具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的高溫陶瓷梳型帶狀線濾波器

朱彥源，陸清源，秦 偉，陳建新

(1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué) 杏林學(xué)院，江蘇 南通 226000)

具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的高溫陶瓷梳型帶狀線濾波器

朱彥源1，陸清源2，秦 偉1，陳建新1

(1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué) 杏林學(xué)院，江蘇 南通 226000)

提出一種具有2個(gè)傳輸零點(diǎn)的高溫陶瓷梳型帶狀線濾波器。該設(shè)計(jì)的新穎性在于提出了矩形金屬化孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)矩形桿狀的帶狀線結(jié)構(gòu)。在利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四分之一波長(zhǎng)諧振器中，通過(guò)增加其矩形金屬化孔的厚度,能夠有效地增強(qiáng)其無(wú)載品質(zhì)因數(shù),從而降低濾波器的插入損耗。研究發(fā)現(xiàn)，矩形金屬化孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器相比傳統(tǒng)帶狀線結(jié)構(gòu)具有較低的差損。同時(shí)濾波器的高阻帶能夠產(chǎn)生2個(gè)零點(diǎn)，增加阻帶抑制和通帶選擇性。為了驗(yàn)證所提出的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款二階濾波器，其測(cè)試與仿真結(jié)果較吻合。測(cè)試結(jié)果表明，濾波器具有低插損和小尺寸的特點(diǎn)。

帶通濾波器；矩形金屬化孔；帶狀線；無(wú)載品質(zhì)因數(shù)；高溫陶瓷；傳輸零點(diǎn)

0 引 言

隨著無(wú)線通信的發(fā)展，無(wú)線通信設(shè)備的小型化技術(shù)在不斷地進(jìn)步，為了適應(yīng)現(xiàn)代無(wú)線通信對(duì)于濾波器越來(lái)越高的要求，小型化的濾波器，尤其是小型化帶通濾波器(bandpass filter，BPF)成為了無(wú)線通信系統(tǒng)中必不可少的選頻元件[1-2]。目前，已經(jīng)有許多小型化的BPF生產(chǎn)工藝被開(kāi)發(fā)和研究。最近，由于一種低溫共燒陶瓷技術(shù)(low temperature co-fired ceramic ，LTCC)具有良好的三維多層結(jié)構(gòu)，因此，廣泛地被運(yùn)用在小型化濾波器之中。但是，由于工藝的限制，利用LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)的諧振器普遍存在自身無(wú)載品質(zhì)因數(shù)Q值低的問(wèn)題，從而導(dǎo)致相應(yīng)濾波器的插入損耗較大[3-4]。使用一種高介電常數(shù)的高溫共燒陶瓷(high temperature ceramic ，HTC)技術(shù)是另外一種有效減少電路尺寸的方法[5]。因?yàn)镠TC材料的損耗角僅有LTCC材料的1/5，所以，較LTCC諧振器相比，設(shè)計(jì)的HTC諧振器能夠得到更高的Q值[6]。同時(shí)，HTC還能通過(guò)改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高諧振器的Q值。但是，相較于LTCC技術(shù)，由于HTC技術(shù)不能對(duì)多個(gè)金屬層進(jìn)行共燒，導(dǎo)致了其生產(chǎn)的濾波器存在設(shè)計(jì)靈活度不高的問(wèn)題。另外，為了提高性能，增強(qiáng)BPF的選擇性，增加諧振器的數(shù)量已經(jīng)在早期HTC BPF中被廣泛使用，這種方式會(huì)不可避免地增加設(shè)計(jì)電路的尺寸。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)在特定頻率引入傳輸零點(diǎn)(transmission zero，TZ)來(lái)滿足所需的阻帶抑制，以提高BPF的選擇性。

本文提出了一種二階梳型帶狀線HTC BPF。通過(guò)在高阻帶產(chǎn)生2個(gè)TZ 來(lái)顯著改善BPF的通帶選擇性。其測(cè)試結(jié)果與仿真一致。測(cè)試結(jié)果表明，該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有低插損、小尺寸和高選擇性的特點(diǎn)。

1 HTC諧振器設(shè)計(jì)

隨著高介電常數(shù)材料在小型化濾波器中應(yīng)用的不斷發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的濾波器被設(shè)計(jì)，然而其中大多數(shù)濾波器往往是以增大損耗為代價(jià)來(lái)?yè)Q取某些方面的性能的。本文中設(shè)計(jì)的四分之一波長(zhǎng)HTC矩形金屬化孔諧振器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、Q值高和良好的性能等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這種諧振器主要由3個(gè)介質(zhì)材料層組成。頂層和底層使用的都是介電常數(shù)為38，損耗角為0.000 1的HTC材料。中間使用厚度為0.1 mm的介質(zhì)膠將上下2個(gè)HTC介質(zhì)層連接在一起。由圖1可見(jiàn)，頂部介質(zhì)層刻有一個(gè)狹窄的槽線，其與中間的膠水層相連接，形成了一個(gè)矩形空孔?？紤]到趨膚效應(yīng)的存在，在這個(gè)矩形空孔的周圍涂上厚度為0.01 mm的銀，構(gòu)成了一個(gè)HTC矩形金屬化孔諧振器以替代傳統(tǒng)的矩形桿帶狀線的結(jié)構(gòu)[7]，而對(duì)于這種HTC諧振器的分析也與傳統(tǒng)的矩形桿帶狀線完全一致。圖2為四分之一波長(zhǎng)HTC諧振器的等效模型，其中，輸入導(dǎo)納Yin可以表示為

(1)

(1)式中：Z0和l分別為HTC帶狀線諧振器的特性阻抗和物理長(zhǎng)度；β為傳播常數(shù)。當(dāng)Yin=0時(shí)，滿足諧振條件。另外，諧振器是由高介電常數(shù)的材料組成的，因此，諧振器的物理長(zhǎng)度得到明顯的縮短(對(duì)應(yīng)于諧振器工作頻率的四分之一波長(zhǎng))。同時(shí)，這種諧振器結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增加矩形金屬化孔的厚度T來(lái)提高無(wú)載Q值，如圖3所示。其中，B=2 mm,W1=0.8 mm,W=3 mm,L=7.2 mm。

圖1 HTC四分之一波長(zhǎng)諧振器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the HTC quarter-wavelength resonator

圖2 HTC四分之一波長(zhǎng)諧振器等效模型Fig.2 Equivalent model of the HTC quarter-wavelength resonator

圖3 無(wú)載Q值與厚度T之間的關(guān)系Fig.3 Extract unloaded-Q versus the thickness T of the rectangular-bar stripline

2 HTC濾波器設(shè)計(jì)

基于上述分析的矩形金屬化孔的諧振器結(jié)構(gòu)，本文旨在設(shè)計(jì)一款二階HTC BPF，其中心頻率為1.6 GHz，目標(biāo)插入損耗小于0.5 dB，相對(duì)帶寬為10.5%?；谏鲜鰲l件，本文設(shè)計(jì)了一款在高端具有2個(gè)傳輸零點(diǎn)的濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4b中的饋線是一層與膠水層(圖1)一體成型的銀，通過(guò)它實(shí)現(xiàn)了諧振器與端口1或2的直接饋電。通過(guò)提取2個(gè)諧振器之間的耦合系數(shù)和外部品質(zhì)因數(shù)Qe的傳統(tǒng)方法對(duì)濾波器進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。2個(gè)諧振器平行耦合的梳狀結(jié)構(gòu)中存在電磁的混合耦合。因此，耦合系數(shù)k可以表示為[8]

(2)

(2)式中，ke和km分別表示電容耦合和電感耦合。

顯然，通過(guò)改變諧振器之間的耦合距離S可以控制耦合系數(shù)k，在這種結(jié)構(gòu)的HTC濾波器中電容耦合ke占主導(dǎo)，而電感耦合km表現(xiàn)為交叉耦合，即k<0。因此，在高阻帶可以得到一個(gè)額外的傳輸零點(diǎn)TZ1，如圖5所示。而濾波器的Qe的大小可以通過(guò)調(diào)整饋線的位置來(lái)決定，即在諧振器物理長(zhǎng)度(L=l1+l2)不變的條件下，調(diào)整l2/l1的比值。同時(shí)，當(dāng)l1對(duì)應(yīng)一個(gè)特定頻率的四分之一波長(zhǎng)時(shí)，可以得到第2個(gè)傳輸零點(diǎn)TZ2。TZ2的位置可以通過(guò)改變l1的大小進(jìn)行調(diào)整，而TZ1的位置幾乎不發(fā)生改變。

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的優(yōu)化，使通帶的回波損耗小于-20 dB，圖4中設(shè)計(jì)的濾波器尺寸被確定為L(zhǎng)=6.98 mm,W=5 mm,B=2.4 mm,S=0.8 mm,l1=5.93 mm,l2=1.05 mm,W1=0.5 mm,T=0.5 mm,h=0.1 mm.

圖4 二階BPF設(shè)計(jì)Fig.4 Designed second-order BPF

圖5 不同l1條件下，HTC BPF頻率響應(yīng)的 仿真結(jié)果(L固定不變)Fig.5 Simulated frequency response of the HTC BPF against l1 (L is fixed)

本設(shè)計(jì)中分別使用了Ansoft HFSS 和 Agilent E8363C網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了仿真和測(cè)試，濾波器的仿真與測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由于加工誤差以及SMA轉(zhuǎn)接頭損耗的影響，使得測(cè)試與仿真結(jié)果有一定的誤差。設(shè)計(jì)濾波器的通帶中心頻率為1.6 GHz，且其3 dB相對(duì)帶寬為10.6%。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，HTC BPF的回波損耗大于15 dB，同時(shí)插入損耗僅有0.5 dB。另外，分別在1.912 GHz和2.224 GHz產(chǎn)生的2個(gè)傳輸零點(diǎn)能夠顯著地提高通帶高端的阻帶抑制。整個(gè)HTC BPF 的尺寸僅僅只有6.98 mm×5 mm×2.4 mm。

圖6 仿真和測(cè)試結(jié)果(插圖為加工實(shí)物)Fig.6 Simulated and measured results (the inset is the photograph of the fabricated HTC BPF)

表1給出了本文設(shè)計(jì)的矩形金屬化孔帶狀線濾波器與其他帶狀線濾波器的性能對(duì)比。由表1可以看出，在傳統(tǒng)的帶狀線諧振器中，帶狀線中間大多采用厚度較薄的金屬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的諧振器無(wú)法獲得較高Q值，最終導(dǎo)致利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器插入損耗較大。本文中采用的矩形金屬化孔結(jié)構(gòu)，有效地改善了諧振器的Q值，從而降低了設(shè)計(jì)濾波器的插入損耗。此外，本文濾波器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)方法遵循傳統(tǒng)耦合諧振器理論，易于實(shí)現(xiàn)。

表1 本設(shè)計(jì)與其他帶狀線濾波器性能比較Tab.1 Performance comparisons between this design and other stripline filters

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新穎的高性能梳型帶狀線濾波器，其具有很高的性能表現(xiàn)。由于特殊的矩形金屬化孔結(jié)構(gòu)具有較高的Q值，因此，利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器具有較低的插入損耗。另外，高阻帶上產(chǎn)生的2個(gè)傳輸零點(diǎn)有效的提高了阻帶抑制，而2個(gè)傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生已經(jīng)在文中進(jìn)行了詳細(xì)的分析。濾波器的仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)得到了很好地吻合。因此，針對(duì)通帶高端阻帶抑制有較高要求的設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的小型化濾波器結(jié)構(gòu)為其提供了新的思路。

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s：The National Natural Science Foundation of China (61501263); The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161281); The Nantong Application Research Technology Program (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

Hightemperatureceramiccomb-striplinebandpassfilterwithtwotransmissionzeros

ZHU Yanyuan1, LU Qingyuan2, QIN Wei1, CHEN Jianxin1

1.School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, P.R. China;2.Xinglin College, Nantong University, Nantong 226000, P.R. China)

In this paper, a novel high temperature ceramic comb-stripline bandpass filter (BPF) with two transmission zeros is proposed. The novelty of this design lies in constructing a rectangular metalized hollow instead of the traditional rectangular-bar stripline structure. Its unloaded quality factor can be effectively improved by increasing the thickness of the quarter-wavelength resonator using the proposed structure, resulting in a reduced insertion loss. Investigation shows that rectangular metalized hollow filter owns lower insertion loss than the traditional stripline filters. Two transmission zeros in the upper stopband are produced to improve stopband rejection and passband selectivity. For demonstration, a second-order BPF is designed. Good agreement can be obtained between simulated and measured results, showcasing the advantages of low loss and compact size.

bandpass filter; rectangular metalized hollow via; stripline; unloaded quality factor; high temperature ceramic; transmission zero

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.008

2016-12-06

2017-05-10

秦 偉 waiky.w.qin@hotmail.com

國(guó)家自然科學(xué)基金 (61501263)；江蘇省自然科學(xué)基金 (BK20161281); 江蘇省南通市市級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目 (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

TN913.5

A

1673-825X(2017)06-0758-05

朱彥源(1992 -)，男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:yanyuanzhu@outlook.com。

陸清源(1987 -)，男，江蘇人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:qingyuanlu@hotmail.com。

秦 偉(1984 -)，男，江蘇人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:waiky.w.qin@hotmail.com。

陳建新(1979 -)，男，江蘇人，教授，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波技術(shù)。E-mail:jjxchen@hotmail.com。

(編輯：劉 勇)