L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設(shè)計

關(guān)鍵詞： 帶狀線 小型化 低溫共燒陶瓷 傳輸零點

　　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波段四級分布帶通濾波器的實現(xiàn)方法。該帶通濾波器由四級諧振器組成，每級諧振器由三層平行放置的帶狀線排列而成，其中Z形帶狀線起到形成傳輸零點的作用，從而實現(xiàn)良好的帶外阻帶衰減。通過ADS電路仿真以及HFSS軟件三維建模設(shè)計，濾波器的加工測試結(jié)果與電磁仿真結(jié)果相匹配，四級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)計中采用了帶狀線分布式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)濾波器的小型化。

　　關(guān)鍵詞：帶狀線；小型化；低溫共燒陶瓷；傳輸零點

0引言

　　隨著國家大力發(fā)展無線通信技術(shù)，并制定互聯(lián)網(wǎng)+方針政策，無線移動通信技術(shù)迅猛發(fā)展，信息傳輸對傳輸系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。頻譜資源的緊張問題已經(jīng)迫在眉睫，相鄰頻段信號間的干擾比較大，人們在開發(fā)更高頻段信號的同時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)計阻帶高抑制的濾波器。為了實現(xiàn)設(shè)計指標(biāo)還要兼顧設(shè)計成本，新材料的技術(shù)開發(fā)成為焦點。而源于國外的一項實用的材料技術(shù)，低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)由于其成本低、實現(xiàn)體積小、三維集成靈活性好以及良好的陶瓷材料特點和簡單的制造過程，在微波領(lǐng)域已經(jīng)成為一個研究熱點。

　　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)體的電長度，具備生產(chǎn)高密度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)電路，目前可實現(xiàn)線寬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，因而在微波毫米波集成電路中廣泛應(yīng)用。

　　本文進行了L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設(shè)計，該濾波器采用帶狀線分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計而成。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)。在第一級諧振器與第四級諧振器間引入Z形交叉耦合可以增加傳輸零點，從而使得阻帶衰減增強。濾波器尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1濾波器原理設(shè)計

　　1.1濾波器原理分析

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

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

　　四級耦合諧振器的電感、電容以及耦合系數(shù)的計算如式(1)~式(4)所示，w為帶狀線的寬度，d為兩個相鄰帶狀線之間的距離，b為帶狀線與地面之間的距離，l為帶狀線的長度，f1 與 f2 為兩個本征頻率，其中四級諧振器處于磁導(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)計指標(biāo)，運用上述公式來完成初步的建模。

　　1.2傳輸零點

　　圖2四級諧振器的相位變化特性本文設(shè)計指標(biāo)要求阻帶帶外衰減大，而不引入交叉耦合，衰減效果會很差，因此引入Z形結(jié)構(gòu)，增加傳輸零點數(shù)目。Z形耦合的本質(zhì)是電耦合，在傳輸零點處會形成相位差為±180°，如圖2所示，當(dāng)工作頻率小于諧振頻率時，從諧振器1傳輸?shù)街C振器4會同時產(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，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零點［6］。

2四級濾波器的設(shè)計

　　2.1濾波器的設(shè)計理論

　　首先分析濾波器的具體參數(shù)指標(biāo)，運用ADS仿真軟件確定元件值的算法，以及濾波器的級數(shù)與結(jié)構(gòu)，對初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，使其達到設(shè)計指標(biāo)。然后運用HFSS設(shè)計軟件進行建模，確定陶瓷介質(zhì)參數(shù)、諧振級相關(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。最后進行試驗調(diào)試，加工生產(chǎn)濾波器，分析并測試性能［78］。

　　2.2四級濾波器的三維實現(xiàn)

　　本設(shè)計的中心頻率為1.46 GHz，屬于L波段。基于LTCC的三維設(shè)計模型，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3四級濾波器內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)構(gòu)成四級諧振單元，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。

　　信號從端口1進入第一諧振器，通過第二、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的作用，實現(xiàn)了阻帶衰減作用。

　　2.3仿真測試結(jié)果

　　L波段四級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)果達到設(shè)計指標(biāo)，可以根據(jù)HFSS軟件設(shè)計仿真模型，進行生產(chǎn)加工，其中實物圖與測試夾具如圖5所示。

　　四級帶通濾波器的實物測試結(jié)果如圖6所示，可以觀察，帶內(nèi)最大插損達到2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。實物測試結(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)計指標(biāo)，可以進行批量生產(chǎn)［9］。

3結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款性能良好的L波段四級分布帶通濾波器，根據(jù)設(shè)計指標(biāo)確定方案，通過三維建模、調(diào)試等工作完成LTCC三維實現(xiàn)。最后進行生產(chǎn)加工，并對成品進行測試，測試結(jié)果達到設(shè)計指標(biāo)，總結(jié)出引入Z形電容耦合會產(chǎn)生兩個傳輸零點，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、無繩電話機等產(chǎn)品，可以批量生產(chǎn)。

　　參考文獻

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