基于电磁带隙结构的微波带通滤波器研究

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随着频谱资源划分越来越密集,人们对通讯系统中数据信息的传输质量和传输速率提出了越来越高的要求。如今移动通讯技术已经发展到第五代(Fifth Generation,5G),滤波器作为移动通信中射频前端模块的核心组成部分,其性能决定了数据的传输质量。因此,为应对新时代移动通讯的需求,高性能滤波器的研究具有重要的实际意义。本文基于电磁带隙(Electromagnetic Band-gap,EBG)技术,完成了多款应用于微波频段的高性能带通滤波器的开发。本文主要内容如下:1.提出了一款基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC)技术的新型EBG带通滤波器。为提升滤波器性能,设计了一种新型能量耦合结构,并将其应用到EBG结构中,用以提升器件的外部电磁能量耦合能力,进而降低了器件损耗。本研究创新性地在器件内部引入了基于LTCC工艺的高Q值电容,解决了传统小尺寸EBG滤波器难以实现较低工作频率的问题。除了具有损耗低、工作频率高、窄带等特点,该滤波器还可以通过调整内置电容器的容值来选定工作频段。最终制备了四款工作频率不同的EBG滤波器,实测最低损耗为1.91 d B。2.提出了一款由基板和可选外置电容组成的可重构EBG滤波器,所述基板部分基于印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术实现,所述电容部分基于薄膜集成无源器件(Integrated Passive Device,IPD)技术实现,二者通过芯片级封装(Chip Size Package,CSP)技术键合。创新性地将矩形槽线能量耦合结构应用到基板中,增强了滤波器的电磁能量耦合能力,提升了滤波器带宽。使用高密度的IPD电容取代上一个研究中尺寸较大的LTCC电容,进一步减小了滤波器的尺寸(1.6 mm×1.35 mm)。此外,该滤波器可通过简单地替换不同容值的外置电容实现工作频率在6.8 GHz到13.8 GHz范围内可调。最终加工并测试了这款滤波器,实验结果与理论达成一致。3.提出了一款用于N77频段的新型高性能IPD带通滤波器。采用三维高Q值EBG电感替代传统低Q值平面IPD电感,提升了IPD滤波器整体Q值,进而降低了带内损耗。所述应用于谐振回路的EBG电感通过PCB基板工艺实现,而其他电路结构被集成在高阻硅基片上,PCB基板与高阻硅基芯片间通过倒装焊植球的方式(Flip-Chip Ball Grid Array,FBGA)实现机械和电学连接。实际加工制备的N77频段滤波器的整体尺寸(不含外部管脚)为2.2 mm×3.0 mm,1 d B带宽为918 MHz,带测试板的实测插损为2.58d B。此外,芯片中采用了铝作为金属材料,IPD滤波器的加工成本得到降低。最终以低成本的方式实现了高性能IPD滤波器。
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