新型微波金属化通孔耦合机制的建模与应用研究

Metallic-vias have been widely applied in microwave circuits due to its easy fabrication process and excellent electric-connection characteristic. However, in such kind of application, the parasitic effect of the metallic-via is inevitable, which always appears to be a disturbing problem. It cannot be ignored and need to be processed and compensated in high frequency bands, especially in millimeter wave. Contrarily, this project aims to make use of its parasitic effect to investigate metallic-via’s application to the coupling between microwave resonators. Accordingly, the concept of metallic-via coupling mechanism is proposed, which can expand the usage of the metallic-via in microwave circuits to a great extent and flexibly provide more design choices for microwave bandpass filters. Firstly, the model of the single-layer metallic-via coupling will be constructed based on the printed circuit board (PCB). Secondly, it will be applied to design microwave bandpass filters with single/dual passbands, and a varactor will be parallel placed beside the metallic-via to electrically tune the amount of the coupling so that high-order bandpass filters with tunable bandwidth could be designed. Then, three-dimension (3-D) fabrication technologies, such as the low temperature co-fired ceramic (LTCC), will be made use of to investigate the characteristics of multi-layer metallic-via coupling, which will also be applied to the designs of microwave single-band/dual-band bandpass filters as well as diplexers. Last but not least, the designed devices will be well analyzed, fabricated and measured.

由于制作方便、电连接特性好，金属化通孔一直被广泛应用于微波电路中，如传输线接地、不同层电路的电连接等。然而金属化通孔的寄生效应在电路设计中不可避免，一直成为令人困扰的难题，尤其在高频段（如毫米波频段），这种效应更是不容忽视，需要做特殊处理或效应补偿。本项目将利用其寄生效应，研究金属化通孔在谐振器间耦合机制上的应用，提出金属化通孔耦合的概念，这既充分拓展金属化通孔在微波电路中的应用范围，又为微波带通滤波器设计提供更灵活的选择空间。主要研究内容包括：在单层印刷电路板（PCB）上深入研究金属化通孔耦合的耦合建模，设计具有单通带、双通带的带通滤波器，在金属化通孔旁并联一个变容二极管实现对耦合大小的电调节，从而设计带宽可调的高阶带通滤波器；利用三维加工技术，如低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，研究多层结构上金属化通孔耦合的耦合建模，并设计微波单通带、双通带滤波器及双工器；完成以上器件的分析、加工与测试。

在传统的应用中，金属化通孔的寄生效应是人们不想要的，一般要想办法消除寄生效应的影响。本课题则是提出将金属化通孔的寄生效应应用于微波带通滤波器的设计中，形成谐振器之间的耦合机制。因此，本课题对金属化通孔耦合机制进行了等效建模及其应用研究。. 研究内容主要包括：（1）提出了一种金属化通孔耦合机制的等效T型网络。此方法简单高效，实现了对金属化通孔耦合机制较为准确的等效建模，为后续的各种应用研究提供了重要的理论与技术支撑。（2）提出了一种使用更少变容二极管的可调耦合结构，开展了高阶带宽可调滤波器的研究与设计，使用的变通二极管与已报道的带宽可调滤波器相比减少了一半，带宽的相对可调范围达到100%。（3）在较全面地分析了阶梯阻抗谐振器谐振特性的基础上，优化了变容二极管加载位置对谐振频率可调范围的影响，设计了比目前报道的频率可调滤波器的调节范围更宽的可调滤波器，可调范围超过50%；并利用双边平行带线设计了宽调节范围的差分带阻滤波器，可调范围达到59%。（4）在多层PCB及LTCC三维结构中，利用金属化通孔耦合设计了多款单通道/双通带带通滤波器，验证了金属化通孔耦合在三维结构中的应用可能。. 上述研究内容均通过了仿真和实验验证，达到预期目标，取得的成果具有重要的科学意义和工程应用价值，也可为后续基于金属化通孔耦合机制的滤波电路的研究与应用提供技术参考。