微带滤波器和耦合电路的设计、制作和测量

摘要     
       通过介绍两个微波电路样品板的设计、制作和测量的过程，推荐一种电路样品板制作新方式。 
       1  前  言

       当今的微波设计师依赖许多工具来制作高效的电路和系统。他们要利用已有的参考资料和强大的EDA工具和电磁（EM）分析工具，还必须结合自己的实践经验来进行制作。这些工作终需要通过制作电路和测试完成的电路来实现。这篇文章描述了两个微带电路设计是如何使用各种不同工具开发，用电路板铣制设备快速制作，然后经过测量来验证设计方法的正确性。
       样例中的设计是一个典型的带宽3.7到4.2GHz的发夹型滤波器和一个1到8GHz的定向耦合器，使用Schi ffman锯齿技术减小尺寸。发夹型滤波器用Agilent ADS1.3软件设计和仿真，用Sonnet Lite软件进行平面EM分析。耦合器运用了基于设计规则的变换，有一个现存的阶梯线形式的耦合器设计来启动。
       两个电路都是用LPKF光电股份有限公司的Protomat C100HF型设备制作出来的，使用HP(Agilent) 8753E网络分析仪获得测量结果。
       2  设计样例       3.7到4.2GHz的发夹型滤波器
       2.1  设计
       这个滤波器设计用于在3.7到4.2GHz的带宽上获得一个平坦的响应。插入损耗和回波损耗在此频段优于16dB。这个滤波器用在下变频器输入端进行镜频抑制。该设计选用一个典型的发夹型滤波器，它将能满足设计要求的性能和尺寸。
       滤波器由ADS1.3设计，图1是结果图样。当然，这是一个熟悉的发夹型结构。滤波器占用的面积约为500 x 1200 mils (0.5 x 1.2 in.)，包括用来保持恒定逻辑属性的发夹循环所需的足够面积。

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       图2是在ADS中的设计和优化结构。这个拓扑形是中心对称的，所以设计成两段，由一个“背靠背”结构连接。由于数学方面上的结构尺寸减小，计算时间被大大缩减。

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          图2，在ADS中的设计和优化结构。滤波器以两个镜像的图形块进行仿真，以实现对称结构
       建立优化来获得在通带3.55至4.4GHz的16dB的回波损耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上28dB的阻带衰减。优化的频率范围是3.0-5.0GHz。更宽范围不要求获得预想的结果。

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               图3，对终设计的ADS仿真定义。仿真性能和滤波器图样都出自于这里的数据
       图3显示了每一个“半滤波器”的ADS终设计，包括端口、微带线、T形、弯曲和短凸形。注意短凸形的末端的0.1pF电容，说明具有末端效应（边缘电容）。图1的也有它们的显示。

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                                  图4，仿真结果。
            （a）全程响应；（b）通带响应和插入损耗；（c）回波损耗；（d）Smith阻抗图
       图4是模型化的性能显示。包括通带、阻带特性、回波损耗结果以及输入/输出阻抗的Smith图。这些图表说明ADS模型满足滤波器的设计标准。 2.2  EM分析
       图5是滤波器尺寸的详图。设计的数据使用Sonnet软件公司的Sonnet Lite平面电磁场软件进行电路分析。

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nbsp;                                                  图5，滤波器的详细尺寸。
       图6是EM分析结果。通带的响应比ADS预期的稍稍窄一些，但是如果制作出来的电路性能满足分析的话，仍将覆盖3.7到4.2GHz的带宽。通带的平坦性非常接近ADS模型。回波损耗的响应在通带上比ADS仿真的对称性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。

 

 

 

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       2.3  制作一个测试滤波器
       为了比较发夹型滤波器设计模型和现实副本的性能，就要用电路板刻制机在一块典型的微波基板上制作一个测试滤波器。（使用LPKF光电股份有限公司的Protomat C100HF型设备，参见副文）

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       用ADS的设计图样数据（图1）生成刻制机必要的驱动文件。图形的尺寸直接由ADS导入LPKF软件。图7是电路板的制作图样。
       2.4  测试性能
       电路板按照设计图样铣制出来，安装了连接器后，经由HP 8753E网络分析仪测试。图8是滤波器样品电路板的性能(S21)和回波损耗(S11)，图表中每小格代表5dB，显示了在整个通带及阻带的性能状况，达到-45dB。

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       图9和图8一样，只是通带以每小格1dB来显示通带的平坦性。回波损耗仍然以每小格5dB显示。
       测试显示与模型非常一致。通带比ADS预期的稍微窄一些，但是比Sonnet Lite分析指示的量稍微小一些。三种模型方式及其测量都指出插入损耗和通带平坦性上的一致。
       虽然在这三种模型和测量数据中回波损耗的图形有所不同，但每一个都保证了预期的16dB的指标，明显地展示了一个多极滤波器响应所预期应有的“弓形”。

 3  设计样例       一个尺寸精简的阶梯线定向耦合器
       3.1  设计
       我们要考察的另一个电路是用经验技术开发的。我们想研究采用Schiffman技术减小电路尺寸的方法。这种技术是使用一种锯齿图样来减少机械尺寸以满足所要求的电气尺寸。
       启动点选用了一个已有的1至8GHz的阶梯线耦合器，由CAP Wireless公司的Paul Daughenbaugh设计。这一设计被转换成刻制机制造用的图样，如图10。这个图实际显示了耦合器的另一种版本，但是清晰地展示了这种技术。

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       用一种经验性的方法从直段耦合器设计中来获得新耦合器的设计图案，按照如下的规则：
       ●紧密间隙段——锯齿路径的总长度与这段的直线部分长度做成一样。这样削减了这部分长度的将近一半。在直线部分“互锁”的牙齿间仍然保持有空间，可以与锯齿边呈直角的方式来测量间隙的大小。
       ●宽间隙段——第三段的线间距根据牙齿的中间高度计

算出来。在这个宽间距下，假设按照平均间隙场可以进行耦合，而不是沿着段的路径进行耦合。同样，这一段的尺寸削减更少。为了简化，采用了与原来直线段部分一样的长度。
       ●中间段——中间段的间隙和尺寸削减根据段和第三段几何平均值计算得来。
       这个“猜想”的方式是必要的，因为不可能用现有的软件工具分析这种结构。用Sonnet Lite分析太过复杂，其他分析工具根本不能用。
       3.2  耦合器性能
       耦合器用LPKF的刻制机器制作出来后，要评估耦合等级和在1至8GHz的频段内的指向性。图11中的耦合端口传输信号是一条光滑的线。图表中部的水平线是-18dB，网格的每小格是2dB。在测量的频率范围内耦合为-19dB±1.5dB。同一图中，输入的回波损耗以每小格5dB绘制，从顶部数第二条线是0dB参考。在频率处回波损耗，是16dB。

       反向的耦合绘制图在图12中，包括输出端口回波损耗。两个图中每小格都是5dB。对于反向耦合，中部线-18dB是参考，耦合为-28dB或更好，位于高频端。输出端口回波损耗采用与图11中的输入回波损耗一样的方法绘制，同样也在1GHz处性能差，为16dB。
       全程内的指向性（正向耦合减去反向耦合）为10dB，位于波段的极高端。设计目标是高于10dB，达到12dB就可以留出额外空间。绝大部分波段内都能留出这个余量，我们就认为是一个初始试验的极好结果。
       图13是插入损耗，1GHz下为0.25dB，6GHz处差为0.57dB。在1至8GHz的整个频段内插入损耗的变化只有0.33dB。

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       4  制作完成的微带电路板
       这种快速地制作样品电路板方法使得制作过程可以按照指定的设计而改变。对于直接耦合器，要达到预期的性能，我们准备了可能的几个设计反复。幸运的是（也是在经验基础上的合理猜想），个试验就得到一个完好的耦合器。

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       图14和图15中的照片展示了铣制好的电路板，以及用于测试的连接器。图14中的发夹型耦合器甚至有一个小碎片焊接在其中一个微带线的一段间隙上。这是由于设计文件的一个小失误引起的，致使在铣制电路板时，那个间隙被明显地铣制出来。
       耦合器设计也可进行修改以改进低端回波损耗或使耦合响应平坦化。而如果让外部传统的电路板厂制作，这样的小的更改可能不会被理会。由于环保法规的要求，化学药品处理过程的复杂性和成本显著增加，尤其在加利福尼亚，绝大多数公司不再保留室内电路板蚀刻实验室。

为了制作这些滤波器和耦合器电路，我们综合了许多设计师的经验、资料数据、电路理论仿真、EM分析以及的制作和测量手段。整个设计的成功使用了不同的设计资源，从理论设计、分析到微带电路的实现。能迅速的完成这一过程，制作工具——电路板刻制机是不可或缺的。
       5  使用电路板刻制机来制作样品电路板的特点
       CAP Wireless公司使用的刻制设备是来自LPKF光电股份有限公司（www.lpk.com）的Protomat C100HF型刻板机。这一设备能适用于13.5x8 inches（340x200 mm）的电路板。除了电路板，还能铣制铝或铜的构件，或者切割覆铜薄片。

       马达运转速度从1万到10万转软件可调。这篇文章中描述的典型的精细铣刀是一个10 mils的端面铣刀，加工中直径变动量范围是±0.2 mils。
        该机器的定位对于保证X、Y轴向的尺寸和穿透深度的非常重要。机器必须可靠地切割整个铜箔层，同时切去少量的基材。

       上面的照片是铣制加工头的近照。C100HF采用动态的Z轴定位，同轴的加工深度限位器来保持铣制深度。穿透基材的深度一般是0.2 mil（5 micron）。Z轴运动范围是14 mm（0.55 in）。空气轴承提供了准确的但是非接触式的表面传感，适于在柔软的或挠性的板材和表面敏感的材料上加工。
       该机器分辨率为0.3125 mil（5 micron）。X－Y定位小于0.2 mil（5 micron）。下面的电子显微照片显示了在不同放大倍数下的铣制轨迹，分别以50 micron和10 micron标注了比例。

       在40 mm/sec（1.575 in）移动速度下，精细铣制和大面积剥铜完成得都同样的高效。如果必要，可以在一天内完成几个来回的设计和测试。某些情况下，该机器可以在订制样板和小批量生产方面替代传统电路板生产。
       LPKF公司的其它机型比如ProtoMat H100，H60等也同样具有加工微波电路板的能力，这些高端机型具备自动化换刀，定位高，移动速度快捷的特点，可以适应更高标准的制作需求，并且可以满足一定批量的生产。满足了实验室、研究所和高科技公司自制电路板的需求。

参考资料：
1. G. Matthei, L. Young, E.M.T. Jones, Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, and Coupling Structures, Artech House, ISBN 0-89006-099-1.
2. J.A.G. Mahlerbe, Microwave Transmission Line Filters, Artech House, ISBN 0-89006-063-0.
3．Dana Brady, onics，July 2002，Summit Technical Media, LLC