摘要：提出了一種基于LTCC多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能微型帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。該濾波器電路由6個(gè)由電感耦合的諧振腔組成。在一般抽頭式梳狀線濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，引入了交叉耦合，形成傳輸零點(diǎn)，并結(jié)合電路仿真以及三維電磁場(chǎng)仿真，輔之以DOE的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)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(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)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(yōu)于35 dB，在3.147～6 GHz頻率上的衰減均優(yōu)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(guó)防精密電子設(shè)備的發(fā)展，微波/射頻領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)愈來愈向高性能、低成本和小型化發(fā)展。在微波頻段，運(yùn)用LTCC（低溫共燒陶瓷即低溫共燒陶瓷）技術(shù)實(shí)現(xiàn)無源器件，如濾波器，采用三維集成的方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，設(shè)計(jì)方便等突出優(yōu)勢(shì)，因而成為這個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。帶通濾波器是無線通信系統(tǒng)中的重要無源元件[1]。RF濾波器作為射頻收發(fā)模塊和無線通信系統(tǒng)中的重要無源元件，一直是微波射頻領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。LTCC技術(shù)具有三維集成的優(yōu)勢(shì)，從而在微波頻帶被廣泛用于加工各種微波無源器件，實(shí)現(xiàn)了高度集成的無源元件。同時(shí)LTCC技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)SIP和SOP技術(shù)的重要平臺(tái)。基于LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)的濾波器相比其他技術(shù)具有體積小，成本低，性能好，可靠性高等優(yōu)勢(shì)，所以LTCC技術(shù)是未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2?3]隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，頻率資源越來越緊張，當(dāng)濾波器被用在多個(gè)相鄰的中心頻率的系統(tǒng)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(fù)雜的尖端防御設(shè)備中，為了確保系統(tǒng)性能，系統(tǒng)對(duì)濾波器的電性能和尺寸有著特別苛刻的要求[4?5]。

本文設(shè)計(jì)了一種LTCC梳狀線結(jié)構(gòu)的六級(jí)帶通濾波器的中心頻率f0=2.925 GHz，通帶寬度170 MHz，通帶內(nèi)起伏＜1 dB，帶內(nèi)駐波＜1.5，通過引入交叉耦合產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的方法在LTCC濾波器的設(shè)計(jì)中可以很好的實(shí)現(xiàn)[6?8]，從而達(dá)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(shí)現(xiàn)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(zhǎng)度；d為相鄰兩根帶狀線間距；μ為磁導(dǎo)率；ε介電常數(shù)；f1和f2是利用HFSS的本征模求解器，設(shè)置的兩個(gè)本征頻率。

1.2 零點(diǎn)產(chǎn)生原理分析

微波電路中傳輸零點(diǎn)的形成方式有很多種，例如信號(hào)通過不同的電路耦合形成反相抵消、通過一個(gè)串聯(lián)諧振信號(hào)流入地、在主路加入并聯(lián)諧振器進(jìn)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(diǎn)[10?12]。圖2是交叉耦合相位示意圖。微波信號(hào)通過第一諧振級(jí)之后，其中一部分通過主路的第二諧振級(jí)、第三諧振級(jí)、第四諧振級(jí)、第五諧振級(jí)的磁耦合到第六諧振級(jí)，另一部分信號(hào)通過交叉路的電耦合從第二諧振級(jí)傳輸?shù)降谖逯C振級(jí)。根據(jù)相位分析，信號(hào)通過磁耦合相移-90°，通過電耦合相移+90°，諧振頻點(diǎn)的信號(hào)通過諧振器相移為0°，比諧振頻率低的信號(hào)相移+90°，比諧振頻率高的信號(hào)相移-90°。根據(jù)圖2計(jì)算相位：對(duì)于比諧振頻率低的信號(hào)，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(hào)反相抵消形成零點(diǎn)；然而對(duì)于比諧振頻率高的信號(hào)，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(hào)也反相抵消形成零點(diǎn)，所以此結(jié)構(gòu)在通帶兩邊各有一個(gè)零點(diǎn)。

圖2 交叉耦合相位示意圖

2 三維實(shí)現(xiàn)方式

2.1 設(shè)計(jì)方法與流程

（1）根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)，確定濾波器的級(jí)數(shù)，選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13?14]；

（2）運(yùn)用帶狀線計(jì)算公式以及HFSS的本征模求解器計(jì)算出單個(gè)諧振單元的大小；

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

（4）通過調(diào)整耦合電容精確控制零點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的衰減要求。使用HFSS軟件優(yōu)化仿真，得到六階濾波器的三維模型；

（5）運(yùn)用DOE（Design of Experiment）的設(shè)計(jì)方法對(duì)模型的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，得到性能優(yōu)異的六階濾波器的最終三維模型；

（6）提取仿真數(shù)據(jù)，采用LTCC技術(shù)來制造該濾波器，并將測(cè)試的頻率響應(yīng)特性曲線與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證該濾波器設(shè)計(jì)方法的正確性。

2.2 六級(jí)濾波器的三維結(jié)構(gòu)

圖3是六級(jí)LTCC濾波器設(shè)計(jì)的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計(jì)該濾波器使用的陶瓷介電常數(shù)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(gè)并聯(lián)諧振單元。第五層為一個(gè)交叉耦合層，第五層的Z型交叉耦合結(jié)構(gòu)與第二和第五諧振級(jí)之間形成交叉耦合，產(chǎn)生耦合電容C14。

3 仿真與測(cè)試結(jié)果

在完成整體設(shè)計(jì)之后，對(duì)模型進(jìn)行的微調(diào)以滿足指標(biāo)要求，在相應(yīng)的LTCC生產(chǎn)線完成加工，完成的濾波器樣品和測(cè)試夾具如圖4所示。圖4是采用LTCC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)濾波器設(shè)計(jì)的樣品，該濾波器的加工c采用了相對(duì)介電常數(shù)為9.2，損耗角為0.002的陶瓷介質(zhì)，共燒的金屬為銀，其共燒厚度控制在為10 μm左右。

圖3 六級(jí)基本型LTCC濾波器的內(nèi)部三維立體結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 濾波器實(shí)物及測(cè)試夾具

圖5、圖6分別是該濾波器的三維仿真曲線與實(shí)物測(cè)試曲線。利用安捷倫的矢網(wǎng)分析儀對(duì)該濾波器的S參數(shù)曲線進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，從圖5、圖6可以看出，測(cè)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(jié)果來看，在通帶2.84～3.01 GHz內(nèi)插損均小于3.5 dB，帶內(nèi)駐波均小于1.5。低阻帶從1～2.703 GHz頻率上的衰減均優(yōu)于35 dB。高阻帶從3.147～6 GHz頻率上的衰減均優(yōu)于35 dB。測(cè)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(jié)語(yǔ)

本文基于六階抽頭式耦合諧振帶通濾波器原型，在結(jié)構(gòu)上對(duì)傳統(tǒng)的抽頭式帶通濾波器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)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(chǔ)上，引入交叉耦合結(jié)構(gòu)，使得高低端阻帶各產(chǎn)生了相應(yīng)的傳輸零點(diǎn)，滿足了系統(tǒng)對(duì)特殊頻點(diǎn)高抑制的指標(biāo)要求。生產(chǎn)出的濾波器測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于國(guó)防精密電子設(shè)備以及RF無線通信系統(tǒng)中，在微波通信系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 濾波器的三維仿真曲線

圖6 濾波器的測(cè)試曲線

審核編輯：湯梓紅