李博文，戴永勝

　　（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

　　摘要：提出了一種基于LTCC技術(shù)的L波段四級(jí)分布帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。該帶通濾波器由四級(jí)諧振器組成，每級(jí)諧振器由三層平行放置的帶狀線(xiàn)排列而成，其中Z形帶狀線(xiàn)起到形成傳輸零點(diǎn)的作用，從而實(shí)現(xiàn)良好的帶外阻帶衰減。通過(guò)ADS電路仿真以及HFSS軟件三維建模設(shè)計(jì)，濾波器的加工測(cè)試結(jié)果與電磁仿真結(jié)果相匹配，四級(jí)帶通濾波器的中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，通帶范圍內(nèi)插入損耗均優(yōu)于2.56 dB，在0 GHz~1.22 GHz頻率的帶外衰減優(yōu)于36 dB，尺寸僅為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。該濾波器頻段屬于L波段，設(shè)計(jì)中采用了帶狀線(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。

　　關(guān)鍵詞：帶狀線(xiàn)；小型化；低溫共燒陶瓷；傳輸零點(diǎn)

0引言

　　隨著國(guó)家大力發(fā)展無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，并制定互聯(lián)網(wǎng)+方針政策，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)迅猛發(fā)展，信息傳輸對(duì)傳輸系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。頻譜資源的緊張問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，相鄰頻段信號(hào)間的干擾比較大，人們?cè)陂_(kāi)發(fā)更高頻段信號(hào)的同時(shí)也在嘗試抗干擾的頻帶，目前已知目的一種有效方法就是設(shè)計(jì)阻帶高抑制的濾波器。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)還要兼顧設(shè)計(jì)成本，新材料的技術(shù)開(kāi)發(fā)成為焦點(diǎn)。而源于國(guó)外的一項(xiàng)實(shí)用的材料技術(shù)，低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)由于其成本低、實(shí)現(xiàn)體積小、三維集成靈活性好以及良好的陶瓷材料特點(diǎn)和簡(jiǎn)單的制造過(guò)程，在微波領(lǐng)域已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　LTCC的工藝包含低溫疊層燒結(jié)、高精度印刷疊層及封裝技術(shù)等多種流程，因此可以運(yùn)用LTCC技術(shù)工藝制造濾波器。現(xiàn)已知的LTCC濾波器具有品質(zhì)因數(shù)高、體積小、插損小、帶外衰減大等特性［1］。

　　低溫共燒陶瓷與其他集成技術(shù)相比，具有多樣性的材料配比度，具有一種材料包含不同的介電常數(shù)，這樣可以使其變化范圍增大，材料具有良好的電性能、高頻寬帶傳輸特性；電路板的疊層生產(chǎn)，可以減小導(dǎo)體的電長(zhǎng)度，具備生產(chǎn)高密度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)電路，目前可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)寬10 μm，層距20 μm的加工工藝；材料還具備大電流工作特性，有很好的兼容性，大大地提高了器件的穩(wěn)定性能；具有非連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，可提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，減小成本［2］。

　　電感電容型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、元件間干擾大，帶內(nèi)衰減大。而分布式諧振器結(jié)構(gòu)是由三層帶狀線(xiàn)平行放置而成，適用于L波段等中高頻波段，并且具有體積小、穩(wěn)定性好、易于與其他器件連接等優(yōu)點(diǎn)，因而在微波毫米波集成電路中廣泛應(yīng)用。

　　本文進(jìn)行了L波段四級(jí)分布LTCC帶通濾波器的設(shè)計(jì)，該濾波器采用帶狀線(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。該濾波器的具體指標(biāo)如下：中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，帶內(nèi)插入損耗小于2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。在第一級(jí)諧振器與第四級(jí)諧振器間引入Z形交叉耦合可以增加傳輸零點(diǎn)，從而使得阻帶衰減增強(qiáng)。濾波器尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1濾波器原理設(shè)計(jì)

　　1.1濾波器原理分析

　　四級(jí)帶狀線(xiàn)型分布式結(jié)構(gòu)帶通濾波器的等效電路圖如圖1所示。

　　從圖1四級(jí)耦合諧振器的等效電路可以看出，每級(jí)諧振器可以實(shí)現(xiàn)電感與電容特性，可以等效為電感電容并聯(lián)諧振，而每個(gè)諧振級(jí)之間還存在能量耦合，耦合系數(shù)如式（4）所示，其次每個(gè)諧振器都會(huì)對(duì)地產(chǎn)生寄生電容，其作用是增強(qiáng)阻帶衰減，Z形耦合電容C5的作用是增加傳輸零點(diǎn)，使得阻帶衰減變大［3］。

　　四級(jí)耦合諧振器的電感、電容以及耦合系數(shù)的計(jì)算如式(1)~式(4)所示，w為帶狀線(xiàn)的寬度，d為兩個(gè)相鄰帶狀線(xiàn)之間的距離，b為帶狀線(xiàn)與地面之間的距離，l為帶狀線(xiàn)的長(zhǎng)度，f1 與 f2 為兩個(gè)本征頻率，其中四級(jí)諧振器處于磁導(dǎo)率為μ、介電常數(shù)為ε的均勻介質(zhì)中［45］。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，運(yùn)用上述公式來(lái)完成初步的建模。

　　1.2傳輸零點(diǎn)

　　圖2四級(jí)諧振器的相位變化特性本文設(shè)計(jì)指標(biāo)要求阻帶帶外衰減大，而不引入交叉耦合，衰減效果會(huì)很差，因此引入Z形結(jié)構(gòu)，增加傳輸零點(diǎn)數(shù)目。Z形耦合的本質(zhì)是電耦合，在傳輸零點(diǎn)處會(huì)形成相位差為±180°，如圖2所示，當(dāng)工作頻率小于諧振頻率時(shí)，從諧振器1傳輸?shù)街C振器4會(huì)同時(shí)產(chǎn)生兩種相位變化，一種是相位90°+90°-90°+90°+90°=270°，另一種則是相位為90°，得出相位差為180°。而當(dāng)工作頻率高于諧振頻率時(shí)，同理，一種相位為90°-90°-90°-90°+90°=-90°，另一種仍然是90°，得出相位差為-180°。所以引入Z形交叉耦合后，此結(jié)構(gòu)在通帶兩邊各有一個(gè)零點(diǎn)［6］。

2四級(jí)濾波器的設(shè)計(jì)

　　2.1濾波器的設(shè)計(jì)理論

　　首先分析濾波器的具體參數(shù)指標(biāo)，運(yùn)用ADS仿真軟件確定元件值的算法，以及濾波器的級(jí)數(shù)與結(jié)構(gòu)，對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。然后運(yùn)用HFSS設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，確定陶瓷介質(zhì)參數(shù)、諧振級(jí)相關(guān)參數(shù)，特別是耦合電容的大小及位置，獲得更好的帶外抑制。最后進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，加工生產(chǎn)濾波器，分析并測(cè)試性能［78］。

　　2.2四級(jí)濾波器的三維實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)的中心頻率為1.46 GHz，屬于L波段。基于LTCC的三維設(shè)計(jì)模型，確定該濾波器的尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，介質(zhì)選用相對(duì)介電常數(shù)為28的陶瓷材料 ，介質(zhì)損耗角為tanθ=0.001 2，金屬導(dǎo)體材料為銀，厚度均為0.01 mm。如圖3所示，三維模型一共五層，第一層與第三層為加載電容層，第二層為電感電容層，第一、第二、第三層平行放置，圖3四級(jí)濾波器內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)構(gòu)成四級(jí)諧振單元，第四層為第一諧振器與第四諧振器之間的Z形交叉耦合電容(C5)，第五層為接地層。

　　信號(hào)從端口1進(jìn)入第一諧振器，通過(guò)第二、第三諧振器的耦合傳輸，從第四諧振器經(jīng)端口2輸出。其間Z形耦合電容起到了形成傳輸零點(diǎn)的作用，實(shí)現(xiàn)了阻帶衰減作用。

　　2.3仿真測(cè)試結(jié)果

　　L波段四級(jí)分布濾波器的模擬仿真結(jié)果如圖4所示，中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，帶內(nèi)插入損耗<2.66 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。

　　仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以根據(jù)HFSS軟件設(shè)計(jì)仿真模型，進(jìn)行生產(chǎn)加工，其中實(shí)物圖與測(cè)試夾具如圖5所示。

　　四級(jí)帶通濾波器的實(shí)物測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以觀(guān)察，帶內(nèi)最大插損達(dá)到2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。實(shí)物測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果是有差異的，原因包括陶瓷介質(zhì)材料的誤差、加工工藝的誤差、測(cè)試夾具引起的誤差等。雖然兩者的結(jié)果有些差異，但兩者的性能基本一致，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)［9］。

3結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一款性能良好的L波段四級(jí)分布帶通濾波器，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定方案，通過(guò)三維建模、調(diào)試等工作完成LTCC三維實(shí)現(xiàn)。最后進(jìn)行生產(chǎn)加工，并對(duì)成品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，總結(jié)出引入Z形電容耦合會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，使其具有優(yōu)良的帶外衰減特性等。該濾波器適用于DSTV、衛(wèi)星電視、PHS、無(wú)繩電話(huà)機(jī)等產(chǎn)品，可以批量生產(chǎn)。

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