本簡易型雙工器計與製作於氧化鋁 (Al2O3)陶 瓷 基 板上 ， (厚度
h=1mm、介電常數 εγ=9.4、損失正切 tanδ<0.001)，輸出入採用 50Ω 微 帶傳輸線。使用三維電磁仿真軟體(Asys HFSS V12，HFSS)進行模擬與 調校，直到模擬結果與設計目標相符並達到可應用之特性，最後在將 設計完成之結構圖以 AutoCAD 的格式輸出進行網板製作，利用厚膜印 刷技術將所設計之濾波器圖型製作於在陶瓷基板上(使用 85%純度之銀 膠)。印刷完成後需放入高溫爐以 600℃/5 分鐘進行電極燒結，等到基 板冷卻至室溫後取出，再將 SMA 焊接於輸出入微帶線上。
焊接完成後，以網路分析儀量測其微波特性，再將所量測出之結 果與模擬之結果，進行比較與驗析。雙工器之設計與製作流程圖如圖 4-1 所示。
HFSS之模擬 採用氧化鋁(Al2O3)為基板 製作網板
進行網版印刷 電極燒結(600℃/5min)
焊接SMA接頭
網路分析儀量測 模擬與實作結果對照分析
圖 4-1 本研究之設計與製作流程圖
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本 研 究 提 出 簡易 型 頻 率 可調 式 雙工 器 ， 而 研究 採 用厚 膜 技 術 (Thick-Film Technology)厚膜技術可達到線路的立體化，所需要的製程 設備主要有 ATMA 網版印刷機與高溫燒結爐，而在製程上將所設計的 濾波器製作於氧化鋁(Al2O3)陶瓷基板上，相較於 FR4 基板，使用氧化 鋁基板能有效的縮小元件尺寸，而且氧化鋁陶瓷基板之損失正切(loss tangent,tanδ)小於 0.001，介電常數(permittivity,εr)9.4 與 FR4 基板之損失 正切 0.0254，介電常數 4.5 比較起來，氧化鋁陶瓷基板優於 FR4 基板。
4-2 雙工器設計與模擬實驗數據
本章節將介紹本研究之重點設計過程與模擬，先設計出簡易型雙工
器，然後再加以改良設計出殘段型雙工器，最後利用網版印刷技術做 出實作成品並測量結果。
4-2-1 簡易型雙工器設計與模擬
上一章節介紹了關於單一頻率的帶通濾波器設計方式，本節則嘗詴 將終端開路饋入線反射的概念應用於雙頻的濾波器設計，嘗詴把兩對 3.5和5.2 GHz的共振器整合至單饋入線雙輸出端結構，藉以達到雙頻濾 波的目的。圖4-2為雙公器等效電路，圖4-3為雙工器之示意圖，利用駐 波的概念，將不同頻率的能量有效的耦合至該頻率的共振器，而非共 振頻率以外的能量就藉由終端開路的傳輸線反射回來，以這樣的方式
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52
53
1 2 3 4 5 6 7
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S 11 a nd S 21 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21 S23 S31
圖 4-5 雙工器調變開環之距離為 0.4mm 其 S 參數圖。
(a) (b)
圖 4-6 雙工器其電流分佈示意圖(a)3.5GHz (b)5.2GHz。
如圖 4-6 雙工器電流分佈圖所示，可以看出頻率再 5.2GHz 時從輸 入端到輸出端之共振腔在下環，雖然電流強度都集中在輸入端之共振 腔位置，但電流路徑卻是向外散開；頻率再 3.5GHz 時從輸入端到輸出 端之共振腔在上環，且電流強度都集中在輸出端之位置，電流路徑方
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向都向共振腔集中，此簡易型雙工器可以精準的控制到所需的頻段位 置。
4-2-2 殘段型單頻濾波器設計模擬與實作
本章節先以單頻 3.5/5.2GHz 濾波器作為改良，在開環兩旁以對稱方 式加入殘段，首先在 3.5GHz 濾波器輸出端之開環兩旁加入殘段如圖 4-7，以開環作為中心殘段由近而遠慢慢找到最佳響應的位置，並且調 整殘段寬度對開環共振之影響如圖 4-8，並且做出實體及實體數據如圖 4-9、如圖 4-10，之後在將改良後兩對濾波器作結合，設計出殘段型雙 工器。
圖 4-7 3.5 GHz 耦合加入殘段結構示意圖。
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56
57
(a) (b)
圖 4-13 5.2GHz 殘段型濾波器實作圖(a)正面(b)背面
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
-50 -40 -30 -20 -10 0
S 11
,S 21 a nd S 22 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21 S22
圖 4-14 5.2GHz 耦合加入殘段實做其 S 參數圖。
4-2-3 雙工器殘段型設計模擬與實作
本章節將是本論文中設計重點之一，上一章節設計是屬於單頻率 波器的部分，本章節將提出雙工器殘段型的設計模擬與實作，首先將 上述單頻加入殘段之濾波器作結合如圖 4-15，由於結合後上開環與下 開環會有相互影響產生變化，所以上下之殘段需要再做調變，而調變 對頻率響應特性之影響如下，當殘段與開環距離等於 3mm 時如圖 4-16，
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5.2GHz 返回損失-17.5dB，3.5GHz 返回損失-17dB，而且 S23激發出插 入損失的效果也不甚理想。調變下環之殘段與開環距離之調變設計圖 型如圖 4-17，調變對頻率響應特性之影響如圖 4-18。當殘段與開環距 離等於 2.6mm 時，高頻 5.2GHz 返回損失(S11)是在-22dB，插入損失(S21) 是在-2dB 共振效果尚可，低頻 3.5GHz 返回損失(S11)是在-19dB，插入 損失(S23)是在-1.4dB 基頻之共振效果還不錯；當距離等於 3mm 時，兩 個共振模態已被明確的激發，而且操作頻率已接近期望之目的。
圖 4-15 調變上環殘段與開環距離之結構設計圖形。
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1 2 3 4 5 6 7
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S31 S23
S 11 a nd S 21 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21
圖 4-16 調變上環之殘段與開環距離其 S 參數圖。
圖 4-17 調變下環殘段與開環距離之結構設計圖形
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1 2 3 4 5 6 7
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S31 S23
S 11 a nd S 21 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21
圖 4-18 調變下環之殘段與開環距離其 S 參數圖。
由上述之結果得知，最終設計的雙工器殘斷型可得圖調變最後的結 果設計圖形如圖 4-19，調變後最佳的結果，當下環和上環殘段與開環 距離同時為 3mm 相對較合適之選擇如圖 4-19，3.5GHz 與 5.2GHz 都有 達到操作頻率之目的，S21 和 S23 之插入損失也都有很好的效果，也能 得知當殘段太接近開環，反而造成嚴重干擾，所以當殘段與開環距離 為 3mm 為最佳距離。兩個通帶之間的隔離度大約在 40dB，從這裡可 以得知，此簡易型雙階雙工器可以有效抑制該頻段的信號。
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圖 4-19 雙工器殘段型結構設計圖。
1 2 3 4 5 6 7
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S 11 a nd S 21 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21 S23 S31
圖 4-20 調變之最後結果其 S 參數圖。
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4-3 雙工器殘段型電流強度與路徑示意圖
從圖 4-21 電流路徑圖與圖 4-22 電流強度示意圖，可以看出頻率再 5.2GHz 時從輸入端到輸出端之共振腔在下環，雖然電流強度都集中在 輸入端之共振腔位置，但電流路徑卻是向外散開；頻率再 3.5GHz 時從 輸入端到輸出端之共振腔在上環，且電流強度都集中在輸出端之位置，
電流路徑方向都向共振腔集中，此簡易型雙工器可以精準的控制到所 需的頻段位置。
(a) (b) 圖 4-21 雙工器殘段型之模擬電流路徑示意圖。
(a)3.5 GHz (b) 5.2 GHz
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(a) (b) 圖 4-22 雙工器殘段型之模擬電流強度示意圖。
(a)3.5 GHz (b) 5.2 GHz
雙工器殘段型之電流強度示意圖，利用駐波的概念，將不同頻率的 能量有的耦合至該頻率的共振器，而非共振頻率以外的的能量就藉由 終端開路的傳輸線反射回來，以這樣的方式設計濾波器，則不需要額 外的匹配電路，只要設計不同頻率的共振器，及分析其該頻率的電場 強度分佈的強弱，就可以簡單的設計出多頻帶的雙工器。
4-4 實作成品與數據
本研究之實作成品數據如圖 4-23， S21和 S31實驗值之插入損失有 明顯的下降，在返回損失的比較上 5.2GHz 返回損失為-29dB，S32隔離 度大部分都在-40dB，3.5GHz 實驗值之返回損失為-10dB，所以本研究 所製作之簡易型雙工器已達成本研究之期望。圖 4-24 為本研究實作成
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品
1 2 3 4 5 6 7
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
S23 S31
S 11
a nd S 21 ( dB )
Frequency (GHz)
S11 S21
圖 4-23 雙工器殘段型實做 S 參數圖。
(a) (b) 圖 4-24 雙工器殘段型實作圖。(a)正面(b)背面
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