L波段LTCC高抑制寬阻帶低通濾波器

劉巍巍，江肖力，梁 棟，韓 威，賈世旺

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

L波段LTCC高抑制寬阻帶低通濾波器

劉巍巍，江肖力，梁 棟，韓 威，賈世旺

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對微波變頻模塊小型化需求，基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款高抑制度寬阻帶的L頻段低通濾波器。為增加濾波器高端的抑制度，以橢圓函數(shù)為原型，采用簡化原理圖中各元件值的方法并合理的設(shè)計(jì)元件外形和布局方式，有效利用結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電磁耦合作用，使高端頻段達(dá)到較高抑制度。實(shí)際加工制成的濾波器在3.4 GHz、5.65 GHz和8 GHz處阻帶抑制分別達(dá)到了41 dB、59 dB和45 dB。在電路中利用該濾波器可有效地防止其他頻段的信號干擾，增強(qiáng)電路的抗干擾能力。

集總元件；低通濾波器；寬阻帶；基于低溫共燒陶瓷技術(shù)

Abstract Based on Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC)technology,a high suppression wide band low-pass filter of L band is designed and fabricated,for the miniaturization demand of microwave conversion module.Such LPF with high stop-band suppression within a wide frequency range is obtained by using the elliptic function theory,simplifying the circuit element values,optimizing the multilayer circuit layouts,and utilizing the EM coupling effects in the LTCC structures.The filter is made and tested.The results show that the measured stop-band suppression is 41 dB,59 dB and 45 dB respectively at frequency of 3.4 GHz,5.65 GHz and 8 GHz.The designed LPF can provide improved stop-band suppression performance and effectively prevent the signal crosstalk in high frequency and with band applications.

Key words lumped-element;low-pass filter;wide stop-band;Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC) technology

0 引言

微波濾波器是微波無源元件的重要成員之一，在當(dāng)前迅猛發(fā)展的微波毫米波技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色，在微波系統(tǒng)中主要用來分開或組合不同頻率信號。在雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、微波中繼通信、電子對抗及微波測量儀表中濾波器有著極其廣泛的應(yīng)用，濾波器性能的好壞直接決定了整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量。

現(xiàn)在很多文獻(xiàn)描述了如何將濾波器小型化，如發(fā)夾諧振單元[1]、折疊帶狀線諧振單元[2]和螺旋諧振單元[3]等，這些理論和方法將諧振單元尺寸大大減小為原來的1/4波長，甚至減小到1/8波長[4]。但是在L波段中應(yīng)用這些理論和方法不能有效減小諧振單元尺寸。利用三維結(jié)構(gòu)中LTCC技術(shù)的優(yōu)勢，采用堆棧方式在Z方向上實(shí)現(xiàn)集總電容電感[5]，這樣可以有效地減少微波濾波器的體積并且提高了LC濾波器的集成度、可靠性等[6-8]。小型化的LTCC LC濾波器[9-10]推動(dòng)了民用、軍用方面的電子產(chǎn)品朝著高可靠、微型化、高性能以及低成本的方向快速發(fā)展。

本文基于LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)了一款體積較小、高端頻率抑制度較高的低通濾波器[11-12]。理論具有零點(diǎn)的低通濾波器為最初原型，通過結(jié)構(gòu)的合理變換獲得高帶外抑制度和寬阻帶的濾波器，其體積僅為3.3 mm×2.2 mm×1.0 mm。

1 濾波器設(shè)計(jì)

所有元件選用介電常數(shù)為7.8、損耗角正切值為0.006的美國Dupont公司的Dupont951系列為LTCC原材料。

1.1 橢圓函數(shù)低通濾波器電路原型

選用橢圓函數(shù)濾波器結(jié)構(gòu)，采用集總電感和電容元件構(gòu)成LPF，設(shè)計(jì)9階的低通濾波器，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)：截止頻率Fr=2 200 MHz；帶內(nèi)回波損耗：≥15 dB；插入損耗：≤1.5 dB；帶外3 400～8 000 MHz抑制≥35 dB。通過查低通濾波器中橢圓函數(shù)元件數(shù)值表可以得到各元件的初始g值，然后經(jīng)過特征阻抗和截止頻率2種變換[12]，得電感值為：

L1=2.335 nH,L2=4.332 nH,L3=3.465 nH,

L4=3.655 nH,L5=1.616 nH,L6=0.3186 nH,

L7=1.827 nH,L8=2.483 nH,L9=1.265 nH。

電容值為：

C1=1.662 pF,C2=1.305 pF,

C3=1.115 pF,C4=1.242 pF。

在Ansoft DESIGNER軟件中建立相應(yīng)的仿真電路，如圖1所示。

圖1 Ansoft Designer仿真電路

1.2 元件模型建立

1.2.1 三維電感模型

LTCC電感一般分為平面式、螺旋式以及位移式。3種結(jié)構(gòu)中，在相同電感值的前提下，螺旋式具有較高的自諧振頻率(SRF)和品質(zhì)因數(shù)(Q)。由于螺旋式可以充分利用三維空間優(yōu)勢，因此具有更小的體積。本文中所采用的LTCC電感結(jié)構(gòu)，如圖2所示，為螺旋結(jié)構(gòu)。

LTCC電感的有效電感值由散射參數(shù)[13]可表示為：

(1)

式中，Leff為電感有效值；f為自諧振頻率；Y11為電感導(dǎo)納值。電感值是2.723 nH HFSS三維電感模型如圖2所示，電感中導(dǎo)體線寬為0.15 mm，在X軸方向尺寸為1.0 mm，在Y軸方向尺寸為0.5 mm，通過垂直通孔將不同層之間進(jìn)行連接。為減小傳輸線的不連續(xù)性，通孔采用的直徑與印刷導(dǎo)體的線寬基本相等。HFSS仿真得到有效電感值如圖3所示。

圖2 LTCC電感三維模型

圖3 LTCC電感仿真的有效電感值

1.2.2 三維電容模型

L頻段濾波器中電容值一般都較大，為充分利用LTCC三維空間優(yōu)勢，減小電容尺寸，本文濾波器的電容采用垂直插指型(VIC)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的MIM結(jié)構(gòu)，有端電極面積小、電容量高等優(yōu)點(diǎn)。電容的有效電容值由散射參數(shù)[14-15]表示為：

(2)

式中，Ceff為電容有效值；f為自諧振頻率；Z11為電容阻抗值。圖4中VIC為5層電容結(jié)構(gòu)，電容尺寸為1.2 mm×0.6 mm，如圖5所示電容的仿真結(jié)果，在1 GHz時(shí)有效電容值為1.249 pF。

圖4 LTCC電容三維模型

圖5 LTCC電容仿真的有效電容值

2 構(gòu)建濾波器三維結(jié)構(gòu)和電磁場仿真優(yōu)化

根據(jù)電感和電容的模型，然后對濾波器中所有元器件進(jìn)行三維建模并進(jìn)行仿真優(yōu)化。從電路原理圖1中可以看出，一共有9個(gè)電感和4個(gè)電容，且電感和電容值都不同。13個(gè)變量給建立模型和優(yōu)化過程帶來很大難度。為便于建模和優(yōu)化，本文采用對稱的電路結(jié)構(gòu)，以原理圖6中3.083 nH為中心，兩側(cè)相同位置元件設(shè)為同一值，應(yīng)用模型的對稱性使得13個(gè)變量變?yōu)?個(gè)變量，有效地減少元件變量。原理圖中變量減少，可以更方便地進(jìn)行LTCC集成。最終變換后的電路原型如圖6所示。結(jié)合電感電容模型和優(yōu)化后的濾波器原理圖，對LTCC低通濾波器進(jìn)行三維建模。通過對電感電容在空間上靈活布局的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對模型進(jìn)行不斷優(yōu)化、調(diào)整，得到最優(yōu)的仿真結(jié)果以及最終的濾波器模型。L頻段低通濾波器在HFSS中的三維模型如圖7所示，該低通濾波器仿真結(jié)果圖如圖8所示。

圖6 最終L頻段帶通濾波器電路

圖7 L頻段低通濾波器三維模型

圖8 L頻段低通濾波器仿真結(jié)果

3 濾波器結(jié)果測試及分析

LTCC的生產(chǎn)過程極為復(fù)雜，主要有打孔、填孔、導(dǎo)體印刷、層壓、熱切、燒結(jié)、劃片和后燒等多道工序。經(jīng)過這些工序后，就完成了LTCC濾波器得生產(chǎn)加工，最終產(chǎn)品尺寸僅3.3 mm×2.2 mm×1.0 mm，L頻段LTCC濾波器實(shí)物如圖9所示。測試結(jié)果如圖10所示，寬阻帶濾波器的仿真結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品測試結(jié)果進(jìn)行比較，兩者數(shù)據(jù)大致吻合，特別在0～8 GHz頻段內(nèi)吻合得較好，而在8 GHz以上差別稍大。主要是由于高頻條件下，元器件之間耦合作用增強(qiáng)并且分布參數(shù)效應(yīng)增強(qiáng)所致。濾波器通帶內(nèi)的差損和回波損耗都滿足指標(biāo)要求，但是由于LTCC多層之間的耦合作用使得在3.4～6.5 GHz之間有2處凸起點(diǎn)，對阻帶的性能產(chǎn)生一定影響。從整體測試數(shù)據(jù)可以看出，帶內(nèi)損耗小于1.2 dB，駐波比小于1.5，帶外3.4 GHz、5.65 GHz和8 GHz抑制都達(dá)到39 dB以上，完全滿足指標(biāo)。

圖9 L頻段濾波器實(shí)物

圖10 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

主要介紹了一種多階復(fù)雜的低通濾波器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法，該方法利用對稱的思想，可以簡化濾波器結(jié)構(gòu)，降低仿真難度；同時(shí)，可以看出在實(shí)現(xiàn)濾波器小型化方面，LTCC技術(shù)具有很強(qiáng)的優(yōu)勢。從最終生產(chǎn)的產(chǎn)品測試結(jié)果可以看出，仿真與實(shí)測結(jié)果有很好的一致性。本文的設(shè)計(jì)方法可以為濾波器設(shè)計(jì)提供一種新的思路。

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An L Band Low-pass Filter with High Stop-band Suppression Based on LTCC Technology

LIU Wei-wei,JIANG Xiao-li,LIANG Dong,HAN Wei,JIA Shi-wang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.12

劉巍巍，江肖力，梁棟，等.L波段LTCC高抑制寬阻帶低通濾波器[J].無線電工程,2017,47(8):48-51.[LIU Weiwei,JIANG Xiaoli,LIANG Dong,et al.An L Band Low-pass Filter with High Stop-band Suppression Based on LTCC Technology[J].Radio Engineering,2017,47(8):48-51.]

2016-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61404119)。

TP911

A

1003-3106(2017)08-0048-04

劉巍巍 男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻電路與器件。

江肖力 男，(1964—)，研究員。主要研究方向：微波射頻技術(shù)。