L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計

李博文，戴永勝

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

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L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計

李博文，戴永勝

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

提出了一種基于LTCC技術的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軟件三維建模設計，濾波器的加工測試結果與電磁仿真結果相匹配，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，設計中采用了帶狀線分布式結構來實現(xiàn)濾波器的小型化。

帶狀線；小型化；低溫共燒陶瓷；傳輸零點

引用格式：李博文，戴永勝. L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計[J].微型機與應用，2016,35(11)：28-30.

0　引言

隨著國家大力發(fā)展無線通信技術，并制定互聯(lián)網(wǎng)+方針政策，無線移動通信技術迅猛發(fā)展，信息傳輸對傳輸系統(tǒng)提出了更嚴格的要求。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計阻帶高抑制的濾波器。為了實現(xiàn)設計指標還要兼顧設計成本，新材料的技術開發(fā)成為焦點。而源于國外的一項實用的材料技術，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術由于其成本低、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，在微波領域已經(jīng)成為一個研究熱點。

LTCC的工藝包含低溫疊層燒結、高精度印刷疊層及封裝技術等多種流程，因此可以運用LTCC技術工藝制造濾波器?，F(xiàn)已知的LTCC濾波器具有品質因數(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，可以減小導體的電長度，具備生產高密度和復雜結構電路，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)的生產過程，可提高生產效率，縮短生產周期，減小成本[2]。

電感電容型結構設計復雜、元件間干擾大，帶內衰減大。而分布式諧振器結構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用。

本文進行了L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計，該濾波器采用帶狀線分布式結構設計而成。該濾波器的具體指標如下：中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，帶內插入損耗小于2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz

1　濾波器原理設計

1.1濾波器原理分析

四級帶狀線型分布式結構帶通濾波器的等效電路圖如圖1所示。

圖1　四級耦合諧振器的等效電路

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]。

(1)

Ci=8lεarch(exp(πw/2b))(F)

(2)

(3)

(4)

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率為μ、介電常數(shù)為ε的均勻介質中[4-5]。根據(jù)設計指標，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

本文設計指標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形結構，增加傳輸零點數(shù)目。Z形耦合的本質是電耦合，在傳輸零點處會形成相位差為±180°，如圖2所示，當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，此結構在通帶兩邊各有一個零點[6]。

2　四級濾波器的設計

2.1濾波器的設計理論

首先分析濾波器的具體參數(shù)指標，運用ADS仿真軟件確定元件值的算法，以及濾波器的級數(shù)與結構，對初始結構進行優(yōu)化設計，使其達到設計指標。然后運用HFSS設計軟件進行建模，確定陶瓷介質參數(shù)、諧振級相關參數(shù)，特別是耦合電容的大小及位置，獲得更好的帶外抑制。最后進行試驗調試，加工生產濾波器，分析并測試性能[7-8]。

2.2四級濾波器的三維實現(xiàn)

圖3　四級濾波器內部三維結構

本設計的中心頻率為1.46 GHz，屬于L波段?；贚TCC的三維設計模型，確定該濾波器的尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，介質選用相對介電常數(shù)為28的陶瓷材料 ，介質損耗角為tanθ=0.001 2，金屬導體材料為銀，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，構成四級諧振單元，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仿真測試結果

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

圖4　四級濾波器仿真圖

仿真結果達到設計指標，可以根據(jù)HFSS軟件設計仿真模型，進行生產加工，其中實物圖與測試夾具如圖5所示。

圖5　四級帶通濾波器實物與夾具圖

圖6　四級帶通濾波器實物測試圖

四級帶通濾波器的實物測試結果如圖6所示，可以觀察，帶內最大插損達到2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz

3　結論

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

[1] 戴永勝，陳相治.LTCC多級結構實現(xiàn)高性能微型帶通濾波器的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2014,37(8):79-81.

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[4] 劉祖華,劉斌,黃亮,等.應用于WLAN的低噪聲放大器及射頻前端的設計[J].電子技術應用,2014,40(1):38-40.

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戴永勝(1956-) 男，碩士，教授，主要研究方向：微波毫米波集成電路、微波子系統(tǒng)、天線陣列等。

Design of L band four-order distributed band-pass filter based on LTCC technology

Li Bowen,Dai Yongsheng

(School of Electronic and Optical Engineering ,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

This paper presents the implementation of a four-order distributed band-pass filter. The band-pass filter based on Low temperature co-fire ceramic(LTCC) technology is composed of four good performance resonators, each resonator is composed of three layer parallel strip-line, transmission zeros caused by Z strip-line achieve good stop-band attenuation through cross coupling. By ADS circuit simulation and the HFSS software to optimize the 3D modeling, the measurement results of filter match the electromagnetic simulation results, four-order band-pass filter ,center frequency is 1.46 GHz, the bandwidth is 250 MHz, within the scope of bandpass insertion loss is more than 2.56 dB, between 0 GHz and 1.22 GHz are superior to 36 dB, the size is only 4.5 mm x 3.2 mm x 1.5 mm. The filter belong to L spectrum, strip-line distributed structure is adopted in this design to realize the miniaturization of the filter.

strip-line; miniaturization; Low Temperature Co-Fire Ceramic(LTCC); transmission zeros

TN713

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.009

2016-01-12)

李博文(1990-)，通信作者 ，男，碩士研究生，主要研究方向:射頻與微波電路。E-mail：734955857@qq.com。