基于空气填充基片集成波导的自温度补偿带通滤波器_李萌.pdf

2022年第46卷第12期101Parts and ApplicationS器 件 与 应 用器 件 与 应 用文献引用格式：李萌，杨晓庆.基于空气填充基片集成波导的自温度补偿带通滤波器 J.电声技术，2022，46（12）：101-107.LI M，YANG X Q.Self-temperature-compensated bandpass filter based on AFSIWJ.Audio Engineering，2022，46（12）：101-107.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.025基于空气填充基片集成波导的自温度补偿带通滤波器李 萌，杨晓庆（四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065）摘要：提出一种基于空气填充衬底集成波导（Air-FilledSubstrate-IntegratedWaveguide，AFSIW），具有良好温度稳定性的窄带带通滤波器。针对不同的谐振腔工作模式，提出两种补偿结构，可以对矩形波导谐振器的 TE101 和 TE301 模式进行补偿，并且不会使 TE201 模式和 TE102 模式接近滤波器通带，拓宽了阻带范围。设计并制作一个以 10GHz 为中心、100MHz带宽的三极 AFSIW 带通滤波器。通过实验验证其在 10 140时，中心频率热稳定性低至 1.62ppm/。关键字：空气填充基片集成波导（AFSIW）；滤波器；温度补偿Self-Temperature-Compensated Bandpass Filter Based on AFSIWLI Meng,YANG Xiaoqing(School of Electronic and Information Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)Abstract:A narrow-band bandpass filter with good temperature stability based on Air-filled Substrate-Integrated Waveguide(AFSIW)is proposed.For different resonant cavity operating modes,two compensation structures are proposed,which can compensate the TE101 and TE301 modes of rectangular waveguide resonators,and will not make the TE201 and TE102 modes close to the filter passband,thus broadening the stopband range.Design and manufacture a three-pole AFSIW band-pass filter with 10 GHz as the center and 100 MHz bandwidth.The thermal stability of the center frequency is as low as 1.62 ppm/at 10140 .Keywords:Air-Filled Substrate-Integrated Waveguide(AFSIW);filter;temperature compensation0 引 言随着现代无线通信技术的发展，微波无源器件的应用环境日趋复杂，高功率、高低温以及复杂的电磁环境都会对其工作性能产生干扰。滤波器是通信系统中必不可少的器件。滤波器的温度漂移将会影响其中心频率、插入损耗、纹波和带外抑制。为避免通信系统相邻信道之间的干扰，滤波器必须能够抵御温度的变化。腔体滤波器的工作性能依赖于其物理结构以及介质基板的介电常数。当环境温度发生变化，滤波器结构的形变和介电常数的变化将会影响滤波器的频率响应1-3。为了提高温度稳定性，一种常见的处理方法是使用低热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）的材料，如殷瓦合金4（CTE 为 1.2 ppm/）和陶瓷材料（CTE 为 0.5 ppm/）5。基于基片集成波导（Substrate-Integrated Waveguide，SIW）技术的滤波器不仅保留了传统腔体滤波器的损耗小、品质因数高、屏蔽特性良好和功率容量大的优点，还能够实现电路平面化且易于集成6-7。为了提高 SIW 滤波器的温度稳定性，一种解决方案是在 SIW 谐振腔中填充具有负介电常数温度系数（Temperature Coefficient of Permittivity，TCP）的电介质，以削弱谐振频率偏移与温度之间的关系。实验证明，在-40 至+80 的温度范围内，四阶 SIW 滤波器的测量频率漂移为 9.1 ppm/1。然而，该解决方案使用 TCP 为热膨胀系数负两倍的TMM10 材料，尽管可以显著提高滤波器的温度稳定性，但是并不适用于使用其他基板材料的滤波器。另一种方法是在 AFSIW 腔的相对侧壁上使用具有作者简介：李 萌（1997），男，硕士，研究方向为射频、微波电路与多物理场计算等。2022年第46卷第12期102器 件 与 应 用器 件 与 应 用arts and ApplicationsP负介电常数热系数（TCP）的介电板2-3。实验证明了一种七阶 AFSIW 滤波器在-20 时测得的热稳定性为 0.58 ppm/，在 70 时为 0.89 ppm/。然而，这种补偿结构对谐振器的高阶工作模式补偿效果不好，且会使得不同工作模式之间的频率间隔减小。本文提出并展示了 AFSIW 腔和滤波器的温度补偿技术，针对 AFSIW 谐振器的不同模式提出的两种温度自补偿结构对谐振腔的不同模式之间的频率间隔影响较小。一种补偿结构是通过在AFSIW 空气腔周围插入具有特定性质的电介质板来对主模 TE101 模式进行补偿，另一种补偿结构在AFSIW 空气腔中间插入相同的电介质板对 TE301模式进行补偿。本文设计了窄带带通滤波器来验证所提出的温度补偿方法。1 理论分析对于矩形谐振腔模型，参考温度 T1下的谐振频率等于 1220012Trmlfac =+（1）式中：a 和 c 分别表示谐振器的宽度和长度。随着温度升高，谐振频率将根据 CTE（x和 y）和介电常数的温度系数（e）而变化：()()()()()()1111122001100221211112111TrTTrerTTxTTyTTrexymlfacT+=+=+（2）()()()()()1111122001100221211112111TrTTrerTTxTTyTTrexymlfacTaT a+=+=+=+（3）()()()()1111122001100221211112111TrTTrerTTxTTyTTrexymlfacTaT acT c+=+=+=+=+（4）当温度变化 T 时，谐振频率由式（5）给出：()()()1002212111TTrexyfTmlaTcT +=+（5）式（5）表明，矩形谐振腔的频率偏移取决于介质基板材料的热膨胀系数、介电常数和温度。具有负介电常数温度系数（TCP）的材料对谐振腔谐振频率的影响与基板材料的热膨胀系数相反。因此，为了平衡温度升高引起的尺寸膨胀造成的谐振频率偏移，可以使用具有负 TCP 的充气腔侧壁电介质板对谐振腔进行补偿3。接下来，对使用了 F4BME-2-A265 材料的谐振腔进行分析。F4BME-2-A265 是一种聚四氟乙烯（PTFE）复合材料，其相对介电常数为 r1=2.65。值得注意的是，PTFE 的损耗角正切、介电常数和金属的导体损耗与温度有关10-11。PTFE 的介电常数随着温度的上升而降低，且在一定的温度范围内呈线性变化，而 PTFE 的损耗角正切逐渐增加，呈非线性变化。在-50 150 温度范围内，F4BME-2-A265 的介电常数是线性变化的，其 TCP为 e=-90 ppm/，x 和 y 方向的热膨胀系数（CTE）为 x=16 ppm/、y=20 ppm/。此外，未考虑铜热膨胀系数（约 17 ppm/）对于谐振腔谐振频率的影响，因为热膨胀系数接近 F4BME-2-A265 的热膨胀系数，并且铜的厚度（17 m）远低于基底材料的厚度（0.8 mm），覆铜层在膨胀过程中对于滤波器结构的影响可以忽略不计。从矩形谐振腔移除电介质后，谐振腔的谐振频率将会发生改变，谐振器的不同工作模式受到不同程度的影响12。不同模式之间的频率间隔将改变，这增加了滤波器设计的复杂性。如图 1 所示，图 1（a）表示介质谐振器，图 1（b）显示了适用于总宽Wr=54 mm、长 Lr=18.9 mm、高 H=0.8 mm 的矩形谐振腔 1 的 TE301 模式的补偿结构。在 AFSIW 谐振器的 y 方向中间插入介电常数为 2.65、宽度为 W1的介质板。介质板的厚度 W1影响谐振频率。图 1（c）是一个总宽度 W=26 mm、长度 L=15.3 mm 的充气空腔 2。该空腔具有相对介电常数 r0=1 的中心充气区域和相对介电系数 r1、宽度 W2的四个侧壁电介质板。基于 F4BME-2-A265 衬底材料的 AFSIW 谐振腔在 Tc=-50，Ta=-23 和 Th=150（频率分别为 fTc，fTa和 fTh）时的谐振频率与电介质板宽度的关系，如图 2（a）所示。由式（6）定义的频移也如图 2 所示。100 2chchTTTTfffff=+（6）图 2 显示了在-50 +150 温度范围内获得的充气谐振腔的频率偏移，以及在 Tc，Ta和 Th下的理论充气谐振腔频率与电介质板宽度的关系。图 2（a）为第一种补偿结构中，TE301 模式谐振频率随着补偿厚度的变化情况。图 2（b）为第二2022年第46卷第12期103Parts and ApplicationS器 件 与 应 用器 件 与 应 用种补偿结构中，TE101 模式谐振频率随着补偿厚度的变化情况。从图 2（a）可以观察到，对于 W1（1.63 mm）的值，空腔 1 的谐振频率随温度而降低。随着 W1从 0.3 mm 增加到 1.63 mm，由热效应引起的频率偏移减小。当 W1=1.63 mm 时，空气填充空腔 1 得到补偿。同理，当 W2为 3.5 mm 时，充气空腔 2 得到补偿。图3显示了未补偿谐振腔在-50 时的频率漂移（相对于 Ta处的谐振频率）为 19 MHz，在 150 时为-35 MHz。而补偿充气谐振腔1在-50 时的理论频率漂移为0.01 MHz，在150 时为-0.08 MHz，而充气谐振腔 2 在-50 时的频率漂移为 0.001 MHz，在 150 下为-0.1 MHz。因此，本文设计的补偿结构对于谐振腔的谐振频率有较好的温度补偿效果。-40-200204060801001201409.949.969.9810.0010.0210.0410.0610.0810.10 谐振频率/GHz温度/介质谐振腔 温度补偿的空气填充谐振腔1 温度补偿的空气填充谐振腔2 图 3 三个谐振腔谐振频率随温度的变化情况中心频率热稳定性以每摄氏度百万分之几表示，计算公式如下：111-610TTTfTffTf+=（7）HWLxyzr1（a）介质谐振腔 1HWrLrW1x基板材料空气基板材料空气r1r1r0（b）补偿结构 1WLW2Hr0r1x基板材料空气（c）补偿结构 2图 1 介质谐振腔与使用了温度补偿结构的谐振腔0.30.60.91.21.51.82.19.69.810.010.210.410.610.811.011.2fTafTcfThW1/mm频率/GHz0.00.10.20.30.40.50.6频移f/%频移f（a）第二个谐振腔1.01.52.02.53.0