摘 要： 提出了一種基于LTCC級聯技術的邊帶陡峭高阻帶抑制多級帶通濾波器的實現方法。該濾波器電路由兩個諧振部分級聯而成，每個部分均由電感耦合的四階諧振腔組成。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(Design Of Experiment)的設計方法，設計出一種尺寸小、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3.25 GHz，其1 dB帶寬為300 MHz，在1 GHz~2.86 GHz頻率上的衰減均優于60 dB，在3.64 GHz~3.84 GHz頻率上的衰減均優于80 dB，在4.08 GHz~5.8GHz頻率上的衰減均優于60 dB，體積僅為6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

　　關鍵詞： 高抑制；LTCC；帶通濾波器；傳輸零點

0 引言

　　由于集成電路系統的復雜度升高，高抑制濾波器的微型化已經成為目前微波電路系統的主要研究方向。在越來越復雜的電路系統中，很多微波元器件需要有良好的電性能以及很小的物理尺寸，并且其工作穩定性也需要非常好。目前，具有高阻帶抑制特性的微型化LTCC濾波器已經成為微波通信系統的研究重點 [1]。在生產制造方面，現階段的LTCC技術具有較大的優勢，它可以通過三維立體集成的方式進行加工制造，從而在微波器件的加工上運用非常廣泛。基于LTCC的三維立體集成技術可以用于實現具有高阻帶抑制的LTCC微型濾波器[2]。

　　帶通濾波器在無線通信以及衛星通信系統中起著重要作用[3]。在這些系統中，需要用到多個相近頻率的濾波器，每個濾波器相互之間會產生串擾。為了減小這種相互串擾，需要濾波器各自的阻帶衰減非常高而且矩形系數非常好，并且需要濾波器的尺寸盡可能小，尤其是在一些國防尖端設備中，系統對濾波器性能和尺寸的要求越來越高[4-5]。

　　為了實現每個濾波器阻帶內的高抑制特性，一般可以采用三種方法：一是用多個濾波器串接，二是增加濾波器內部的級數，三是在帶外增加傳輸零點。然而，如果采用濾波器串接的方式，串聯之后必會導致濾波器件整體尺寸擴大，這樣將不利于系統的小型化，還會增加整個濾波器件的傳輸損耗，并且濾波器串接之后由于相互干擾和匹配等問題，導致整體濾波特性無法保證，很可能需要重新設計。而直接增加級數，例如八級濾波器，各諧振級之間的耦合參數很多，使得調試難度非常大，而調試四級濾波器的難度相對容易許多。所以在實現級聯過程中，可以分為兩個部分進行設計，設計單個部分時需要進行優化設計，盡量保證尺寸小以及傳輸損耗小，從而在級聯過后，使得濾波器尺寸大幅度較小。通過交叉耦理論可以很好地實現在濾波器的設計中產生傳輸零點 [6-8]，此方法可以使濾波器通帶內線性相位一致性高，也可以很好地改善信號在傳輸中產生的相位失真，而且可以使濾波器在阻帶內的抑制非常高。

　　本文提出了一種通過設計一個四諧振級梳狀線帶通濾波器，運用內部級聯的方式實現八級濾波器的方法。

1 四級濾波器電路設計

　　1.1 四級濾波器電路原理分析

　　圖1是由四級梳狀線結構實現的帶通濾波器的電路結構圖，該濾波器結構是基于四階耦合諧振帶通濾波器的原型來實現的[9]。

　　式中的中心頻率f0由帶狀線的長度l和帶狀線寬度w決定，帶狀線兩接地板之間的距離b和相鄰兩根帶狀線間距d決定濾波器的帶寬，通過改變這些參數可以控制濾波器的各項指標。

　　1.2 交叉耦合傳輸零點分析

　　傳輸零點可以由不同方法來實現，其中微波信號通過不同的傳輸通路形成反相，可以產生傳輸零點 [10-12]。

　　圖2是四級帶通濾波器交叉耦合相位圖。根據交叉耦合理論可知，微波信號通過磁場耦合產生的相移為-90°，通過電場耦合產生的相移為+90°，在諧振頻率處的信號通過諧振器時不產生相位變化，即沒有相移，低于諧振頻率的微波信號產生的相移為+90°，高于諧振頻率的微波信號產生的相移為-90°。根據理論分析并且結合圖2計算相位：低于諧振頻率的微波信號，主路信號產生-90°相位，交叉路信號產生+90°相位，主路信號和交叉路信號相互抵消，從而產生傳輸零點。對于高于諧振頻率傳輸信號，主路信號產生-90°相位，交叉路信號產生+90°相位，主路信號和交叉路信號也相互抵消，從而產生傳輸零點，所以此結構在濾波器的通帶兩個邊帶均能產生相應的傳輸零點。

2 濾波器級聯

　　圖3是兩個部分諧振單元級聯的電路原理圖。該濾波器的實現是基于兩個四階耦合諧振單元通過一段串聯耦合電感進行級聯的八級梳狀線帶通濾波器。

　　圖3中，串聯耦合電感L45兩邊的兩部分四階耦合諧振單元相同，第四諧振單元與第五諧振單元之間的串聯耦合電感L45起到連接兩部分諧振單元的作用。通過兩部分四階耦合諧振單元級聯實現八級濾波器的濾波特性。

3 濾波器的三維實現

　　3.1 級聯濾波器的設計流程

　　⑴根據要求的各項指標，選定合適的濾波器電路拓撲結構[13-14]；

　　⑵根據帶狀線計算公式和HFSS軟件中的本征模求解方式，算出每一個諧振單元的大小；

　　⑶使用HFSS的雙模提取法，確定各個諧振級之間的耦合系數，計算出各個諧振級之間的距離；

　　⑷運用交叉耦合理論，精確控制結構中各個零點的位置，使濾波器的帶外抑制達到指標要求。在HFSS軟件中進行三維仿真，得到性能較好的四級濾波器模型；

　　⑸在三維模型中運用串聯耦合電感將設計好的兩部分相同的四階耦合諧振單元進行級聯，運用DOE(Design Of Experiment)的方法對模型的整體結構進行最后調試，得到最終性能優異的八級級聯濾波器的三維模型；

　　⑹提取八級濾波器的仿真數據，用LTCC工藝線進行加工，加工出的樣品用矢量網絡分析儀進行測試，并將測試結果與仿真曲線進行比較。

　　3.2 四級濾波器與八級濾波器的三維結構設計

　　圖4是所設計的四級濾波器的三維立體結構示意圖。濾波器的設計采用陶瓷介質，其介電常數為27，正切損耗角為0.002。濾波器的內部結構包括5層金屬圖形，其中第一層和第五層金屬圖形為接地板層。第二層金屬圖形為電容Cr層，第三層金屬圖形為電感電容LC層，第四層為交叉耦合電容層，通過Z字型交叉耦合帶狀線結構在第一級和第四級之間形成交叉耦合電容C14。

　　圖5是所設計的八級級聯LTCC濾波器三維立體結構示意圖。該濾波器左右兩部分結構與四級基本型LTCC濾波器基本相同，兩部分四級諧振單元通過串聯耦合電感L45級聯。

4 模型仿真與測試結果比較

　　在完成整體模型后，通過DOE方法對整體模型進行微調，使其仿真性能滿足指標要求并留有余量，然后將設計完成的濾波器模型在LTCC生產線上進行加工制造。

　　圖6是該濾波器最終的仿真曲線與實物測試曲線的比較。從圖6可以看出，三維仿真曲線和測試曲線的一致性很好。從測試結果可以看出，在通帶3.1 GHz~3.4 GHz內插損均小于3.5 dB。低阻帶1 GHz~2.86 GHz內的衰減都優于60 dB。高阻帶3.64 GHz~3.84 GHz內的衰減均優于80 dB，4.08 GHz~5.8 GHz內的衰減均優于60 dB。

　　這種具有邊帶陡峭高阻帶抑制的LTCC級聯帶通濾波器的尺寸僅為：6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

5 結論

　　本文基于四階耦合諧振帶通濾波器原型，運用級聯技術設計了一款具有邊帶陡峭高阻帶抑制的LTCC級聯帶通濾波器。在四級帶通濾波器的基礎上，通過串聯耦合電感對兩部分四階耦合諧振單元進行級聯，并引入交叉耦合，使得高頻端和低頻端阻帶各引入相應的傳輸零點，滿足了濾波器阻帶高抑制的要求。利用三維仿真軟件HFSS搭建相應的三維模型。生產出的濾波器測試曲線與三維仿真曲線吻合很好。

參考文獻

　　[1] FRAZIER A B , WARRINGTUN R O, FRIEDRICH C. The miniaturization technologies: Past, present, and future [J]. IEEE Trans Magn, 1995, 42(10): 423-430.

　　[2] SCRANTOM C Q, LAWSON J C. LTCC technology: Where we are and where we’re going-II [J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1999(1): 193-200.

　　[3] Lucero R, Qutteneh W, Pavio A. et al. Design of an LTCC switch diplexer front-end module for GSM DCS PCS applications[C]. Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC) Symposium,2001：213-216.

　　[4] Dai Y S, Yao Y F, Li B S, et al. Design and implementation of an LTCC filter with high stopband rejection[C]. SINGAPORE:IEEE Internation Symposium on Radio-Frequency Integration Technology, 2009: 51-54.

　　[5] Dai Y S, Li B S, Ye Z H, et al. A miniaturized LTCC bandpass filter with low insertion loss and high image rejection within 6.5 to 7.1 GHz frequency range[C]. SINGAPORE: Asia Pacific Microwave Conference, 2009: 1307-1309

　　[6] YEUNGL K, WU K L.A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros [J].IEEE

　　（上接第29頁）

　　Trans on MTT,2003,51(2):337-341.

　　[7] ANGC W, LIN Y C , CHANGC Y . Realization of transmission zeros in combline filters using an inductively coupled ground plane [J].IEEE Trans on MTT,2003,51(10):2112-2118.

　　[8] LEUNG W Y, CHENG K K M, WU K L. Multilayer LTCC bandpass filter design with enhanced stopband characteristics [J].IEEE Microwave and Wireless Components Ltters, 2002,12(7):240-242.

　　[9] POZAR D M. 微波工程(第三版) [M]. 北京: 電子工業出版社, 2006.

　　[10] TANG C W, LIN Y C, CHANG C Y. Realization of transmission zeros in combline filter using an auxiliary inductively coupled ground plane [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003, 51(10): 2112-2118.

　　[11] JOSHI H, CHAPPELL W J. Dual-band lumped-element band-pass filter [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2006, 54(12): 4169-4177.

　　[12] DAI Y S, YE Z H, LI B S. A miniaturized and low insertion loss LTCC filter with two finite transmission zeros for bluetooth application [C]. IEEE MTT-S Int Microwave Workshop Series on, 2008, 132-134.

　　[13] SONG H S, LEE Y S. A miniaturized 2.4 GHz band multi-layer band-pass filter using capacitively loaded λ/4 slow-wave resonator [J]. IEEE MTT-S Int Microwave Symp Dig, 2003(1): 515-518.

　　[14] RAMBABU K, BORNEMANN J. Simplified analysis technique for the initial design of LTCC filters with all-capacitive coupling [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(5): 1787-1791.