LTCC多級結構實現高性能微型帶通濾波器的研究

摘要：提出了一種基于LTCC多級結構實現高性能微型帶通濾波器的實現方法。該濾波器電路由6個由電感耦合的諧振腔組成。在一般抽頭式梳狀線濾波器設計的基礎上，引入了交叉耦合，形成傳輸零點，并結合電路仿真以及三維電磁場仿真，輔之以DOE的設計方法，設計出了一種尺寸小、頻率選擇性好、邊帶陡峭、阻帶抑制高的濾波器。實際測試結果與仿真結果吻合較好，中心頻率為2.925 GHz，其1 dB帶寬為170 MHz，在1～2.703 GHz頻率上的衰減均優于35 dB，在3.147～6 GHz頻率上的衰減均優于35 dB，體積僅為4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

0 引言

隨著無線通信和國防精密電子設備的發展，微波/射頻領域的發展趨勢愈來愈向高性能、低成本和小型化發展。在微波頻段，運用LTCC（低溫共燒陶瓷即低溫共燒陶瓷）技術實現無源器件，如濾波器，采用三維集成的方式，具有結構緊湊，易于集成，設計方便等突出優勢，因而成為這個領域的研究熱點。帶通濾波器是無線通信系統中的重要無源元件[1]。RF濾波器作為射頻收發模塊和無線通信系統中的重要無源元件，一直是微波射頻領域研究的熱點。LTCC技術具有三維集成的優勢，從而在微波頻帶被廣泛用于加工各種微波無源器件，實現了高度集成的無源元件。同時LTCC技術也是實現SIP和SOP技術的重要平臺?；贚TCC技術設計的濾波器相比其他技術具有體積小，成本低，性能好，可靠性高等優勢，所以LTCC技術是未來無線通信系統的發展趨勢[2?3]隨著無線通信系統的快速發展，頻率資源越來越緊張，當濾波器被用在多個相鄰的中心頻率的系統中，為了減少相鄰信道之間的相互干擾，需要用到邊帶陡峭和阻帶抑制高的濾波器。尤其在一些復雜的尖端防御設備中，為了確保系統性能，系統對濾波器的電性能和尺寸有著特別苛刻的要求[4?5]。

本文設計了一種LTCC梳狀線結構的六級帶通濾波器的中心頻率f0=2.925 GHz，通帶寬度170 MHz，通帶內起伏＜1 dB，帶內駐波＜1.5，通過引入交叉耦合產生傳輸零點的方法在LTCC濾波器的設計中可以很好的實現[6?8]，從而達到具有邊帶陡峭和高抑制的高性能。而濾波器尺寸僅為4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

1 理論分析

1.1 原理分析

圖1是六階諧振單元帶通濾波器的電路圖，該濾波器的實現是基于六階耦合諧振單元帶通濾波器的原型[9]。

圖1 六階耦合諧振單元帶通濾波器的電路圖

式中：f0為濾波器的中心頻率（單位：Hz）；w為帶狀線的寬度；b為帶狀線上下兩塊接地板的距離；l為帶狀線的長度；d為相鄰兩根帶狀線間距；μ為磁導率；ε介電常數；f1和f2是利用HFSS的本征模求解器，設置的兩個本征頻率。

1.2 零點產生原理分析

微波電路中傳輸零點的形成方式有很多種，例如信號通過不同的電路耦合形成反相抵消、通過一個串聯諧振信號流入地、在主路加入并聯諧振器進行全反射等，在這里只分析第一種情形，即利用交叉耦合原理形成傳輸零點[10?12]。圖2是交叉耦合相位示意圖。微波信號通過第一諧振級之后，其中一部分通過主路的第二諧振級、第三諧振級、第四諧振級、第五諧振級的磁耦合到第六諧振級，另一部分信號通過交叉路的電耦合從第二諧振級傳輸到第五諧振級。根據相位分析，信號通過磁耦合相移-90°，通過電耦合相移+90°，諧振頻點的信號通過諧振器相移為0°，比諧振頻率低的信號相移+90°，比諧振頻率高的信號相移-90°。根據圖2計算相位：對于比諧振頻率低的信號，主路相位=-90°+90°-90°+90°-90°+90°-90° +90°-90°=-90°，交叉路相位=-90°+90°+90°+90°-90°= +90°，兩路信號反相抵消形成零點；然而對于比諧振頻率高的信號，主路相位=-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°=-90°，交叉路相位=-90°-90°+ 90°-90°-90°=+90°，兩路信號也反相抵消形成零點，所以此結構在通帶兩邊各有一個零點。

圖2 交叉耦合相位示意圖

2 三維實現方式

2.1 設計方法與流程

（1）根據給定的技術指標，確定濾波器的級數，選擇合適的電路拓撲結構[13?14]；

（2）運用帶狀線計算公式以及HFSS的本征模求解器計算出單個諧振單元的大??；

（3）利用HFSS和雙模耦合系數提取的方法確定各諧振級間的耦合系數，從而確定各個相鄰諧振級之間的耦合距離；

（4）通過調整耦合電容精確控制零點位置，實現技術指標的衰減要求。使用HFSS軟件優化仿真，得到六階濾波器的三維模型；

（5）運用DOE（Design of Experiment）的設計方法對模型的整體結構進行微調，得到性能優異的六階濾波器的最終三維模型；

（6）提取仿真數據，采用LTCC技術來制造該濾波器，并將測試的頻率響應特性曲線與設計仿真結果進行比較，驗證該濾波器設計方法的正確性。

2.2 六級濾波器的三維結構

圖3是六級LTCC濾波器設計的內部三維結構示意圖。設計該濾波器使用的陶瓷介電常數為9.2，損耗角正切為0.002。如圖3所示，三維模型包括6層金屬圖形，其中第一層和第六層為接地層。第二層和第四層為加載電容層Cr層，第三層是電感電容L，C層，從圖3中可以看出，第二、第三和第四層的金屬可以等效為6個并聯諧振單元。第五層為一個交叉耦合層，第五層的Z型交叉耦合結構與第二和第五諧振級之間形成交叉耦合，產生耦合電容C14。

3 仿真與測試結果

在完成整體設計之后，對模型進行的微調以滿足指標要求，在相應的LTCC生產線完成加工，完成的濾波器樣品和測試夾具如圖4所示。圖4是采用LTCC技術來實現濾波器設計的樣品，該濾波器的加工c采用了相對介電常數為9.2，損耗角為0.002的陶瓷介質，共燒的金屬為銀，其共燒厚度控制在為10 μm左右。

圖3 六級基本型LTCC濾波器的內部三維立體結構示意圖

圖4 濾波器實物及測試夾具

圖5、圖6分別是該濾波器的三維仿真曲線與實物測試曲線。利用安捷倫的矢網分析儀對該濾波器的S參數曲線進行相應的測試，從圖5、圖6可以看出，測試出的幅頻特性曲線與三維仿真曲線的一致性比較好。從仿真結果來看，在通帶2.84～3.01 GHz內插損均小于3.5 dB，帶內駐波均小于1.5。低阻帶從1～2.703 GHz頻率上的衰減均優于35 dB。高阻帶從3.147～6 GHz頻率上的衰減均優于35 dB。測試曲線與仿真曲線基本一致。這種具有邊帶陡峭和高阻帶抑制特性的高性能LTCC微型帶通濾波器的尺寸僅為：4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

4 結語

本文基于六階抽頭式耦合諧振帶通濾波器原型，在結構上對傳統的抽頭式帶通濾波器進行改進，設計了一款具有邊帶陡峭高阻帶抑制特性的高性能LTCC微型帶通濾波器。在六階帶通原型基礎上，引入交叉耦合結構，使得高低端阻帶各產生了相應的傳輸零點，滿足了系統對特殊頻點高抑制的指標要求。生產出的濾波器測試曲線與三維仿真曲線吻合很好。此外該濾波器還具有尺寸小、結構簡單和易于設計等優點，可以廣泛應用于國防精密電子設備以及RF無線通信系統中，在微波通信系統中有著廣闊的應用前景。

圖5 濾波器的三維仿真曲線

圖6 濾波器的測試曲線

審核編輯：湯梓紅