寄生耦合的協(xié)同作用，在通帶兩側(cè)可生成對(duì)稱的傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的靈活調(diào)控等等。
圖：雙模介質(zhì)波導(dǎo)電容加載濾波器及測(cè)試結(jié)果
四、小型化-平面類濾波器
在《三體-死神永生》中，歌者文明向太陽系發(fā)射了二向箔，二向箔能將接觸到的三維空間中的一個(gè)維度無限蜷縮，導(dǎo)致立體空間塌陷，變成二維平面空間。三體中的二向箔把整個(gè)太陽系從三維變成了二維，導(dǎo)致太陽系中的所有生命和物質(zhì)被毀滅。
濾波器也有自己的“二向箔”，但不是為了毀滅，而是繼續(xù)小型化。在一些對(duì)高度受限、使用頻率較高的場(chǎng)景，我們把介質(zhì)濾波器“拍扁”，從三維變?yōu)槎S，就可以得到微帶濾波器，再進(jìn)一步折疊得到多層濾波器。這兩類濾波器在需要和板級(jí)集成的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
圖：常見平面濾波器的典型分類
微帶濾波器中介紹最普通的開口環(huán)諧振器，對(duì)于每個(gè)諧振單元來說，因其雙端開路的邊界條件，單元長度為λ/2。兩個(gè)諧振單元之間依靠縫隙形成耦合。和金屬同軸類似，微帶濾波器也可以進(jìn)行電容加載—階梯阻抗微帶濾波器，如下圖所示，將普通開口環(huán)的開路端寬度變寬，電容加載變大，濾波器整體尺寸進(jìn)一步降低，當(dāng)然對(duì)諧波抑制也有一定優(yōu)勢(shì)。
圖：微帶開口諧振環(huán)
圖：階梯阻抗微帶濾波器實(shí)物圖
圖：微帶濾波器典型響應(yīng)曲線
相關(guān)學(xué)者在雙模/多模微帶濾波器上面做了很多工作，使濾波器更緊湊、更容易實(shí)現(xiàn)寬帶，帶外抑制特性更好。例如對(duì)環(huán)形諧振器的簡并模進(jìn)行微擾來控制傳輸零點(diǎn)在實(shí)軸或虛軸；通過加載雙T型短枝節(jié)至均勻阻抗諧振器（UIR）實(shí)現(xiàn)65%以上的相對(duì)帶寬。
圖：寬帶雙T型短枝節(jié)濾波器及其結(jié)果圖
微帶濾波器雖然在厚度上變薄了，但面積依然很大，如果要實(shí)現(xiàn)面積減小，借鑒介質(zhì)濾波器的方法，可以將PCB襯底從低介電常數(shù)的樹脂材料變?yōu)楦呓殡姵?shù)陶瓷材料，同時(shí)由于陶瓷材料損耗正切很低因此很適合高頻應(yīng)用，這就是微帶濾波器的一個(gè)高頻應(yīng)用分支——薄膜濾波器，如下圖。
圖：薄膜濾波器及其典型響應(yīng)曲線
但上述工作仍不能彌補(bǔ)微帶諧振器的Q值相對(duì)較低（50-200）的缺陷，從前文中也可看出，微帶濾波器插損相比介質(zhì)濾波器進(jìn)一步惡化。除導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗外，相比于封閉腔體又增加了輻射損耗，因此微帶濾波器實(shí)際應(yīng)用很受限，僅在大帶寬或者僅有遠(yuǎn)端抑制的場(chǎng)景。為解決該問題，相關(guān)學(xué)者教授們提出了把波導(dǎo)“二向箔”化的結(jié)構(gòu)—基片集成波導(dǎo)（SIW）。
圖：SIW濾波器及其響應(yīng)曲線
典型的SIW濾波器如下圖所示，其整體結(jié)構(gòu)由上下層金屬、介質(zhì)板、金屬化過孔構(gòu)成。金屬化過孔聯(lián)同上下層金屬構(gòu)成了近乎封閉的諧振腔，輻射損耗幾乎可以忽略不計(jì)。與微帶線不同，SIW的電磁場(chǎng)分布更為均勻，避免邊緣場(chǎng)集中導(dǎo)致?lián)p耗與功率的限制。SIW濾波器在毫米波頻段應(yīng)用較多，下圖給出了38GHz發(fā)信機(jī)的版圖，可以看到整塊版圖使用了5個(gè)SIW濾波器。它提供了尚可的Q值（400左右）和易于集成的結(jié)構(gòu)，與微帶、CPW等平面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換也非常方便。
圖：SIW濾波器在毫米波的應(yīng)用
部分波導(dǎo)中的理解和技術(shù)可以無縫銜接到SIW中，例如對(duì)TE102和TE201模式進(jìn)行擾動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸零點(diǎn)的靈活調(diào)控；通過加載金屬通孔，對(duì)TE模式的頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多模多通帶濾波器等等。隨著SIW濾波器的應(yīng)用越來越廣泛，相信對(duì)其的改進(jìn)也更加天馬行空。
圖：多模多通帶濾波器及其響應(yīng)曲線
同理，如果嫌SIW濾波器面積大，將其襯底介電常數(shù)變高就行，高阻硅因?yàn)槠涞蛽p耗因子和相對(duì)高介電常數(shù)是一個(gè)很好的選擇，而且硅片打孔工藝成熟，很適合SIW濾波器，用該工藝做的SIW濾波器被稱為硅基波導(dǎo)濾波器或者M(jìn)EMS濾波器（硅打孔是基于MEMS工藝）常用于高頻且對(duì)損耗有一定要求的場(chǎng)景，一個(gè)需要注意的點(diǎn)是，硅的熱膨脹率和PCB差異很大，因此如果當(dāng)其焊接在PCB上使用時(shí)要特別小心可靠性開裂問題。
圖：硅基波導(dǎo)濾波器及其典型響應(yīng)曲線
