雙傳輸零點(diǎn)LTCC帶通濾波器的設(shè)計(jì)*

張仕順，許林青，楊 君，徐 娟，趙建平

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

隨著無線通信與微波技術(shù)的發(fā)展，無源器件的性能不斷提高，同時(shí)朝著小型化、高集成化的趨勢發(fā)展。濾波器是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，主要是可以對信號中特定的頻段或該頻段以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻段電源信號或消除一個(gè)特定頻段的電源信號[1]，在通信過程中至關(guān)重要。因此，人們對微波濾波器得設(shè)計(jì)提出了更高要求。在眾多設(shè)計(jì)技術(shù)中，低溫共燒陶瓷（Low-Temperature Cofired Ceramic，LTCC）以其易于小型化、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢，越來越受到重視。在燒制電路基板時(shí)，可將無源器件埋入其中，提高基板的集成度，省去封裝的步驟，降低成本?；贚TCC技術(shù)設(shè)計(jì)的微波濾波器，兼顧性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小型化。此外，基于LTCC技術(shù)還可以在不改變尺寸的條件下引入傳輸零點(diǎn)增強(qiáng)帶外抑制和帶內(nèi)選擇性，因此成為電子行業(yè)的首選[2]。

1 LTCC帶通濾波器

與傳統(tǒng)濾波器相比，本文采用三層帶狀線結(jié)構(gòu)作為諧振回路，使濾波器更易小型化[3]。圖1為LTCC三級帶通濾波器的一般形式，上下為屏蔽層（上層隱藏），中間為帶狀線，信號通過帶狀線進(jìn)行耦合傳輸。

圖1 LTCC濾波器模型

本文設(shè)計(jì)的濾波器技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率為2 GHz，相對帶寬約16%，帶內(nèi)損耗小于5 dB，回波損耗大于15 dB。最終，濾波器的尺寸為2.53 mm×2.85 mm×1.33 mm。

圖2是帶通濾波器的等效電路圖。其中，第一與第三個(gè)諧振回路對稱。右側(cè)帶狀線為諧振回路在HFSS下的等效模型圖。帶狀線的尺寸如下：L=2.35 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm。第二個(gè)諧振回路的尺寸為L=2.45 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm?；宓暮穸染鶠?.01 mm。

圖2 濾波器等效電路

圖3 是濾波器的一個(gè)仿真結(jié)果。可以看出，回波損耗小于-20 dB，滿足傳輸?shù)囊话阋蟆５?，從插入損耗來看，濾波器的帶內(nèi)選擇性與帶外截止性能較差。

圖3 仿真結(jié)果

2 LTCC帶通濾波器傳輸零點(diǎn)技術(shù)

由圖3的仿真結(jié)果可以看出，該濾波器帶外截止性能較差。此時(shí)，在不改變?yōu)V波器尺寸的情況下，通過引入傳輸零點(diǎn)，可以在保持性能前提下，增強(qiáng)濾波器的帶外截止性能。通常情況下，傳輸零點(diǎn)通過開路和短路兩種極端情況形成能量的阻隔而形成傳輸零點(diǎn)[4]。如圖4所示，傳輸零點(diǎn)的引入一般使用兩種方式，一種是非相鄰的級間耦合產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，另一種是通過改變諧振回路結(jié)構(gòu)引入傳輸零點(diǎn)[5]。

圖4 兩種特殊情況

3 交叉耦合LTCC濾波器

交叉耦合是指非相鄰諧振級進(jìn)行耦合，從而產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。從相位變化上分析，信號經(jīng)過多條支路疊加在一起，相位在某一頻率處滿足一定關(guān)系從而相互抵消，產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)[5]。

圖5是一個(gè)簡單的交叉耦合變化圖，可看出交叉耦合分為容性耦合和感性耦合。信號從1到3經(jīng)過兩條支路。由于信號在不同支路產(chǎn)生的相移特性相反，最后在3端口相互疊加而產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。

圖5 交叉耦合相位變化相位

基于上述理論，諧振回路交叉耦合通過采用Z字型結(jié)構(gòu)和H字型結(jié)構(gòu)[6-7]使得非相鄰諧振回路產(chǎn)生耦合而產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。

3.1 Z字型結(jié)構(gòu)分析

圖6是Z字型結(jié)構(gòu)的相位關(guān)系圖，圖7是Z字型結(jié)構(gòu)等效電路?？梢杂^測出，Z字型結(jié)構(gòu)在16.6 GHz處產(chǎn)生相位反轉(zhuǎn)，因此得出它的等效電路圖如圖6所示。通過加入Z字型結(jié)構(gòu)，使得濾波器在第一和第三諧振級產(chǎn)生交叉耦合，由此在低阻帶插入傳輸零點(diǎn)有效抑制能量的傳輸。該Z字型結(jié)構(gòu)尺寸為b=2.26 mm，c=0.21 mm，d=1.375 mm，e=0.69mm。

圖6 Z字型結(jié)構(gòu)的相位變化

圖7 Z字型結(jié)構(gòu)的等效電路

3.2 H字型結(jié)構(gòu)分析

圖8 是H字型結(jié)構(gòu)的相位關(guān)系圖，圖9是H字型結(jié)構(gòu)等效電路?？梢杂^測出，H字型結(jié)構(gòu)在12.3 GHz處產(chǎn)生相位反轉(zhuǎn)，因此得出它的等效電路圖如圖9所示。通過加入H字型結(jié)構(gòu)，使得信號傳輸多增加了一條路徑，由此在高阻帶插入傳輸零點(diǎn)有效抑制能量的傳輸。該H字形的尺寸為A=0.21 mm，B=0.955 mm，C=2.05 mm。

圖8 H字型的相位變化

圖9 H字型結(jié)構(gòu)的等效電路

經(jīng)過對Z、H結(jié)構(gòu)的相位分析，具有雙傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器模型如圖10所示。

圖10 濾波器的最終模型

圖11 是最終仿真結(jié)果圖。可以看出，濾波器的中心頻率為2 GHz，相對帶寬為16.6%，回波損耗小于-15 dB。通過上述變換，最終在1.61 GHz和2.59 GHz產(chǎn)生零點(diǎn)，增強(qiáng)了通帶選擇性和帶外截止性能。

圖11 仿真曲線

4 結(jié) 語

本文提出了一種具有雙傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器，加載Z型結(jié)構(gòu)和H字型結(jié)構(gòu)引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，通過對Z、H字型結(jié)構(gòu)的大小和位置調(diào)整，增強(qiáng)了帶外截止性和帶內(nèi)選擇性。