摘要：本文介紹了LTCC（低溫共燒陶瓷）技術(shù)中廣泛采用的IWG（集成式波導(dǎo)[1]）濾波器。設(shè)計(jì)了通帶為35-36GHz的七級(jí)契比雪夫型IWG濾波器，它在34-37GHz外可以提供50dB的衰減，帶內(nèi)插損小于5dB，帶內(nèi)駐波小于1.3dB。由于這種類(lèi)型的濾波器具有良好的矩形度和較小的體積以及到微帶的自然過(guò)渡等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛使用。

0 引言

為了適應(yīng)毫米波前端系統(tǒng)的高選頻性、高雜諧波抑制度、高集成度、低成本的需要，集成式波導(dǎo)IWG（integrated rectangular waveguide）的概念被不止一次的提出[1][2][3]。集成波導(dǎo)也有文獻(xiàn)稱(chēng)為疊層波導(dǎo)（laminated waveguide）或嵌入式波導(dǎo)（implanted waveguide），它與傳統(tǒng)意義上的介質(zhì)波導(dǎo)有很多相同之處，它的最大特征是與其它平面電路共用一個(gè)介質(zhì)層，波導(dǎo)的高度就是基片的厚度，波導(dǎo)的寬度由兩排到地的金屬化通孔（metallized post）或是金屬化的凹槽（metallized grooved）[3]之間的距離決定。

1 微帶到IWG的過(guò)渡

微帶到IWG的過(guò)渡在兩層厚為188μm的Ferro A6S的陶瓷基片上用厚膜工藝印制，長(zhǎng)為l的錐型漸變線(xiàn)完成了50Ω微帶線(xiàn)準(zhǔn)TEM模到波導(dǎo)TE10的轉(zhuǎn)換，如圖1所示，微帶線(xiàn)下的電場(chǎng)分布和波導(dǎo)內(nèi)TE10模式的場(chǎng)分布的方向都是由接地面到金屬層，可以想象隨著微帶線(xiàn)的寬度增加，兩種場(chǎng)會(huì)變得取向一致，錐形漸變線(xiàn)可以很直觀(guān)地完成這一變換過(guò)程，拓寬的微帶線(xiàn)和金屬接地面構(gòu)成了波導(dǎo)的上下底面，而兩側(cè)的金屬通孔或凹鑿構(gòu)成波導(dǎo)的側(cè)壁，其實(shí)質(zhì)就是一介質(zhì)波導(dǎo)，可以用導(dǎo)波場(chǎng)理論來(lái)分析。波導(dǎo)的寬邊a決定了TE10模的截止頻率fc，窄邊任意，可以是基片的厚度或更薄，而在很薄的基片上制作IWG可以極大的降低導(dǎo)體的輻射損耗而以導(dǎo)帶的金屬損耗為主。為了保證50Ω微帶線(xiàn)寬度適當(dāng)，取了兩層Ferro基片的厚度，另取波導(dǎo)長(zhǎng)10mm寬為4mm，兩列金屬化通孔做側(cè)壁，在漸變線(xiàn)l為5mm、d為1.83mm時(shí)過(guò)渡的效果最好，背靠背仿真的結(jié)果顯示在32-39GHz插損小于0.7dB，反射在-18dB以下，如圖2、圖3所示，由Ferro基片帶來(lái)的介質(zhì)損耗可以接受。

圖1

圖3 IWG的基本結(jié)構(gòu)

2 IWG濾波器的設(shè)計(jì)

本文采用低溫共燒陶瓷制作該濾波器，介點(diǎn)常數(shù)5.7，厚度188μm，損耗角正切0.002，要求通帶35-36GHz，在34-37GHz外能提供50dB的衰減。使用半波導(dǎo)波長(zhǎng)的IWG做串聯(lián)諧振器，且，側(cè)壁使用金屬化通孔，級(jí)間的耦合通過(guò)金屬化凹槽或金屬化通孔形成的并聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)，它們的作用相當(dāng)于K變換器，在LTCC工藝中實(shí)現(xiàn)K變換器的方法很多，本文采用金屬化凹槽實(shí)現(xiàn)K變換器。相對(duì)金屬波導(dǎo)其并聯(lián)感抗Xj，j+1不變，仍為，折扣K變換器引入的電長(zhǎng)度半波導(dǎo)諧振腔的電長(zhǎng)度θj為，槽深貫穿介質(zhì)基片，槽寬取0.2mm，槽兩側(cè)打圓角，槽長(zhǎng)由0.2mm的鉆頭沿直線(xiàn)銑出，若定好第一個(gè)槽位，剩下的幾個(gè)槽位（均是折扣后的半波導(dǎo)段的長(zhǎng)度）就能確定下來(lái)，工藝上比較好實(shí)現(xiàn)。最后的尺寸列于表1、圖4中，其中Wi表示從右數(shù)起第i個(gè)槽的長(zhǎng)度，而Li表示從右數(shù)起第i個(gè)IWG的腔長(zhǎng)，且Wi=Wn+2-i，Li=Ln+1-i，n表示濾波器的級(jí)數(shù)（n為奇數(shù)）。如果用金屬化通孔做側(cè)壁，孔間距d不能過(guò)大，否則會(huì)引起場(chǎng)的泄漏，也不能過(guò)小，必須保證在LTCC工藝的范圍內(nèi)，取d=2.5r，本文同時(shí)對(duì)比了金屬槽和金屬通孔做側(cè)壁的效果，發(fā)現(xiàn)兩種方式的結(jié)果基本吻合，如圖5所示，通帶插損在5dB內(nèi)，34-37GHz外都達(dá)到了50dB的衰減。

圖2 背靠背微帶到IWG的過(guò)渡

表1 七級(jí)IWG濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm），波導(dǎo)寬a=4mm

圖4 結(jié)構(gòu)尺寸

最終濾波器的尺寸是25mm×4.5mm×0.188mm，若不計(jì)過(guò)渡的尺寸，IWG的總長(zhǎng)度僅為14mm，相對(duì)相同級(jí)數(shù)的金屬波導(dǎo)尺寸減小很多。

3 結(jié)論

IWG是借助于陶瓷多層技術(shù)而迅速興起的一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有高Q值、高集成度、低成本的優(yōu)勢(shì)。借助IWG設(shè)計(jì)的波導(dǎo)濾波器具有很大的靈活性，還有很高的矩形度、較小的插損、不用屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了微帶線(xiàn)等傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)向IWG過(guò)渡的幾種方式，并設(shè)計(jì)了7級(jí)契比雪夫型IWG濾波器，結(jié)果顯示這種濾波器具有良好的矩形度，能滿(mǎn)足大部分系統(tǒng)集成的需要，其潛力不可估量。

圖5 HFSSCST仿真擬合曲線(xiàn)

審核編輯：湯梓紅