基于薄膜IPD的无反射滤波器的研究与设计

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国家经济的快速发展以及5G时代的到来,使得射频/微波系统要达到更高的标准,作为射频前端占据重要地位的器件之一,滤波器的性能、尺寸、功能性、成本将作为评判其好坏的重要尺度。传统滤波器的工作方式为无损耗或低损耗地通过带内传输信号,反射带外信号回信号源。但是这些反射回信号源的信号会造成增益波动等不利影响,损害系统性能,而无反射滤波器可将这些反射信号通过内部有耗元件吸收掉,提高系统的线性度。采用薄膜IPD工艺制作的器件不仅具有更小的寄生参数和更高的可靠性,而且非常利于高频应用,能够满足无反射滤波器设计对工艺精度的高要求。本文就基于薄膜IPD工艺的无反射滤波器的设计进行了深入研究。结合Morgan的无反射滤波器理论,研究了基于对称对偶二端口网络设计无反射滤波器的过程,提出了可应用于S波段的无反射低通、高通滤波器,能够实现较小的带内插入损耗,且在整个频带范围内的回波损耗可达14d B以上,反射信号的吸收率可达95%以上。在此基础上,为了提高滤波器的带外抑制,利用两个无反射低通滤波器的级联,基于薄膜IPD工艺进行设计和加工测试,实测表明滤波器的带外抑制可达35.81d B,尺寸仅为1220μm×650μm×87.71μm。除此之外,本文还通过在电路结构中引入抑制增益支路并且将单个电阻变为两个电阻的并联形式,再把变化后的电路进行级联。这样不仅减小了单个有耗元件承受的功率和误差,避免了因为过热导致失效进而影响反射信号的吸收,同时还改善了滤波器的带外抑制和带外回波损耗。为了使无反射滤波器能应用于微波高频,本文介绍了集总LC无反射滤波器到微带无反射滤波器的变换方法,根据这个方式得到的滤波器其无反射性能良好,但是带外抑制性能仍有不足。针对这一问题,本文通过引入耦合传输线结构提出改进后的新微带无反射带通滤波器拓扑,该拓扑对应的阻抗值和电长度也在文中给出。ADS仿真表明该拓扑可应用于不同衬底及中心频率下滤波器的设计。最后设计了一款中心频率23GHz,带外抑制可达30d B的微带无反射带通滤波器。HFSS仿真表明改进后的滤波器可以明显提高带外抑制,验证了该结构的有效性。
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