微帶濾波器和耦合電路的設(shè)計、制作和測量
1 前 言
當(dāng)今的微波設(shè) 計師依賴許多工具來制作高效的電路和系統(tǒng)。他們要利用已有的參考資料和強(qiáng)大的EDA工具和電磁（EM）分析工具，還必須結(jié)合自己的實踐經(jīng)驗來進(jìn)行制作。這 些工作最終需要通過制作電路和測試完成的電路來實現(xiàn)。這篇文章描述了兩個微帶電路設(shè)計是如何使用各種不同工具開發(fā)，用電路板銑制設(shè)備快速制作，然后經(jīng)過測 量來驗證設(shè)計方法的正確性。
樣例中的設(shè)計是一個典型的帶寬3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器和一個1到8GHz的定向耦合器，使用Schi
兩個電路都是用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設(shè)備制作出來的，使用HP(Agilent) 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得測量結(jié)果。
2 設(shè)計樣例 3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器
2.1 設(shè)計
這個濾波器設(shè)計用于在3.7到4.2GHz的帶寬上獲得一個平坦的響應(yīng)。插入損耗和回波損耗在此頻段優(yōu)于16dB。這個濾波器用在下變頻器輸入端進(jìn)行鏡頻抑制。該設(shè)計選用一個典型的發(fā)夾型濾波器，它將能滿足設(shè)計要求的性能和尺寸。
濾波器由ADS1.3設(shè)計，圖1是結(jié)果圖樣。當(dāng)然，這是一個熟悉的發(fā)夾型結(jié)構(gòu)。濾波器占用的面積約為500 x 1200 mils (0.5 x 1.2 in.)，包括用來保持恒定邏輯屬性的發(fā)夾循環(huán)所需的足夠面積。
圖2是在ADS中的設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。這個拓?fù)湫问侵行膶ΨQ的，所以設(shè)計成兩段，由一個“背靠背”結(jié)構(gòu)連接。由于數(shù)學(xué)方面上的結(jié)構(gòu)尺寸減小，計算時間被大大縮減。
圖2，在ADS中的設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)。濾波器以兩個鏡像的圖形塊進(jìn)行仿真，以實現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)
建立優(yōu)化來獲得在通帶3.55至4.4GHz的最小16dB的回波損耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上最小28dB的阻帶衰減。優(yōu)化的頻率范圍是3.0-5.0GHz。更寬范圍不要求獲得預(yù)想的結(jié)果。
圖3，對最終設(shè)計的ADS仿真定義。仿真性能和濾波器圖樣都出自于這里的數(shù)據(jù)
圖3顯示了每一個“半濾波器”的ADS最終設(shè)計，包括端口、微帶線、T形、彎曲和短凸形。注意短凸形的末端的0.1pF電容，說明具有末端效應(yīng)（邊緣電容）。圖1的也有它們的顯示。
圖4，仿真結(jié)果。
（a）全程響應(yīng)；（b）通帶響應(yīng)和插入損耗；（c）回波損耗；（d）Smith阻抗圖
圖4是模型化的性能顯示。包括通帶、阻帶特性、回波損耗結(jié)果以及輸入/輸出阻抗的Smith圖。這些圖表說明ADS模型滿足濾波器的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 EM分析
圖5是濾波器尺寸的詳圖。設(shè)計的數(shù)據(jù)使用Sonnet軟件公司的Sonnet Lite平面電磁場軟件進(jìn)行電路分析。
圖5，濾波器的詳細(xì)尺寸。
圖6是EM分析結(jié)果。通帶的響應(yīng)比ADS預(yù)期的稍稍窄一些，但是如果制作出來的電路性能滿足分析的話，仍將覆蓋3.7到4.2GHz的帶寬。通帶的平坦性 非常接近ADS模型。回波損耗的響應(yīng)在通帶上比ADS仿真的對稱性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。
2.3 制作一個測試濾波器
為了比較發(fā)夾型濾波器設(shè)計模型和現(xiàn)實副本的性能，就要用電路板刻制機(jī)在一塊典型的微波基板上制作一個測試濾波器。（使用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設(shè)備，參見副文）
用ADS的設(shè)計圖樣數(shù)據(jù)（圖1）生成刻制機(jī)必要的驅(qū)動文件。圖形的尺寸直接由ADS導(dǎo)入LPKF軟件。圖7是電路板的制作圖樣。
2.4 測試性能
電路板按照設(shè)計圖樣銑制出來，安裝了連接器后，經(jīng)由HP 8753E網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。圖8是濾波器樣品電路板的性能(S21)和回波損耗(S11)，圖表中每小格代表5dB，顯示了在整個通帶及阻帶的性能狀況，最低達(dá)到-45dB。
圖9和圖8一樣，只是通帶以每小格1dB來顯示通帶的平坦性?；夭〒p耗仍然以每小格5dB顯示。
測試顯示與模型非常一致。通帶比ADS預(yù)期的稍微窄一些，但是比Sonnet Lite分析指示的量稍微小一些。三種模型方式及其測量都指出插入損耗和通帶平坦性上的一致。
雖然在這三種模型和測量數(shù)據(jù)中回波損耗的圖形有所不同，但每一個都保證了預(yù)期的16dB的指標(biāo)，明顯地展示了一個多極濾波器響應(yīng)所預(yù)期應(yīng)有的“弓形”。
3 設(shè)計樣例 一個尺寸精簡的階梯線定向耦合器
3.1 設(shè)計
我們要考察的另一個電路是用經(jīng)驗技術(shù)開發(fā)的。我們想研究采用Schiffman技術(shù)減小電路尺寸的方法。這種技術(shù)是使用一種鋸齒圖樣來減少機(jī)械尺寸以滿足所要求的電氣尺寸。
啟動點選用了一個已有的1至8GHz的階梯線耦合器，由CAP Wireless公司的Paul Daughenbaugh設(shè)計。這一設(shè)計被轉(zhuǎn)換成刻制機(jī)制造用的圖樣，如圖10。這個圖實際顯示了耦合器的另一種版本，但是清晰地展示了這種技術(shù)。
用一種經(jīng)驗性的方法從直段耦合器設(shè)計中來獲得新耦合器的設(shè)計圖案，按照如下的規(guī)則：
●緊密間隙段——鋸齒路徑的總長度與這段的直線部分長度做成一樣。這樣削減了這部分長度的將近一半。在直線部分“互鎖”的牙齒間仍然保持有空間，可以與鋸齒邊呈直角的方式來測量間隙的大小。
●寬間隙段——第三段的線間距根據(jù)牙齒的中間高度計
算出來。在這個寬間距下，假設(shè)按照平均間隙場可以進(jìn)行耦合，而不是沿著第一段的路徑進(jìn)行耦合。同樣，這一段的尺寸削減更少。為了簡化，采用了與原來直線段部分一樣的長度。
●中間段——中間段的間隙和尺寸削減根據(jù)第一段和第三段幾何平均值計算得來。
這個“最佳猜想”的方式是必要的，因為不可能用現(xiàn)有的軟件工具分析這種結(jié)構(gòu)。用Sonnet Lite分析太過復(fù)雜，其他分析工具根本不能用。
3.2 耦合器性能
耦合器用LPKF的刻制機(jī)器制作出來后，要評估耦合等級和在1至8GHz的頻段內(nèi)的指向性。圖11中的耦合端口傳輸信號是一條光滑的線。圖表中部的水平線 是-18dB，網(wǎng)格的每小格是2dB。在測量的頻率范圍內(nèi)耦合為-19dB±1.5dB。同一圖中，輸入的回波損耗以每小格5dB繪制，從頂部數(shù)第二條線 是0dB參考。在最低頻率處回波損耗最大，是16dB。
反向的耦合繪制圖在圖12中，包括輸出端口回波損耗。兩個圖中每小格都是5dB。對于反向耦合，中部線-18dB是參考，耦合為-28dB或更好，位于高 頻端。輸出端口回波損耗采用與圖11中的輸入回波損耗一樣的方法繪制，同樣也在1GHz處性能最差，為16dB。
全程內(nèi)的指向性（正向耦合減去反向耦合）為10dB，位于波段的極高端。設(shè)計目標(biāo)是高于10dB，達(dá)到12dB就可以留出額外空間。絕大部分波段內(nèi)都能留出這個余量，我們就認(rèn)為是一個初始試驗的極好結(jié)果。
圖13是插入損耗，1GHz下為0.25dB，6GHz處最差為0.57dB。在1至8GHz的整個頻段內(nèi)插入損耗的變化只有0.33dB。
4 制作完成的微帶電路板
這種快速地制作樣品電路板方法使得制作過程可以按照指定的設(shè)計而改變。對于直接耦合器，要達(dá)到預(yù)期的性能，我們準(zhǔn)備了可能的幾個設(shè)計反復(fù)。幸運的是（也是在經(jīng)驗基礎(chǔ)上的合理猜想），第一個試驗就得到一個完好的耦合器。
圖14和圖15中的照片展示了銑制好的電路板，以及用于測試的連接器。圖14中的發(fā)夾型耦合器甚至有一個小碎片焊接在其中一個微帶線的一段間隙上。這是由于設(shè)計文件的一個小失誤引起的，致使在銑制電路板時，那個間隙被明顯地銑制出來。
耦合器設(shè)計也可進(jìn)行修改以改進(jìn)低端回波損耗或使耦合響應(yīng)平坦化。而如果讓外部傳統(tǒng)的電路板廠制作，這樣的小的更改可能不會被理會。由于環(huán)保法規(guī)的要求，化 學(xué)藥品處理過程的復(fù)雜性和成本顯著增加，尤其在加利福尼亞，絕大多數(shù)公司不再保留室內(nèi)電路板蝕刻實驗室。
為了制作這些濾波器和耦合器電路，我們綜合了許多設(shè)計師的經(jīng)驗、資料數(shù)據(jù)、高級電路理論仿真、EM分析以及最后的制作和測量手段。整個設(shè)計的成功使用了不 同的設(shè)計資源，從理論設(shè)計、分析到微帶電路的實現(xiàn)。能迅速的完成這一過程，制作工具——電路板刻制機(jī)是不可或缺的。
5 使用電路板刻制機(jī)來制作樣品電路板的特點
CAP Wireless公司使用的刻制設(shè)備是來自LPKF光電股份有限公司（www.lpk.com）的Protomat C100HF型刻板機(jī)。這一設(shè)備能適用于13.5x8 inches（340x200 mm）的電路板。除了電路板，還能銑制鋁或銅的構(gòu)件，或者切割覆銅薄片。
馬達(dá)運轉(zhuǎn)速度從1萬到10萬轉(zhuǎn)軟件可調(diào)。這篇文章中描述的典型的精細(xì)銑刀是一個10 mils的端面銑刀，加工中直徑變動量范圍是±0.2 mils。
該機(jī)器的定位精度對于保證X、Y軸向的尺寸精度和穿透深度的精確非常重要。機(jī)器必須可靠地切割整個銅箔層，同時切去最少量的基材。
上面的照片是銑制加工頭的近照。C100HF采用動態(tài)的Z軸定位，同軸的加工深度限位器來保持銑制深度。穿透基材的深度一般是0.2 mil（5 micron）。Z軸運動范圍是14 mm（0.55 in）。空氣軸承提供了準(zhǔn)確的但是非接觸式的表面?zhèn)鞲?，適于在柔軟的或撓性的板材和表面敏感的材料上加工。
該機(jī)器分辨率為0.3125 mil（5 micron）。X－Y定位精度小于0.2 mil（5 micron）。下面的電子顯微照片顯示了在不同放大倍數(shù)下的銑制軌跡，分別以50 micron和10 micron標(biāo)注了比例。
在40 mm/sec（1.575 in）移動速度下，精細(xì)銑制和大面積剝銅完成得都同樣的高效。如果必要，可以在一天內(nèi)完成幾個來回的設(shè)計和測試。某些情況下，該機(jī)器可以在訂制樣板和小批量生產(chǎn)方面替代傳統(tǒng)電路板生產(chǎn)。
LPKF公司的其它機(jī)型比如ProtoMat H100，H60等也同樣具有加工微波電路板的能力，這些高端機(jī)型具備自動化換刀，定位精度高，移動速度快捷的特點，可以適應(yīng)更高標(biāo)準(zhǔn)的制作需求，并且可 以滿足一定批量的生產(chǎn)。滿足了實驗室、研究所和高科技公司自制電路板的需求。
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