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利用Multi-Mix^®技术堆叠交指滤波器

James Logothetis、Kevin Spencer，Crane Aerospace & Electronics

滤波器通常用于微波频率转换器模块，对信号进行信道化处理。由于大多数应用都需要多个滤波器，因此尺寸成为一个关键的参数，尤其是L波段和S波段内的滤波器。由于拓扑结构固有的尺寸效率，交指滤波器（Interdigital Filter）是一个不错的选择，但要显著减少滤波器的面积，还需要一种堆叠滤波器的方法。本文介绍了一种采用Multi-Mix^®技术的策略，即在一个共同的基底上堆叠滤波器，从而减小转换器模块的尺寸。Multi-Mix是Crane Aerospace & Electronics旗下Merrimac Industries公司开发的一项专利技术。

交指滤波器

交指滤波器拓扑结构紧凑，有助于减小低微波频率下的滤波器尺寸。体积小是它的优点，但在实施的简易性和对谐振器接地的敏感性方面却有很大的折衷。典型的印制交指滤波器使用电镀通孔或电镀通槽将谐振器接地。接地几何形状的相关电抗会使滤波器与合成尺寸不一致，但可以通过使用现有的分析软件来优化性能，并根据介电常数（ε_r）、基板厚度和蚀刻公差的变化来过度设计（overdesign）带宽和选择性。

使用滤波器合成工具，可以生成一个包含材料Q值的初始模型。这就是过度设计的起点，这样就可以将现实世界中的变化吸收到无需调整的方法中。必须在设计中加入更宽的通带，以允许中心频率发生偏移，并通过选择足够阶数的滤波器，在模型的选择性中增加约10dB的近距离抑制。图1a为交指滤波器优化模型的示意图。

由于谐振器接地的典型特征，始终需要对初始合成模型进行优化。优化模型的相应频率响应如图1b所示。模型生成的布局用于构建交指滤波器的三维电磁（EM）物理模型。

图2a显示了典型的交指滤波器HFSS模型。图中，多层熔接条纹模块中显示了多个滤波器，但最初的电磁建模应隔离为单个滤波器，以捕捉谐振器线宽和间隙随介电常数、地平面间距和蚀刻公差的变化。电磁模型的相应标称频率响应如图2b所示。

电磁模型可用于包括最坏情况下的性能变化，从而确定是否可以吸纳材料和制造公差的影响，或者是否需要减轻这些影响。图3a显示了三维电磁模型的通带响应，由于介电材料厚度公差（B=0.060±0.003英寸），导致地平面间距变大；图3b显示了基底材料介电常数公差（ε_r=3±0.04）的影响；图3c显示了制造工艺导致谐振器线宽和间隙尺寸的蚀刻公差（±0.0005英寸）。介质材料厚度引起的性能变化会影响地平面间距，进而影响带宽。这种变化通常过于剧烈，无法被无调整设计所吸收。层压材料的介电厚度公差范围为±0.001至±0.003英寸。典型的±0.0015英寸公差会导致带宽发生重大变化，因为较厚的接地平面间距会扩大带宽，而较薄的接地平面间距则会缩小带宽。通常情况下，近距离抑制要求不能容忍这种变化，因此需要在更小的公差范围内通过测量和选择厚度来缓解这种变化。

可能需要几种不同的电路来匹配可用的材料，但在制造前应指定并测量层厚度。由材料介电常数引起的性能变化通常会被L波段和S波段的低微波频率设计所吸收。如果需要在较高频率设计或更严格的频率公差条件下缓解这一变化参数，则有两种选择。给定材料批次的介电常数是非常一致的，因此可针对每个新材料批次运行ε_r=3的基准设计，如有需要，还可迭代电路以补偿特定批次。另外，还可以在面板阵列中加入几种设计，谐振器的长度可以稍长或稍短，以配合ε_r变化引起的中心频率的增减。这样可以确保测试面板始终有一定的产量。对于这批材料来说，这一程序将确定滤波器生产中使用的最佳电路。谐振器线宽和间隙尺寸的蚀刻公差导致的性能变化很小，公差为0.0005英寸，因此这种变化通常会被设计吸收。

制造印制交指滤波器的最大挑战在于钻孔与图案的配准。这种变化的典型表现是作为谐振器基础的通孔图案会发生轴向偏移。这种偏移是沿着印刷滤波器图案谐振器中心线的一个方向发生的。从图2a的HFSS模型中可以看到这种现象的直观表现，在该模型中，接地通孔都向负X方向移动。在这种情况下，交指谐振器在滤波器的一侧变长，而在另一侧变短。这种长短交替的偏移导致频带中部出现驻波比驼峰。图4a的振幅与频率响应和图4b的回波损耗与频率响应显示了轴向通孔偏移的影响。这种影响比大多数分析软件预测的更为敏感。例如，根据滤波器的具体特性（阶次、频率、带宽等），图4a中显示的接地通孔轴向偏移0.010英寸时的驻波比效应大小，更有可能发生在轴向偏移值小得多的情况下。一个好的目标是将钻孔与图案之间的差异控制在0.002英寸以内。幸运的是，直接成像技术可用于将阵列中的每个滤波器图像与基板上钻孔和电镀的实际通孔图案对齐。

堆叠滤波器

带状交指滤波器可作为蚀刻电路的熔接组件来实现，这些蚀刻电路带有电镀通孔、镀边（包边）接地和表面贴装接口。堆叠式滤波器的熔接工艺首先采用市售的聚四氟乙烯（PTFE）复合铜箔层压材料，这种材料具有固有的低介质损耗和稳定的微波特性。接近铜的低Z轴热膨胀系数（CTE）确保了电镀通孔以及盲孔和埋孔的可靠性。此外，低而均匀的介电常数热系数与低CTE相结合，可在较宽的工作温度范围内实现稳定的电气性能。带状滤波器电路图案和传输线几何形状是在铜上进行化学光蚀刻的，尺寸公差保持在±0.0005。层与层之间的电镀通孔（盲孔和埋孔）的最小直径为0.005英寸。适当尺寸和间距的盲孔和埋孔在各层中使用，以创建匹配的阻抗结构，连接各层之间并穿过间隙接地平面。这些过孔还能隔离接地平面内的线路和滤波器。在特定层内实现高度隔离的能力可进一步缩小尺寸，消除不必要的共振。熔接是通过将阵列滤波器层的面板堆叠在夹具中来实现的。在该夹具上施加经过精心控制的均匀压力和温度，以满足基板熔接的要求。熔接后，堆叠的滤波器边缘镀铜，以实现EMI屏蔽和接地平面完整性，然后根据不同的应用，镀上退火亚光锡、锡/铅或镍/金。

这种堆叠的工作频率范围从甚高频到Ka波段都已得到证实，但该策略取得成功的一个基本要素是电磁建模。全滤波器布局的电磁建模非常重要，因为没有机会对粘合组件进行调整。为了准确预测性能，还应对全滤波器模型的最终形式进行评估，将其安装到母板上，就像在集成模块组件中一样。图5是一个实际的2.9GHz熔接滤波器的照片，尺寸为0.75×0.75×0.07英寸。该滤波器的测试数据见图6，在1GHz带宽范围内，插入损耗小于3dB，回波损耗大于15dB。

利用熔接方法，可以轻松地将单层滤波器扩展到堆叠配置，使用电磁软件对层过渡进行建模，并通过熔接实现孔与孔之间的互连。在这种情况下，上层滤波器的端口连接需要通过间隙接地平面过渡，以实现表面贴装基底面。图7显示了这种过渡几何形状的HFSS模型，以及这种过渡的回波损耗。

图8显示了S波段堆叠滤波器结构的完整HFSS模型。在该模型中，两个堆叠滤波器所占的表面积与单个滤波器相同。堆叠滤波器的照片如图9所示。该滤波器的尺寸为0.75×0.75×0.13英寸。同样，这种方法也可用于在相同的表面积内堆叠多达四个滤波器。

堆叠、开关式滤波器

堆叠式滤波器大大减少了频率转换器和其他集成微波模块中射频滤波所需的面积。对于需要开关滤波器的应用，堆叠滤波器组件可安装在集成微波模块的母板上，以便与模块内的开关连接。另一种方法是将开关集成在堆叠滤波器内。在这种情况下，开关和相关电路安装在堆叠滤波器组件内部或顶部。在L波段、S波段和C波段中，有几种熔接开关式滤波器组被制作成六层和十二层结构。图10显示了使用四个滤波器的两种不同的开关式滤波器组。在这些设计中，输入和输出SP4T开关安装在堆叠滤波器元件的内部。图中所示开关式滤波器组的尺寸分别为1.0×2.0×0.31英寸和0.9×2.6×0.15英寸。另一个C波段开关式滤波器组的尺寸为0.8×1.1×0.15英寸。图11显示了两种不同堆叠开关滤波器组的测试数据。如图12a的三维电磁模型所示，这种堆叠开关滤波器组已经扩展到多达八个滤波器组，测量结果如图12b所示。这种方法已用于多达12个通道的多路复用器中。

结论

本文展示了一种采用熔接方法的叠加策略，这种策略可以在一个共同的基底面上减小尺寸，从而实现交指滤波器的叠加。示例展示了熔接-键合如何促进内部结构的相互连接，从而提供均匀的元件。由于在此过程中使用了温度稳定的材料，因此所产生的元件在极端温度下性能也很稳定，并能经受MIL-STD筛选的严格考验。其中一些滤波器已通过机载和太空应用认证。Multi-Mix在许多应用中都被用来集成滤波器和多层微波组件中的各种功能元件。事实证明，Multi-Mix技术在减小尺寸和重量、功率处理以及优异的电气和可靠性方面具有吸引力。本文中的例子展示了Multi-Mix技术作为一种差异化技术的能力，使设计人员能够更灵活地进行集成。

图1：(a)交指滤波器优化模型示意图。(b)交指滤波器优化模型的频率响应。

图2：(a)交指滤波器物理三维电磁模型。(b)交指滤波器电磁模型的频率响应。

图3：(a)三维电磁模型的通带响应，显示地平面间距引起的变化。(b)三维电磁模型的通带响应，显示介电常数的变化。(c)三维电磁模型的通带响应，显示蚀刻公差引起的变化。

图4：(a)轴向偏移接地孔对振幅影响的HFSS模型。(b)轴向偏移接地孔对回波损耗影响的HFSS模型。

图5：2.9GHz熔接表面贴装滤波器。

图6：2.9GHz熔接表面贴装滤波器的测试数据。

图7：穿过间隙接地平面的内部通孔过渡的HFSS模型。

图8：HFSS模型显示了熔接表面贴装堆叠滤波器的内部结构。

图9：熔接表面贴装堆叠滤波器。

图10：带有四个滤波器的熔接堆叠开关滤波器组。

图11：四滤波器堆叠熔接-键合开关滤波器组的数据。

图12：(a)带有八个滤波器的熔接堆叠开关滤波器组的三维电磁模型。(b)带有八个滤波器的熔接堆叠开关滤波器组的测量结果。