一種基于LTCC 的吸收式低通濾波器的設(shè)計(jì)*

景玉明，邢孟江，張 磊，李小珍，徐 珊

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504；2.昆明學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650214）

0 引 言

傳統(tǒng)濾波器中的阻帶“衰減”信號(hào)會(huì)被反射到信號(hào)源，然而這些反射信號(hào)可能會(huì)對(duì)整個(gè)RF 系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。例如，混頻器對(duì)其任何端口上的帶外終端都極為敏感，然而濾波器又是混頻器的前端和后端經(jīng)常出現(xiàn)的器件。濾波器衰減的互調(diào)產(chǎn)物被反射回混頻器可能產(chǎn)生不需要的諧波，這些諧波會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[1]。

為了改善傳統(tǒng)濾波器的不足，一類吸收式濾波器受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[2-6]。2010 年，陳曉凡利用一種互補(bǔ)濾波器的方法設(shè)計(jì)了一種用于FM 調(diào)頻發(fā)射機(jī)的吸收式低通濾波器，雖然達(dá)到了帶外吸收的效果，但是其3 dB 截止頻率3 倍頻處才獲得了12 dB 的反射信號(hào)吸收，而且利用的元件較多，造成工作頻帶內(nèi)插損較大[2]。2015 年，美國(guó)摩根提出了利用互偶性來(lái)構(gòu)造吸收式低通濾波器，但由于所用的電感值必須全部相同，電容值也全部相同，極大限制了電路設(shè)計(jì)的自由度，導(dǎo)致帶外抑制峰值低于15 dB，阻帶抑制差[3]。2017 年，伊朗科技大學(xué)的Mohammad Khalaj-Amirhosseini 等人提出了一個(gè)由兩個(gè)互補(bǔ)電路構(gòu)成的雙重電路被引入作為具有逆切比雪夫響應(yīng)的吸收式低通濾波器，在阻帶中具有任意衰減，但是三階時(shí)的帶外抑制也只能達(dá)到20 dB[4]。

上面所述的低通都是以集總參數(shù)形式出現(xiàn)的。當(dāng)電路的工作頻率比較高（大約300 MHz 以上）時(shí)，電路的寄生參數(shù)（如電容器引腳產(chǎn)生的寄生電感）值不可忽視，甚至占主導(dǎo)作用，并且隨著頻率的升高，利用集總元件設(shè)計(jì)的濾波器的物理尺寸和工作波長(zhǎng)相接近，元器件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應(yīng)。當(dāng)頻率高于4 GHz 時(shí)，濾波器的性能急劇下降，集總參數(shù)元件不再適于構(gòu)造高頻電路，而應(yīng)該用分布參數(shù)元件取而代之[7]。

低溫共燒陶瓷（LTCC）工藝具有集成度高，穩(wěn)定性好，封裝一體化容易，布局靈活，成本低等特點(diǎn)[8]。本文基于國(guó)內(nèi)成熟的LTCC 工藝?yán)萌S電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS 設(shè)計(jì)了一款3 dB 截止頻率為2.5 GHz 的半集總半分布式的吸收低通濾波器，通過(guò)利用上下極板電容的寄生電感，來(lái)達(dá)到減小傳統(tǒng)集總參數(shù)濾波器在高頻所帶來(lái)的不希望的寄生效應(yīng)。該款濾波器在帶外6 倍截止頻率處的回波損耗大于12 dB，在8 ～17.5 GHz 頻帶內(nèi)的帶外抑制能達(dá)到25 dB 以上，達(dá)到本設(shè)計(jì)的初衷。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 吸收式低通濾波器的原理

本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)3 階T 型切比雪夫低通和高通濾波器的組合形式，通過(guò)在低通單元支路阻帶、高通單元主路通帶添加衰減電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收式濾波器。為了解決過(guò)渡帶及阻帶中近端頻點(diǎn)信號(hào)吸收效果差的問(wèn)題，在電路中將三個(gè)電阻朝向接地的端口相連并與接地電容連接，以達(dá)到多階組合衰減的效果。同時(shí)，在低通單元中的電容和電阻之間加入接地電感，進(jìn)而在過(guò)渡帶和通帶之間引入諧振通帶零點(diǎn)。最終設(shè)計(jì)的吸收式濾波器集總電路如圖1 所示，低通與高通單元的截止頻率相同且兩個(gè)高通單元對(duì)應(yīng)的元件值相同，整個(gè)濾波器網(wǎng)絡(luò)滿足互易性。

圖1 吸收式低通濾波器集總電路

1.2 吸收式低通濾波器的設(shè)計(jì)

選用的LTCC 介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)εr=5.1，濾波器具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 吸收式低通濾波器具體指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到圖1 中 各 元 件 參 數(shù) 為：L1=1.25 nH，C1=0.385 pF，L2=0.995 nH，C2=1.38 pF。通 過(guò)Ansoft Designer 軟件對(duì)圖1 所示電路進(jìn)行仿真，其仿真曲線如圖2 所示，可以看出引入諧振通帶零點(diǎn)后解決了過(guò)渡帶和通帶之間的上翹問(wèn)題。

圖2 吸收式低通濾波器電路仿真曲線

1.3 吸收式低通濾波器的半分布式結(jié)構(gòu)

存在寄生電感的電容，其電路等效為電容和寄生電感串聯(lián)，如圖3（a）所示。存在寄生電容的電感，其電路等效為電感和寄生電容并聯(lián)，如圖3（b）所示。本設(shè)計(jì)利用了阻帶高通單元主路電容中的寄生電感，一方面增大接地電感的電感量，另一方面電容與寄生電感形成串聯(lián)諧振，使帶外產(chǎn)生一個(gè)抑制零點(diǎn)；同時(shí)還利用了接地電容的寄生電感使帶外產(chǎn)生另一個(gè)抑制零點(diǎn)，在滿足帶外吸收的條件下，提升了整個(gè)電路的性能[9]?？紤]到LTCC 制備工藝及空間利用，半分布式結(jié)構(gòu)如圖4 所示，具體模型將在第2 小節(jié)中提到。

圖3 電容電感的相互寄生

圖4 吸收式低通濾波器的半分布式結(jié)構(gòu)

2 基于LTCC 工藝的三維模型實(shí)現(xiàn)

首先通過(guò)Ansoft Designer 軟件進(jìn)行實(shí)際模型中寄生的擬合，在HFSS中搭建圖4所示的分布式結(jié)構(gòu)，搭建出所需要的具有寄生電感的電容和具有寄生電容的電感，最后通過(guò)逐步優(yōu)化，得到最終的LTCC模型圖如圖5 所示。

由圖5 可知，低通的通帶部分和阻帶吸收部分放置在不同層，減小了模型的整體體積。黑色電阻與輸入輸出端放置在了同一側(cè)，使阻帶中電容的Q值最大化。給阻帶接地電感一定的寬度，使之具有并聯(lián)的寄生電容，犧牲一定的帶外遠(yuǎn)端吸收來(lái)達(dá)到更好的帶外抑制。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，得到圖6 所示的S 參數(shù)仿真圖和圖7 所示的電壓駐波比曲線圖。

圖5 吸收式低通濾波器的三維模型

圖6 LTCC 濾波器S 曲線仿真

圖7 LTCC 濾波器電壓駐波比

由圖6 可知，此款濾波器的通帶頻率截止到2 GHz，3dB 截止頻率fc=2.5 GHz，6fc處的帶外吸收能達(dá)到12 dB，在8 ～17.5 GHz 頻段內(nèi)的帶外抑制大于25 dB。通過(guò)調(diào)節(jié)電容電感的比例，能把S21曲線的帶外抑制峰值點(diǎn)處的抑制度調(diào)到30 dB。圖7 的電壓駐波比圖代表著此模型的帶外反射信號(hào)吸收情況，由回波損耗與駐波比對(duì)照表可知，圖中16.5 GHz 頻率處的電壓駐波比是2.83，對(duì)應(yīng)回波損耗6.5 dB 左右，即帶外吸收6.5 dB?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的LTCC 濾波器在2fc處帶外吸收能力大于17 dB，3fc處大于19 dB，6fc處大于12 dB，有很好的帶外吸收能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于LTCC 工藝的半分布式吸收低通濾波器，其3 dB 截止頻率為2.5 GHz，在8 ～17.5 GHz頻段內(nèi)的帶外抑制大于25 dB，具有很好的帶外抑制；在2fc處帶外吸收能力大于17 dB，3fc處大于19 dB，6fc處大于12 dB，有不錯(cuò)的帶外反射信號(hào)吸收能力，模型尺寸僅為4.8mm×3.6mm×1.43mm。本模型不僅繼承了LTCC 工藝的穩(wěn)定性強(qiáng)，易于封裝一體化，布局靈活，成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且便于調(diào)節(jié)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很好的吸收式濾波器性能，符合設(shè)計(jì)初衷。