高性能LTCC雙工器的研究與設(shè)計(jì)

喬冬春，戴永勝

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高性能LTCC雙工器的研究與設(shè)計(jì)

喬冬春，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）

提出一種基于LTCC技術(shù)的雙工器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。根據(jù)指標(biāo)設(shè)計(jì)出相應(yīng)頻段的分支濾波器，再利用T型結(jié)將兩濾波器的輸入端相連接，構(gòu)成雙工器的輸入端，最后將它們一體封裝。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)項(xiàng)目需要，設(shè)計(jì)了一款通帶分別為3.45~3.85 GHz和4.9~5.9 GHz的雙工器，并利用LTCC技術(shù)加工制造，通帶的插入損耗小于2 dB，回波損耗優(yōu)于–15 dB，尺寸僅為4 mm×10 mm×2 mm。

雙工器；濾波器；小型化；低溫共燒陶瓷；插入損耗；T型結(jié)

雙工器或多工器是一種廣泛應(yīng)用于無線電接收機(jī)的重要微波器件。兩者均以濾波器設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)異頻信號(hào)的合路或單個(gè)寬頻信號(hào)的多路頻段分割。不同之處在于，雙工器處理的路數(shù)較少，只有兩路，多工器則可以存在多路[1]。

一個(gè)好的微波雙工器需要有好的隔離度以及低的插入損耗。對(duì)于低插入損耗可以采用高溫超導(dǎo)技術(shù)或者波導(dǎo)、腔體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)；為了使得雙工器具有好的隔離度，構(gòu)成雙工器中的濾波器應(yīng)該具有高的頻率選擇特性以抑制不需要信號(hào)的元件。濾波器中諧振器之間的交叉耦合可以在其通帶附近產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，從而使得濾波器的頻率響應(yīng)具有高的選擇特性[2]。

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic）是1982年開始發(fā)展起來的令人矚目的整合組件技術(shù)，已經(jīng)成為無源器件集成的主流技術(shù)。利用LTCC制備片式無源集成器件和模塊具有許多優(yōu)點(diǎn)：布線密度高，其布線層數(shù)沒有限制；材料高頻特性優(yōu)異，氣密性理想，熱穩(wěn)定性良好；可以采用高電導(dǎo)率的金、銀或銅導(dǎo)體；內(nèi)部可以埋置無源元件；可以制作空腔；形成非常規(guī)形狀集成封裝等。

本文針對(duì)具體項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一款通帶為3.45 ~3.85 GHz及4.9~5.9 GHz的雙工器，通過加載對(duì)地電容及采用級(jí)間交叉耦合，減小了雙工器體積，提高了輸出端口間隔離度，最后通過LTCC技術(shù)加工制造。

1 分支濾波器設(shè)計(jì)

1.1 電容加載諧振器

傳輸線諧振器由TEM（Transverse Electric and Magnetic Field）傳輸線構(gòu)成，主要分為1/4波長(zhǎng)短路型和1/2波長(zhǎng)開路型等，當(dāng)頻率較低時(shí)，其線長(zhǎng)較長(zhǎng)，不利于系統(tǒng)的小型化，本節(jié)將討論加載對(duì)地電容對(duì)1/4波長(zhǎng)短路型諧振器的小型化作用[3]。

如圖1所示，諧振器1特性阻抗為0，電長(zhǎng)度為1，諧振器2特性阻抗為0，電長(zhǎng)度為2，加載電容的電納值為，根據(jù)傳輸線理論可得，諧振器1、2的輸入阻抗：

in1=j0tan1

1.2 交叉耦合理論

為了提高雙工器兩輸出端口之間的隔離度，必須使得分支濾波器的帶外衰減足夠陡峭，最有效的辦法便是在通帶兩端添加零點(diǎn)。根據(jù)濾波器傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理，要使得濾波器產(chǎn)生有限傳輸零點(diǎn)，就要為信號(hào)在濾波器中的傳輸設(shè)置多條傳輸路徑，使多路信號(hào)在某一個(gè)或多個(gè)頻率點(diǎn)相位相反幅度相同[4]。

如圖2所示，以四級(jí)濾波器為例，通過引入一、四級(jí)交叉電耦合，對(duì)不同傳輸路徑信號(hào)相移進(jìn)行分析,低于諧振頻率時(shí)，主傳輸通道（S-R1-R2-R3-R4-L）相移+90°–90°+90°–90°+90°–90°+90°=90°；交叉耦合通道（S-R1-R4-L）相移+90°+90°+90°=270°；兩者相位差為180°，會(huì)在通帶低端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。高于諧振頻率，主傳輸通道（S-R1-R2-R3-R4-L）信號(hào)相移–90°–90°–90°–90°–90°–90°–90°=–630°；耦合傳輸通道相移–90°+90°–90°=–90°；主副傳輸通道信號(hào)相位差為–540°等效為180°，信號(hào)相位相反，相互抵消，形成一個(gè)零點(diǎn)。在本文分支濾波器中，引入了交叉電耦合，構(gòu)建了一條新的信號(hào)傳輸路徑，在通帶兩端產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了通帶阻帶的陡峭過渡[5]。

圖2 諧振器間交叉耦合特性圖

1.3 濾波器結(jié)構(gòu)分析與仿真

如圖3所示，本文雙工器中的分支濾波器采用四級(jí)諧振結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體層包括五個(gè)金屬層，第一層為交叉耦合電容層，第二、第四層為加載電容層，第三層為主諧振級(jí)層，第五級(jí)為公共地層。圖中共四個(gè)諧振級(jí)，加上第一層的Z形所帶來的交叉電耦合，在通帶兩端生成兩個(gè)傳輸零點(diǎn)。其參數(shù)曲線如圖4及圖5，兩個(gè)濾波器在通帶兩側(cè)均有傳輸零點(diǎn)，邊帶衰減較一般濾波器陡峭許多。

圖4 濾波器1的S參數(shù)曲線

圖5 濾波器2的S參數(shù)曲線

2 雙工器設(shè)計(jì)

2.1 T型結(jié)阻抗變換

T型結(jié)不僅起到功率分配的作用，同時(shí)為了使兩個(gè)濾波器不互相影響，在分支帶通濾波器前還需要串聯(lián)一段長(zhǎng)度為/4（為另一分支濾波器中心頻率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波波長(zhǎng)），特性阻抗為50W的傳輸線變換后接到公共輸入端口，由阻抗變換公式可知，在另一濾波器通帶，1→0，則，此時(shí)該分支濾波器近似開路，對(duì)另一分支濾波器影響降到最低[6]，另一濾波器接法類似。其具體操作可以如下：將分支濾波器在HFSS（High Frequency Structure Simulation）中的仿真結(jié)果導(dǎo)出為S2P文件，利用ADS（Advanced Design System）中的LineCalc工具計(jì)算出對(duì)應(yīng)的匹配支節(jié)長(zhǎng)度與寬度，之后利用optim控件對(duì)T型結(jié)長(zhǎng)度、寬度進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示，在得到最優(yōu)化結(jié)果后在HFSS中建模。

2.2 雙工器仿真與測(cè)試

在對(duì)T型結(jié)優(yōu)化完成之后，在HFSS中將其與兩個(gè)濾波器共同建模，并封裝于一陶瓷介質(zhì)中，最終雙工器采取T形端口分布，即輸入端口位于雙工器中央，兩個(gè)輸出端口位于雙工器兩側(cè)，其模型如圖7所示。由于ADS中仿真是基于矩量法，其在三維結(jié)構(gòu)中準(zhǔn)確性會(huì)受到影響，因此還必須對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化，其最終結(jié)果如圖8所示。

圖8 雙工器的S參數(shù)仿真

總體設(shè)計(jì)完成后，采用相對(duì)介電常數(shù)13.3，損耗角0.002的陶瓷作為介質(zhì)，厚度為10 mm的銀作為導(dǎo)體，該雙工器成功地在生產(chǎn)線制造出來如圖9所示，尺寸僅為4 mm×10 mm×2 mm。圖10為經(jīng)過LTCC工藝加工制造樣品的參數(shù)曲線，測(cè)試采用Agilent 8719ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，由圖10可見，傳輸函數(shù)曲線與圖8仿真曲線基本吻合，通帶3.45~3.85 GHz及4.9~5.9 GHz插入損耗小于–2 dB，回波損耗優(yōu)于–15 dB，符合項(xiàng)目需求。

圖9 樣品照片

圖10 雙工器的S參數(shù)測(cè)試曲線

3 結(jié)論

提出了一種雙工器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并通過LTCC工藝加工實(shí)現(xiàn)，通過加載接地電容，減小了雙工器的體積，引入級(jí)間交叉耦合，提高了輸出端口間的隔離度，同時(shí)運(yùn)用T型結(jié)阻抗變換，最終實(shí)現(xiàn)了該雙工器的設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)方法科學(xué)規(guī)范，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 馬延爽. 微波雙工器和多工器的設(shè)計(jì)[J]. 無線電通信技術(shù), 1997(4): 17-21.

[2] 陳世勇, 雷劍梅, 胡旭, 等. 一種具有傳輸零點(diǎn)的Hairpin帶通 濾波器設(shè)計(jì)[J]. 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2005, 10(4): 145-147.

[3] 甘本袯, 吳萬春. 現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1972.

[4] 李雁, 戴永勝. 一種基于LTCC技術(shù)的UHF波段高性能帶通濾波器[J]. 固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2014, 34(4): 367-380.

[5] 王正偉, 補(bǔ)世榮, 羅正祥. 一種識(shí)別雷達(dá)用半集總參數(shù)LTCC雙工器[J]. 微波學(xué)報(bào), 2011, 27(6): 81-83.

[6] 田歌, 楊瑾屏, 史生才, 等. 三端口T型接頭建模研究及高性能分支線耦合器設(shè)計(jì)[J]. 電子學(xué)報(bào), 2014, 42(1): 199-203.

（編輯：曾革）

Research and design of a high-performance LTCC diplexer

QIAO Dongchun, DAI Yongsheng

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

A method of designing and implementing LTCC diplexer was proposed. Two branch filters were designed according to the pass bands and technical indexes, then the input ports of the two filters were connected with T junction to make up the common input port, finally, they were packaged them into a single ceramic block. This kind of design has the advantages of simple structure, small size and high isolation. According to the requirement of current project, a diplexer with pass band of 3.45－3.85 GHz and 4.9－5.9 GHz is designed, the insertion loss is less than –2 dB, the return loss is better than –15 dB and the size is only 4 mm×10 mm×2 mm.

diplexer; filter; miniaturization; LTCC; insertion loss; T junction

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.011

TN713

A

1001-2028（2016）07-0046-03

2016-04-11

戴永勝

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃資助（No. 2009CB320201）；國家國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助（No. 9140C1402021102）

戴永勝（1956－），男，安徽安慶人，教授，主要研究方向?yàn)镸MIC、微型LTCC微波器件設(shè)計(jì)等，E-mail: daiyongsheng1005@126.com；

喬冬春（1990－），男，江蘇揚(yáng)州人，研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l與微波電路，E-mail: qiaodongchun@163.com。

2016-07-01 10:47:59

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1047.010.html