具有兩個傳輸零點的六階SIR耦合諧振帶通濾波器

郭緒躍，邢孟江，王 維，代傳相

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具有兩個傳輸零點的六階SIR耦合諧振帶通濾波器

郭緒躍，邢孟江，王 維，代傳相

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

采用LTCC工藝，研制出一種具有簡單傳輸零點的六階SIR耦合諧振帶通濾波器。對陶瓷介質(zhì)材料厚度、金屬微帶線寬度、金屬微帶線厚度等工藝可調(diào)參數(shù)進行了容差仿真分析，并對器件進行了加工測試。結果表明，該帶通濾波器帶內(nèi)插入損耗小、帶外抑制度高、體積小，且設計與調(diào)試方法簡單有效。該帶通濾波器插入損耗小于3 dB，電壓駐波比小于1.3，整體尺寸為6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。

濾波器；低溫共燒陶瓷；六階SIR耦合諧振；容差分析；插入損耗；電壓駐波比

近年來，隨著電子行業(yè)的高速發(fā)展，射頻電路的設計越來越復雜，在射頻電路中器件的指標要求也越來越高，帶通濾波器作為射頻電路重要的器件，其性能的好壞直接影響射頻電路通信的質(zhì)量。隨著蜂窩移動通信、無線局域網(wǎng)等無線通信技術的發(fā)展，濾波器的研究不斷取得新的進展[1-4]。在現(xiàn)代無線通信設備中，帶通濾波器是射頻前端的重要組成元器件，其小型化、微型化、高性能、低成本成為設計的重點。采用SIR（Stepped Impedance Resonator）設計的帶通濾波器，不僅可以實現(xiàn)濾波器的上述要求，而且還具有良好的諧波抑制和較高的帶外抑制[5]。SIR有很多種類，從應用范圍、頻譜范圍以及結構實現(xiàn)途徑上，都有較大的設計自由度，所以學者采用SIR原理設計了不同結構的帶通濾波器。2010年，南京理工大學戴永勝等[6]采用/2 SIR階梯阻抗諧振器設計了2.4 GHz和5.2 GHz雙頻濾波器。2012年，楊海峰等[7]應用低溫共燒陶瓷技術，設計出了具有切比雪夫特性的三階帶通濾波器。2013年，南京理工大學戴永勝教授等[8]采用半集總式結構設計實現(xiàn)了尺寸僅為1.6 mm×0.8 mm×0.6 mm藍牙帶通濾波器。2014年，南洋理工大學的Zhang等[9]采用/4階梯阻抗諧振器，設計了一個4階的雙通帶帶通濾波器；臺灣崑山科技大學Wu等[10]采用/2 SIR階梯阻抗諧振器設計了一個通帶頻率為1.575，2.45和3.5 GHz三階三頻帶通濾波器；電子科技大學的Mo等[11]采用/4波長SIR和/2波長SIR組合的方式設計了一個三階三頻段的帶通濾波器；Wei等[12]采用改進型的/4諧振器設計了一個通帶頻率為1.92，3.50，5.75 GHz三階帶通濾波器。

本文基于LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）工藝，利用HFSS進行建模仿真，設計出一種具有簡單傳輸零點的六階SIR耦合諧振帶通濾波器。該帶通濾波器由六個/4波長SIR諧振器和一個T型反饋電容構成，可以通過調(diào)整諧振器的中心頻率及耦合間距，控制帶通濾波器的中心頻率及帶寬。通過T型反饋電容可控制傳輸零點的位置。為了驗證模型的通用性和可調(diào)試性，對陶瓷介質(zhì)材料厚度、金屬微帶線寬度、金屬微帶線厚度進行容差仿真分析，并進行了加工和測試。

1 λ/4波長SIR諧振器

/4波長傳輸線可以等效為并聯(lián)諧振腔，但由于體積原因，用于制作小型化濾波器并不現(xiàn)實。為了減小尺寸，本文采用SIR即階梯阻抗諧振器。SIR諧振器是由兩個具有不同特性阻抗的微帶線組合而成的橫向電磁場或準橫向電磁場模式的諧振器。圖1是采用微帶線結構的典型SIR。在圖1中，設傳輸線開路端和短路端之間的特征阻抗和等效電長度分別為1、2和1、2，可得諧振條件[13]為：

對于SIR來說，它存在三個自由度1、2和2/1，對于只有長度和特性阻抗兩個自由度的傳統(tǒng)/4波長諧振器，SIR諧振器不僅體積可進一步減少，同時給予更多的設計靈活度。

圖1/4波長SIR諧振器

Fig.1/4 wavelength SIR resonator

2 六階帶通濾波器

根據(jù)/4波長SIR諧振器結構，使用HFSS仿真軟件對單個SIR諧振單元進行仿真優(yōu)化,得到單個諧振單元的結構參數(shù)。確定SIR諧振器級數(shù)后，通過調(diào)節(jié)級間交叉耦合大小，優(yōu)化耦合間距，得到滿足表1所列指標的濾波器，設計出一個六階SIR濾波器。圖2是六階SIR濾波器的結構模型，濾波器由6個l/4波長SIR諧振器構成。

圖2 六階帶通濾波器結構示意圖

濾波器共有七層金屬層和六層LTCC陶瓷介質(zhì)層，見圖3，介質(zhì)層采用C1108陶瓷膜帶。介質(zhì)的相對介電常數(shù)r=8.2，介質(zhì)的薄膜厚度為50，115和805 μm三種，介電損耗為0.002，收縮率是：(13.4±0.3)%；：(15±0.5)%；其中Layer_1到Layer_2及Layer_6到Layer_7層是厚度為115 μm的陶瓷薄膜，Layer_2到Layer_3以及Layer_5到Layer_6層是厚度為805 μm的陶瓷薄膜，Layer_3到Layer_4層為50 μm陶瓷薄膜。金屬層采用配套的金屬銀作為導體，單層金屬層厚度為10 μm。六階帶通濾波器模型中，Layer_1和Layer_7為側邊接地端，Layer_2和Layer_6為電磁屏蔽地面，Layer_4層為主諧振單元，主要提供SIR諧振的電感，加載電容由Layer_4帶狀線的自電容和Layer_3的加載電容組成。諧振單元之間的距離決定了諧振級間耦合強弱，進而通過控制諧振級間的耦合強度可以調(diào)整濾波器的帶寬。

圖3 六階帶通濾波器結構示意圖

為了提高帶通濾波器帶外抑制，在第1,6級間或2,4級間引入一個交叉反饋電容即Layer_5層，從而可以實現(xiàn)在通帶外的兩側產(chǎn)生傳輸零點。所引入的交叉電容是通過雙T形Layer_5層金屬層和Layer_4層為主諧振單元的耦合來實現(xiàn)。通過改變雙T形的位置及兩臂的尺寸可以控制零點位置。對雙T形而言，由于交叉耦合會形成兩個傳輸零點，通常增大雙T形的面積，雙T形與諧振級的耦合電容增大，則其形成的兩個傳輸零點會向中心頻率方向偏移，反之亦然。因此，可以通過反復優(yōu)化，選擇合適的雙T形與諧振級的耦合電容大小，從而實現(xiàn)傳輸零點的精確控制，實現(xiàn)高阻帶抑制和諧波抑制。

3 仿真結果和容差分析

針對小型化S波段帶通濾波器在實際中的應用指標如表1所示，構建了陶瓷介質(zhì)材料厚度、金屬微帶線寬度、金屬微帶線厚度三個變量可調(diào)諧的六階SIR濾波器模型，并進行優(yōu)化仿真。

表1 3 250 MHz帶通濾波器指標

Tab.1 Index of 3 250 MHz band-pass filter

所設計的濾波器的尺寸為6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，采用HFSS軟件對濾波器進行設計仿真，仿真結果如圖4~7所示，該濾波器中心頻率為3 250 MHz、帶寬為300 MHz、帶內(nèi)插損<2.63 dB、電壓駐波比<1.26、通帶紋波<0.58 dB、帶外抑制>39.5 dBc@ 1.0~2.66 GHz；>37.2 dBc@3.64~3.84 GHz；>53 dBc@ 4.08~4.38 GHz。圖4為VSWR曲線圖。

圖4 帶通濾波器的電壓駐波比

為了驗證模型的正確性和工藝誤差可調(diào)試性，對陶瓷介質(zhì)材料厚度、金屬微帶線寬度、厚度等參數(shù)進行容差分析。圖5為對介質(zhì)層的厚度進行容差分析結果。當介質(zhì)層厚度由42.5 μm增加到45 μm時，中心頻率向高頻偏移，帶通濾波器的駐波比無變化，參數(shù)實現(xiàn)整體漂移；圖6是對金屬微帶線寬度進行容差分析的結果，當金屬微帶線寬度由1=220 μm增加到1=250 μm時，中心頻率向低頻偏移，參數(shù)也只是整體的漂移。圖7對金屬微帶線厚度進行容差分析，當金屬微帶線厚度由10 μm增加到15 μm時，中心頻率幾乎不變，整體波形幾乎沒有變化。以上的容差分析結果表明，工藝誤差會使所設計的濾波器的中心頻率發(fā)生漂移，但不會對濾波器的整體性能產(chǎn)生大的影響，由此驗證了模型的正確性，該模型不需要重新制作網(wǎng)版，可通過改變陶瓷材料的厚度或者金屬材料的厚度，修正實際加工時工藝帶來的頻率漂移。該模型也可以通過改諧振器的中心頻率、耦合系數(shù)、傳輸零點等參數(shù)值的大小，得到任意頻段的六階SIR帶通濾波器。

圖5 介質(zhì)層厚度分析S參數(shù)曲線

圖6 金屬微帶線寬度分析的S參數(shù)圖

圖7 金屬微帶線厚度分析的S參數(shù)圖

4 器件測試結果

對所設計的濾波器進行加工，并利用網(wǎng)絡分析儀對器件進行測試，得到器件的參數(shù)與電壓駐波比曲線如圖8~10所示。測試結果中，中心頻率為 3 250 MHz、帶寬為300 MHz、插入損耗<2.94 dB、紋波<0.55 dB、帶外抑制>39.3 dBc@1.0~2.66 GHz；>37.2 dBc@3.64~3.84 GHz；> 40 dBc@ 4.08~4.38 GHz、電壓駐波比<1.53，均滿足設計指標要求。

圖8 六階帶通濾波器的S21曲線

圖9 六階帶通濾波器的S11曲線

圖10 六階帶通濾波器的電壓駐波比曲線

5 結論

通過SIR耦合諧振的基本原理，設計了一款具有兩個傳輸零點的六階SIR帶通濾波器。通過分析陶瓷介質(zhì)材料厚度、金屬微帶線寬度、金屬微帶線厚度等參數(shù)，對濾波器的性能進行了驗證，并對所設計的濾波器進行加工測試。該帶通濾波器具有帶內(nèi)插入損耗小、帶外抑制度高、體積小，且設計方法簡單有效。該帶通濾波器插入損耗小于3 dB，駐波比小于1.3，整體尺寸為6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。結果表明，該帶通濾波器相比文獻[7]所設計的三階帶通濾波器，在尺寸滿足規(guī)格、插入損耗符合指標要求的情況下，實現(xiàn)了更高的帶外抑制度，更高的矩形度，適應于對矩形度與帶外抑制度要求更為嚴格的場合。

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（編輯：陳渝生）

Six-step SIR coupled-resonator band-pass filter with two transmission zeros

GUO Xuyue, XING Mengjiang, WANG Wei, DAI Chuanxiang

(Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

AdoptingLTCCtechnology, asimplesix-stepSIRcoupled-resonatorband-passfilterwithtransmissionzeros was designed. Simulatinganalysis of the toleranceofprocessvariation such as ceramicdielectricmaterials thickness, metal micro-strip linewidth, metal micro-strip linethickness was conducted, and the filter was produced and tested. The results show that this band-pass filter have properties as follows, the insertion loss is less than 3 dB, the voltage standing wave ratio is less than 1.3 and the size is only 6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm.

filter; LTCC; six-step SIR couplingresonance; toleranceanalysis; insertion loss; VSWR

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.015

TN713

A

1001-2028（2016）07-0064-04

2016-04-16

邢孟江

云南省人才基金資助項目（No. KKSY201403006）；國家自然科學基金資助項目（No. 61564005）

邢孟江（1981－），男，浙江紹興人，副教授，博士，主要從事微波無源器件及收發(fā)系統(tǒng)設計方面的研究，E-mail: hfssmodel@163.com；

郭緒躍（1991－），男，江蘇徐州人，研究生，主要從事微波無源器件方面的研究，E-mail:67643372@qq.com。

2016-07-01 10:51:53

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1051.022.html