LTCC多级结构实现高性能微型带通滤波器的研究

摘要：提出了一种基于LTCC多级结构实现高性能微型带通滤波器的实现方法。该滤波器电路由6个由电感耦合的谐振腔组成。在一般抽头式梳状线滤波器设计的基础上，引入了交叉耦合，形成传输零点，并结合电路仿真以及三维电磁场仿真，辅之以DOE的设计方法，设计出了一种尺寸小、频率选择性好、边带陡峭、阻带抑制高的滤波器。实际测试结果与仿真结果吻合较好，中心频率为2.925 GHz，其1 dB带宽为170 MHz，在1～2.703 GHz频率上的衰减均优于35 dB，在3.147～6 GHz频率上的衰减均优于35 dB，体积仅为4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

0 引言

随着无线通信和国防精密电子设备的发展，微波/射频领域的发展趋势愈来愈向高性能、低成本和小型化发展。在微波频段，运用LTCC（低温共烧陶瓷即低温共烧陶瓷）技术实现无源器件，如滤波器，采用三维集成的方式，具有结构紧凑，易于集成，设计方便等突出优势，因而成为这个领域的研究热点。带通滤波器是无线通信系统中的重要无源元件[1]。RF滤波器作为射频收发模块和无线通信系统中的重要无源元件，一直是微波射频领域研究的热点。LTCC技术具有三维集成的优势，从而在微波频带被广泛用于加工各种微波无源器件，实现了高度集成的无源元件。同时LTCC技术也是实现SIP和SOP技术的重要平台。基于LTCC技术设计的滤波器相比其他技术具有体积小，成本低，性能好，可靠性高等优势，所以LTCC技术是未来无线通信系统的发展趋势[2⁃3]随着无线通信系统的快速发展，频率资源越来越紧张，当滤波器被用在多个相邻的中心频率的系统中，为了减少相邻信道之间的相互干扰，需要用到边带陡峭和阻带抑制高的滤波器。尤其在一些复杂的尖端防御设备中，为了确保系统性能，系统对滤波器的电性能和尺寸有着特别苛刻的要求[4⁃5]。

本文设计了一种LTCC梳状线结构的六级带通滤波器的中心频率f0=2.925 GHz，通带宽度170 MHz，通带内起伏＜1 dB，带内驻波＜1.5，通过引入交叉耦合产生传输零点的方法在LTCC滤波器的设计中可以很好的实现[6⁃8]，从而达到具有边带陡峭和高抑制的高性能。而滤波器尺寸仅为4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

1 理论分析

1.1 原理分析

图1是六阶谐振单元带通滤波器的电路图，该滤波器的实现是基于六阶耦合谐振单元带通滤波器的原型[9]。

图1 六阶耦合谐振单元带通滤波器的电路图

式中：f0为滤波器的中心频率（单位：Hz）；w为带状线的宽度；b为带状线上下两块接地板的距离；l为带状线的长度；d为相邻两根带状线间距；μ为磁导率；ε介电常数；f1和f2是利用HFSS的本征模求解器，设置的两个本征频率。

1.2 零点产生原理分析

微波电路中传输零点的形成方式有很多种，例如信号通过不同的电路耦合形成反相抵消、通过一个串联谐振信号流入地、在主路加入并联谐振器进行全反射等，在这里只分析第一种情形，即利用交叉耦合原理形成传输零点[10⁃12]。图2是交叉耦合相位示意图。微波信号通过第一谐振级之后，其中一部分通过主路的第二谐振级、第三谐振级、第四谐振级、第五谐振级的磁耦合到第六谐振级，另一部分信号通过交叉路的电耦合从第二谐振级传输到第五谐振级。根据相位分析，信号通过磁耦合相移-90°，通过电耦合相移+90°，谐振频点的信号通过谐振器相移为0°，比谐振频率低的信号相移+90°，比谐振频率高的信号相移-90°。根据图2计算相位：对于比谐振频率低的信号，主路相位=-90°+90°-90°+90°-90°+90°-90° +90°-90°=-90°，交叉路相位=-90°+90°+90°+90°-90°= +90°，两路信号反相抵消形成零点；然而对于比谐振频率高的信号，主路相位=-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°-90°=-90°，交叉路相位=-90°-90°+ 90°-90°-90°=+90°，两路信号也反相抵消形成零点，所以此结构在通带两边各有一个零点。

图2 交叉耦合相位示意图

2 三维实现方式

2.1 设计方法与流程

（1）根据给定的技术指标，确定滤波器的级数，选择合适的电路拓扑结构[13⁃14]；

（2）运用带状线计算公式以及HFSS的本征模求解器计算出单个谐振单元的大小；

（3）利用HFSS和双模耦合系数提取的方法确定各谐振级间的耦合系数，从而确定各个相邻谐振级之间的耦合距离；

（4）通过调整耦合电容精确控制零点位置，实现技术指标的衰减要求。使用HFSS软件优化仿真，得到六阶滤波器的三维模型；

（5）运用DOE（Design of Experiment）的设计方法对模型的整体结构进行微调，得到性能优异的六阶滤波器的最终三维模型；

（6）提取仿真数据，采用LTCC技术来制造该滤波器，并将测试的频率响应特性曲线与设计仿真结果进行比较，验证该滤波器设计方法的正确性。

2.2 六级滤波器的三维结构

图3是六级LTCC滤波器设计的内部三维结构示意图。设计该滤波器使用的陶瓷介电常数为9.2，损耗角正切为0.002。如图3所示，三维模型包括6层金属图形，其中第一层和第六层为接地层。第二层和第四层为加载电容层Cr层，第三层是电感电容L，C层，从图3中可以看出，第二、第三和第四层的金属可以等效为6个并联谐振单元。第五层为一个交叉耦合层，第五层的Z型交叉耦合结构与第二和第五谐振级之间形成交叉耦合，产生耦合电容C14。

3 仿真与测试结果

在完成整体设计之后，对模型进行的微调以满足指标要求，在相应的LTCC生产线完成加工，完成的滤波器样品和测试夹具如图4所示。图4是采用LTCC技术来实现滤波器设计的样品，该滤波器的加工c采用了相对介电常数为9.2，损耗角为0.002的陶瓷介质，共烧的金属为银，其共烧厚度控制在为10 μm左右。

图3 六级基本型LTCC滤波器的内部三维立体结构示意图

图4 滤波器实物及测试夹具

图5、图6分别是该滤波器的三维仿真曲线与实物测试曲线。利用安捷伦的矢网分析仪对该滤波器的S参数曲线进行相应的测试，从图5、图6可以看出，测试出的幅频特性曲线与三维仿真曲线的一致性比较好。从仿真结果来看，在通带2.84～3.01 GHz内插损均小于3.5 dB，带内驻波均小于1.5。低阻带从1～2.703 GHz频率上的衰减均优于35 dB。高阻带从3.147～6 GHz频率上的衰减均优于35 dB。测试曲线与仿真曲线基本一致。这种具有边带陡峭和高阻带抑制特性的高性能LTCC微型带通滤波器的尺寸仅为：4.5 mm×3.4 mm×1.5 mm。

4 结语

本文基于六阶抽头式耦合谐振带通滤波器原型，在结构上对传统的抽头式带通滤波器进行改进，设计了一款具有边带陡峭高阻带抑制特性的高性能LTCC微型带通滤波器。在六阶带通原型基础上，引入交叉耦合结构，使得高低端阻带各产生了相应的传输零点，满足了系统对特殊频点高抑制的指标要求。生产出的滤波器测试曲线与三维仿真曲线吻合很好。此外该滤波器还具有尺寸小、结构简单和易于设计等优点，可以广泛应用于国防精密电子设备以及RF无线通信系统中，在微波通信系统中有着广阔的应用前景。

图5 滤波器的三维仿真曲线

图6 滤波器的测试曲线

审核编辑：汤梓红