1  前  言

       當今的微波設計師依賴許多工具來制作高效的電路和系統(tǒng)。他們要利用已有的參考資料和強大的EDA工具和電磁（EM）分析工具，還必須結合自己的實踐經驗來進行制作。這些工作最終需要通過制作電路和測試完成的電路來實現(xiàn)。這篇文章描述了兩個微帶電路設計是如何使用各種不同工具開發(fā)，用電路板銑制設備快速制作，然后經過測量來驗證設計方法的正確性。

       樣例中的設計是一個典型的帶寬3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器和一個1到8GHz的定向耦合器，使用Schi

ffman鋸齒技術減小尺寸。發(fā)夾型濾波器用Agilent ADS1.3軟件設計和仿真，用Sonnet Lite軟件進行平面EM分析。耦合器運用了基于設計規(guī)則的變換，有一個現(xiàn)存的階梯線形式的耦合器設計來啟動。

       兩個電路都是用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設備制作出來的，使用HP(Agilent) 8753E網絡分析儀獲得測量結果。

       2  設計樣例       3.7到4.2GHz的發(fā)夾型濾波器

       2.1  設計

       這個濾波器設計用于在3.7到4.2GHz的帶寬上獲得一個平坦的響應。插入損耗和回波損耗在此頻段優(yōu)于16dB。這個濾波器用在下變頻器輸入端進行鏡頻抑制。該設計選用一個典型的發(fā)夾型濾波器，它將能滿足設計要求的性能和尺寸。

       濾波器由ADS1.3設計，圖1是結果圖樣。當然，這是一個熟悉的發(fā)夾型結構。濾波器占用的面積約為500 x 1200 mils (0.5 x 1.2 in.)，包括用來保持恒定邏輯屬性的發(fā)夾循環(huán)所需的足夠面積。

       圖2是在ADS中的設計和優(yōu)化結構。這個拓撲形是中心對稱的，所以設計成兩段，由一個“背靠背”結構連接。由于數學方面上的結構尺寸減小，計算時間被大大縮減。

          圖2，在ADS中的設計和優(yōu)化結構。濾波器以兩個鏡像的圖形塊進行仿真，以實現(xiàn)對稱結構

       建立優(yōu)化來獲得在通帶3.55至4.4GHz的最小16dB的回波損耗，在3.2GHz以下和4.7GHz以上最小28dB的阻帶衰減。優(yōu)化的頻率范圍是3.0-5.0GHz。更寬范圍不要求獲得預想的結果。

               圖3，對最終設計的ADS仿真定義。仿真性能和濾波器圖樣都出自于這里的數據

       圖3顯示了每一個“半濾波器”的ADS最終設計，包括端口、微帶線、T形、彎曲和短凸形。注意短凸形的末端的0.1pF電容，說明具有末端效應（邊緣電容）。圖1的也有它們的顯示。

                                  圖4，仿真結果。
            （a）全程響應；（b）通帶響應和插入損耗；（c）回波損耗；（d）Smith阻抗圖

       圖4是模型化的性能顯示。包括通帶、阻帶特性、回波損耗結果以及輸入/輸出阻抗的Smith圖。這些圖表說明ADS模型滿足濾波器的設計標準。
                           
       2.2  EM分析

       圖5是濾波器尺寸的詳圖。設計的數據使用Sonnet軟件公司的Sonnet Lite平面電磁場軟件進行電路分析。

                           圖5，濾波器的詳細尺寸。

       圖6是EM分析結果。通帶的響應比ADS預期的稍稍窄一些，但是如果制作出來的電路性能滿足分析的話，仍將覆蓋3.7到4.2GHz的帶寬。通帶的平坦性非常接近ADS模型。回波損耗的響應在通帶上比ADS仿真的對稱性稍差一些。但仍能保持16dB或更好。

       2.3  制作一個測試濾波器

       為了比較發(fā)夾型濾波器設計模型和現(xiàn)實副本的性能，就要用電路板刻制機在一塊典型的微波基板上制作一個測試濾波器。（使用LPKF光電股份有限公司的Protomat C100HF型設備，參見副文）

       用ADS的設計圖樣數據（圖1）生成刻制機必要的驅動文件。圖形的尺寸直接由ADS導入LPKF軟件。圖7是電路板的制作圖樣。

       2.4  測試性能

       電路板按照設計圖樣銑制出來，安裝了連接器后，經由HP 8753E網絡分析儀測試。圖8是濾波器樣品電路板的性能(S21)和回波損耗(S11)，圖表中每小格代表5dB，顯示了在整個通帶及阻帶的性能狀況，最低達到-45dB。

點擊看原圖

       圖9和圖8一樣，只是通帶以每小格1dB來顯示通帶的平坦性。回波損耗仍然以每小格5dB顯示。

       測試顯示與模型非常一致。通帶比ADS預期的稍微窄一些，但是比Sonnet Lite分析指示的量稍微小一些。三種模型方式及其測量都指出插入損耗和通帶平坦性上的一致。

       雖然在這三種模型和測量數據中回波損耗的圖形有所不同，但每一個都保證了預期的16dB的指標，明顯地展示了一個多極濾波器響應所預期應有的“弓形”。
       3  設計樣例       一個尺寸精簡的階梯線定向耦合器

       3.1  設計

       我們要考察的另一個電路是用經驗技術開發(fā)的。我們想研究采用Schiffman技術減小電路尺寸的方法。這種技術是使用一種鋸齒圖樣來減少機械尺寸以滿足所要求的電氣尺寸。

       啟動點選用了一個已有的1至8GHz的階梯線耦合器，由CAP Wireless公司的Paul Daughenbaugh設計。這一設計被轉換成刻制機制造用的圖樣，如圖10。這個圖實際顯示了耦合器的另一種版本，但是清晰地展示了這種技術。

       用一種經驗性的方法從直段耦合器設計中來獲得新耦合器的設計圖案，按照如下的規(guī)則：

       ●緊密間隙段——鋸齒路徑的總長度與這段的直線部分長度做成一樣。這樣削減了這部分長度的將近一半。在直線部分“互鎖”的牙齒間仍然保持有空間，可以與鋸齒邊呈直角的方式來測量間隙的大小。

       ●寬間隙段——第三段的線間距根據牙齒的中間高度計

算出來。在這個寬間距下，假設按照平均間隙場可以進行耦合，而不是沿著第一段的路徑進行耦合。同樣，這一段的尺寸削減更少。為了簡化，采用了與原來直線段部分一樣的長度。

       ●中間段——中間段的間隙和尺寸削減根據第一段和第三段幾何平均值計算得來。

       這個“最佳猜想”的方式是必要的，因為不可能用現(xiàn)有的軟件工具分析這種結構。用Sonnet Lite分析太過復雜，其他分析工具根本不能用。

       3.2  耦合器性能

       耦合器用LPKF的刻制機器制作出來后，要評估耦合等級和在1至8GHz的頻段內的指向性。圖11中的耦合端口傳輸信號是一條光滑的線。圖表中部的水平線是-18dB，網格的每小格是2dB。在測量的頻率范圍內耦合為-19dB±1.5dB。同一圖中，輸入的回波損耗以每小格5dB繪制，從頂部數第二條線是0dB參考。在最低頻率處回波損耗最大，是16dB。

       反向的耦合繪制圖在圖12中，包括輸出端口回波損耗。兩個圖中每小格都是5dB。對于反向耦合，中部線-18dB是參考，耦合為-28dB或更好，位于高頻端。輸出端口回波損耗采用與圖11中的輸入回波損耗一樣的方法繪制，同樣也在1GHz處性能最差，為16dB。

       全程內的指向性（正向耦合減去反向耦合）為10dB，位于波段的極高端。設計目標是高于10dB，達到12dB就可以留出額外空間。絕大部分波段內都能留出這個余量，我們就認為是一個初始試驗的極好結果。
       圖13是插入損耗，1GHz下為0.25dB，6GHz處最差為0.57dB。在1至8GHz的整個頻段內插入損耗的變化只有0.33dB。

       4  制作完成的微帶電路板

       這種快速地制作樣品電路板方法使得制作過程可以按照指定的設計而改變。對于直接耦合器，要達到預期的性能，我們準備了可能的幾個設計反復。幸運的是（也是在經驗基礎上的合理猜想），第一個試驗就得到一個完好的耦合器。

       圖14和圖15中的照片展示了銑制好的電路板，以及用于測試的連接器。圖14中的發(fā)夾型耦合器甚至有一個小碎片焊接在其中一個微帶線的一段間隙上。這是由于設計文件的一個小失誤引起的，致使在銑制電路板時，那個間隙被明顯地銑制出來。

       耦合器設計也可進行修改以改進低端回波損耗或使耦合響應平坦化。而如果讓外部傳統(tǒng)的電路板廠制作，這樣的小的更改可能不會被理會。由于環(huán)保法規(guī)的要求，化學藥品處理過程的復雜性和成本顯著增加，尤其在加利福尼亞，絕大多數公司不再保留室內電路板蝕刻實驗室。
       為了制作這些濾波器和耦合器電路，我們綜合了許多設計師的經驗、資料數據、高級電路理論仿真、EM分析以及最后的制作和測量手段。整個設計的成功使用了不同的設計資源，從理論設計、分析到微帶電路的實現(xiàn)。能迅速的完成這一過程，制作工具——電路板刻制機是不可或缺的。

       5  使用電路板刻制機來制作樣品電路板的特點

       CAP Wireless公司使用的刻制設備是來自LPKF光電股份有限公司（www.lpk.com）的Protomat C100HF型刻板機。這一設備能適用于13.5x8 inches（340x200 mm）的電路板。除了電路板，還能銑制鋁或銅的構件，或者切割覆銅薄片。

       馬達運轉速度從1萬到10萬轉軟件可調。這篇文章中描述的典型的精細銑刀是一個10 mils的端面銑刀，加工中直徑變動量范圍是±0.2 mils。

        該機器的定位精度對于保證X、Y軸向的尺寸精度和穿透深度的精確非常重要。機器必須可靠地切割整個銅箔層，同時切去最少量的基材。

       上面的照片是銑制加工頭的近照。C100HF采用動態(tài)的Z軸定位，同軸的加工深度限位器來保持銑制深度。穿透基材的深度一般是0.2 mil（5 micron）。Z軸運動范圍是14 mm（0.55 in）。空氣軸承提供了準確的但是非接觸式的表面?zhèn)鞲校m于在柔軟的或撓性的板材和表面敏感的材料上加工。

       該機器分辨率為0.3125 mil（5 micron）。X－Y定位精度小于0.2 mil（5 micron）。下面的電子顯微照片顯示了在不同放大倍數下的銑制軌跡，分別以50 micron和10 micron標注了比例。

       在40 mm/sec（1.575 in）移動速度下，精細銑制和大面積剝銅完成得都同樣的高效。如果必要，可以在一天內完成幾個來回的設計和測試。某些情況下，該機器可以在訂制樣板和小批量生產方面替代傳統(tǒng)電路板生產。

       LPKF公司的其它機型比如ProtoMat H100，H60等也同樣具有加工微波電路板的能力，這些高端機型具備自動化換刀，定位精度高，移動速度快捷的特點，可以適應更高標準的制作需求，并且可以滿足一定批量的生產。滿足了實驗室、研究所和高科技公司自制電路板的需求。