基于LTCC工藝的小型化可調(diào)頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)

王爾凡，楊曉東，邢孟江

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

基于LTCC工藝的小型化可調(diào)頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)

王爾凡，楊曉東，邢孟江

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500）

設(shè)計(jì)了一款基于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的小型化帶通濾波器。采用兩諧振器之間的耦合效應(yīng)，減小了器件的尺寸。在HFSS中建立濾波器模型并仿真，濾波器的中心頻率為1.07 GHz，帶寬為428 MHz，回波損耗大于22 dB，2 f0處抑制大于45 dB，整體尺寸僅為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。在此濾波器上模擬表貼變?nèi)荻O管來調(diào)節(jié)兩個(gè)諧振器中的電容實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)。結(jié)果表明，濾波器的中心頻率在1.05～1.23 GHz內(nèi)連續(xù)變化，在中心頻率變化過程中插損始終小于1 dB，回波損耗始終大于15 dB，2f0處抑制大于45 dB。

小型化濾波器；連續(xù)可調(diào)頻；變?nèi)荻O管；低溫共燒陶瓷；傳輸零點(diǎn)；電感

當(dāng)今高性能、高穩(wěn)定、低成本和小型化成為現(xiàn)代無線通信設(shè)備的基本要求。在無線通信系統(tǒng)中濾波器扮演著系統(tǒng)信號(hào)選擇的重要角色。其性能的好壞影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量，濾波器的尺寸大小也決定著通信系統(tǒng)的大小和可攜帶性。因此小型化、高性能的濾波器成為現(xiàn)代通信設(shè)備的主要發(fā)展趨勢。

目前，低溫共燒陶瓷技術(shù)（LTCC）已經(jīng)成為射頻無源器件小型化、高集成度設(shè)計(jì)的一個(gè)有效手段?；?LTCC技術(shù)的濾波器成為現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)的主流[1]。在民用通信和軍事通信中，可調(diào)濾波器得到了廣泛的運(yùn)用。在民用通信中，部分收發(fā)器是在較大的頻段內(nèi)有選擇性地工作，而在傳統(tǒng)的固定濾波器中要達(dá)到這一目的一般是多個(gè)不同頻段的濾波器組合在一起，這樣不僅使收發(fā)器的體積增加，也增加了其成本和功耗，這不符合現(xiàn)代通信系統(tǒng)對(duì)設(shè)備小型化、低成本的要求，用小型化的可調(diào)諧濾波器取代傳統(tǒng)濾波器組成為現(xiàn)在的趨勢。此外，在軍事上的電子戰(zhàn)雷達(dá)系統(tǒng)中，雷達(dá)系統(tǒng)為避免不被敵方截獲、干擾，要求接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的中心頻率在任何時(shí)候能夠迅速改變，當(dāng)采用可調(diào)諧濾波器時(shí)，由于其中心頻率能夠隨時(shí)改變，很難被敵方截獲。因此，基于可調(diào)諧濾波器在民用通信與軍事雷達(dá)系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，對(duì)可調(diào)諧濾波器的研究有著重要的意義與工程價(jià)值[2]。

2009年Hoppenjans等[3]提出了在LTCC工藝基礎(chǔ)上采用新型的環(huán)形電感實(shí)現(xiàn) VHF頻段電調(diào)濾波器，Q值能達(dá)到 70以上并且其體積為 35 mm×20 mm×1.15 mm，2013年Inoue等[4]運(yùn)用LTCC工藝制出在中心頻率從1.4 GHz到2.7 GHz變化的、插入損耗小于3的可調(diào)濾波器，其面積為3.3 mm×3.8 mm，2015年Eyad等[5]基于LTCC技術(shù)，制作了調(diào)頻幅度4%、插入損耗2.3 dB的可調(diào)帶通濾波器，該器件體積為5 mm×5 mm×1.1 mm。在國內(nèi)，本文首次提出基于LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)一款小型化的電感耦合可調(diào)帶通濾波器，仿真結(jié)果表明，濾波器的中心頻率在1.05～1.23 GHz內(nèi)連續(xù)變化，在中心頻率變化過程中插損始終小于1 dB，回波損耗始終大于15 dB，2 fo處抑制大于45 dB，整體尺寸僅為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。

1 設(shè)計(jì)與分析

帶通濾波器的設(shè)計(jì)流程是根據(jù)低通濾波器的原型加入導(dǎo)納（或阻抗）倒相器，再根據(jù)頻率變換公式而來，每一級(jí)的級(jí)聯(lián)方式都一樣，簡化了電路的結(jié)構(gòu)。低通濾波器電路原型轉(zhuǎn)化為帶通濾波器電路的公式為：

式中：ω0為帶通濾波器的中心角頻率；ω1與 ω2分別是通帶的高低端的截止角頻率。

由于采用的 LTCC具有多層結(jié)構(gòu)，原件體積比較小，分布緊湊，并且都是工作在高頻的環(huán)境下，相鄰諧振腔的電感就會(huì)形成電磁耦合，惡化電路結(jié)構(gòu)。本文則利用此電感耦合來連接兩個(gè)諧振器，縮小了濾波器的體積，達(dá)到小型化的目的。為使電路在帶外產(chǎn)生有限傳輸零點(diǎn)，必須保證有多條傳輸路徑，使得多路信號(hào)在某一或多個(gè)頻率點(diǎn)幅度一致而相位相反，則選擇在輸入輸出間加入反饋電容成為一條新的路徑，在下邊帶引入零點(diǎn)增加高頻區(qū)的抑制[6]，濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 電感耦合帶通濾波器原理圖Fig.1 Schematic diagrams of an inductive coupling bandpass filter

電感L1與L2耦合后的各個(gè)電感值可通過如下公式計(jì)算[7]：

式中：M為耦合系數(shù)。

采用Ansoft designer電路仿真軟件得到各個(gè)元件的初始值為 C1=C3=4.62 pF，L1=L3=6.52 nH，L13=4.8 nH，C2=0.8 pF，并仿真了有無反饋電容時(shí)的電路，得到圖2的仿真結(jié)果，結(jié)果表明由于反饋電容的存在增加了一個(gè)帶外零點(diǎn)。

2 濾波器的物理結(jié)構(gòu)

在LTCC工藝中采用的是多層結(jié)構(gòu)，筆者采用LC集總方式在HFSS建立濾波器模型，電感選擇三層螺旋電感，電容采用MIM（金屬-絕緣介質(zhì)-金屬）電容，采用Ferro A6M 作為介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)為5.9，損耗角正切為0.002，75 μm金屬銀作為導(dǎo)體，濾波器的整體尺寸為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。濾波器的三維模型如圖3所示。

圖2 電路模型仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of circuit model

圖3 帶通濾波器三維結(jié)構(gòu)Fig.3 Three - dimensional structure of band-pass filter

在此三維結(jié)構(gòu)中電感 L1與 L3采用三層螺旋電感，為得到高 Q值，分別使用兩個(gè)通孔柱 θ1和 θ2與接地金屬板連接，C1與C3由兩片金屬板與接地層構(gòu)成，反饋電容C2接在輸入輸出端，由兩層金屬板形成平板式電容。L1與L3通過電磁耦合連接，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)通孔柱θ1與θ2的距離來調(diào)節(jié)兩電感之間的耦合量大小。分別用ADS和HFSS對(duì)帶通濾波器電路圖和三維結(jié)構(gòu)仿真，得到的回波損耗（S11）與插入損耗（S21）如圖4所示，可以看出此濾波器器模型基本符合要求，造成偏差的原因是由于電感電容的寄生效應(yīng)，濾波器的中心頻率為 1.07 GHz，帶寬為 364 MHz，回波損耗大于30 dB，2fo處抑制大于45 dB。

圖4 帶通濾波器仿真結(jié)果圖Fig.4 Diagram of bandpass filter simulation results

3 可調(diào)濾波器的模型及仿真

圖5 外接變?nèi)荻O管等效模型圖Fig.5 Equivalent model with external variable capacitance diode

在三維模型中，將C4與C5并聯(lián)在C1與C3兩端，增加原來電容的容值，在初始模型中，濾波器的C1與C3為定值。調(diào)節(jié)可變電容C4與C5的大小，可改變兩個(gè)諧振器電容的大小，濾波器的中心頻率也會(huì)發(fā)生改變。將兩電容板的面積由零逐漸增大得到在HFSS中的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 接入變?nèi)荻O管后濾波器的仿真結(jié)果圖Fig.6 Diagram of the filter simulation results with external variable capacitance diodes

由圖6看出，當(dāng)兩電容板的有效面積逐漸增大時(shí)，濾波器的中心頻率逐漸減小，帶內(nèi)抑制逐漸減弱，在圖6中最左邊的曲線可以看出此時(shí)的帶內(nèi)插損已經(jīng)大于與1 dB。用此來當(dāng)做其調(diào)頻的極限值，此時(shí)濾波器的中心頻率為1.05 GHz，帶內(nèi)插損約為1 dB，帶內(nèi)抑制大于15 dB，帶寬為346 MHz。2f0處帶外抑制大于 45 dB。原始濾波器的中心頻率為1.23 GHz，帶寬為428 MHz，帶內(nèi)抑制大于22 dB，插入損耗小于1 dB，2f0處帶外抑制大于45 dB。

此仿真結(jié)果表明，由于電感電容的寄生效應(yīng)，可調(diào)濾波器的起始頻率發(fā)生偏移，由1.07 GHz變化成1.23 GHz。當(dāng)隨著變?nèi)荻O管的容值逐漸增大時(shí)，濾波器的中心頻率發(fā)生改變，直到中心頻率變化至1.05 GHz，將此時(shí)的C4與C5電容值當(dāng)成變?nèi)荻O管的最大容值，結(jié)合實(shí)際情況，當(dāng)外接變?nèi)荻O管由最大容值逐漸變化至零時(shí)，濾波器的中心頻率能實(shí)現(xiàn)由 1.05～1.23 GHz的連續(xù)變化，變化范圍為 180 MHz，帶寬由363 MHz增大到428 MHz，插入損耗始終小于1 dB，帶內(nèi)抑制由15 dB增加到22 dB，其2f0處帶外抑制始終大于45 dB。

4 結(jié)論

基于 LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)了一款二階電感耦合的小型化帶通濾波器，濾波器的中心頻率為1.07 GHz，帶寬為428 MHz，帶內(nèi)抑制大于22 dB，插入損耗小于1 dB，2f0處帶外抑制大于45 dB。以此濾波器為原型，提出了外接變?nèi)荻O管的可調(diào)帶通濾波器模型，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波器中心頻率1.05～1.23 GHz的連續(xù)可調(diào)。通過一個(gè)二階電感耦合小型化帶通濾波器，驗(yàn)證了基于 LTCC技術(shù)在濾波器上表貼變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)中心頻率可調(diào)的方法。

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（編輯：陳渝生）

Design of miniaturized tunable band-pass filter based on LTCC process

WANG Erfan, YANG Xiaodong, XING Mengjiang
(Faculty of Infrmation Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China)

A miniaturized two-order inductive coupling band-pass filter was designed based on low temperature co-firing ceramic (LTCC) technology, through the coupling inductance between the two resonators, which were connected to achieve the purpose of miniaturization. The filter model was established and simulated by HFSS. The center frequency of the filter is 1.07 GHz, the bandwidth is 428 MHz, the return loss is more than 22 dB, the attenuation at the 2 f0is greater than 45 dB, and the overall size is 6.5 mm×4 mm×0.9 mm. To simulate the surface paste varactor diode to adjust the capacitance of two resonators, the center frequency of the filter is adjustable. The results show that the center frequency of the filter is continuously changed from 1.05 GHz to 1.23 GHz. The insertion loss is always less than 1dB during the change of the center frequency, the return loss is always greater than 15 dB, and the suppression at the 2f0is greater than 45 dB.

miniaturized filter; continuous tunable frequency; variable capacitance diode; LTCC; transmission zero pole; inductance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.014

TN713

A

1001-2028（2017）07-0071-04

2017-04-17

邢孟江

云南省人才基金項(xiàng)目資助（No. KKSY201403006）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No. 61564005）

王爾凡（1994－），男，四川巴中人，研究生，主要研究方向?yàn)闊o源器件的研究與設(shè)計(jì)，E-mall: 609115591@qq.com 。

時(shí)間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.014.html