寬頻微波接取技術---子計畫二：多層印刷電路板立體式寬頻微波濾波器與耦合器之開發與製作

Abstract

為配合總計劃寬頻微波通訊系統之要求，本子計畫將研製各項被動元件以滿足系統之需求，例如濾波器、平衡與非平衡轉換器、耦合器等。而重點將放在耦合器與濾波器之研究上。因為總計劃所擬的系統有寬頻、及多頻帶之特性，現今通訊系統之被動元件多半不適用。例如3至5甚至3至7甚或3至10GHz之濾波器便是其中之ㄧ例，而有時也需要可以變頻之濾波器或是超寬頻的180o魔術T岔路環耦合器，這種種都有待此子計劃來研究。 本研究將分三年來進行，第一年將製作多節式超寬頻的180o魔術T岔路環耦合器，第二年將利用多層印刷電路板技術製作四分之ㄧ波長的步階阻抗諧振腔(SIR，Step Impedance Resonator)濾波器，第三年則將研究對第二年提出的濾波器架構利用交錯耦合產生傳輸零點，藉以提高濾波器的選擇性，同時也要針對可調濾波器(Tunable filter)的可行性加以研究。而所有耦合器與濾波器之設計都將用最常見也最適合量產之印刷電路板製程來完成，為了達到特殊耦合器與濾波器之規格要求，將使用垂直安裝平面基板方式(VIP，Vertically Installed Planar circuit)，其特點是能夠製作極高阻抗的傳輸線或極緊耦合的耦合線，同時也是用印刷電路板製程。 第一年將發展一種多節式180o魔術T耦合器(multi-section 180o magic-T coupler)，如所周知多節式分支線90o耦合器(multi-section branch line 90o coupler)可以增加頻寬，但鮮少有人可以將180o魔術T耦合器以多節方式連接以增進頻寬，直到2002年Ang等人才找出了將傳統180o魔術T二個串接的方法，但他們只針對中心頻做解析，對不在中心頻率的響應會如何完全沒有探討，而且使用傳統岔路環式180o魔術T串接，頻寬並未獲得很大改善。基於此，第一年我們將提出一種以我們在1999年提出的理想化的180o魔術T岔路環結構以Ang的方式加以串接，初步模擬可以大大增加頻寬。預期將有二個困難點待解決，第一、因為Ang的串接方式必須將二微帶線交叉，如何將二微帶線交叉但不影響其射頻特性，關係到是否可以實際製作出所擬的耦合器，第二、如何推導出一套設計方程式可以預估串接後在整個頻段(而非只有中心頻)之頻率響應，以利設計者可以很容易的設計出想要的耦合量與響應函數。我們將在第一年的時間內解決這二個問題。 第二年將使用雙面印刷電路板製作四分之ㄧ波長的步階阻抗諧振腔(SIR，Step Impedance Resonator)濾波器，其耦合可以藉助交疊方式或使用一個非諧振點(NRN，Non-Resonant Node)介於二諧振腔之間的方式來達到寬頻之目的。同時也將進一步利用多層印刷電路板技術來將濾波器縮小，使用雙層板則濾波器中之諧振腔是以平行方式做二度空間之排列。使用多層板則有可能將各個諧振腔做三度空間垂直方向之堆疊與排列，如此則濾波器的尺寸將可以大幅縮小，目前多層板之層數已可達到八層，對我們的濾波器設計提供極大的彈性，預計也可以利用非諧振點的方式來控制諧振腔之間的耦合量，達到寬窄皆宜的需求。 第三年則將研究對第二年提出的濾波器架構探討交錯耦合或其他的方式產生有限頻率的傳輸零點的可能三度空間結構，藉以提高濾波器的選擇性，同時也要針對可調濾波器(Tunable filter)的可行性加以研究，因為可調濾波器有強大的性能，在軟體無線電中是一個重要元件，但相對的也非常難設計，尤其是濾波器的Q值將大幅下降是一個待克服的問題。