L波段四级分布LTCC带通滤波器的设计

关键词： 带状线 小型化 低温共烧陶瓷 传输零点

　　李博文，戴永胜

　　（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

　　摘要：提出了一种基于LTCC技术的L波段四级分布带通滤波器的实现方法。该带通滤波器由四级谐振器组成，每级谐振器由三层平行放置的带状线排列而成，其中Z形带状线起到形成传输零点的作用，从而实现良好的带外阻带衰减。通过ADS电路仿真以及HFSS软件三维建模设计，滤波器的加工测试结果与电磁仿真结果相匹配，四级带通滤波器的中心频率为1.46 GHz，带宽为250 MHz，通带范围内插入损耗均优于2.56 dB，在0 GHz~1.22 GHz频率的带外衰减优于36 dB，尺寸仅为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。该滤波器频段属于L波段，设计中采用了带状线分布式结构来实现滤波器的小型化。

　　关键词：带状线；小型化；低温共烧陶瓷；传输零点

0引言

　　随着国家大力发展无线通信技术，并制定互联网+方针政策，无线移动通信技术迅猛发展，信息传输对传输系统提出了更严格的要求。频谱资源的紧张问题已经迫在眉睫，相邻频段信号间的干扰比较大，人们在开发更高频段信号的同时也在尝试抗干扰的频带，目前已知目的一种有效方法就是设计阻带高抑制的滤波器。为了实现设计指标还要兼顾设计成本，新材料的技术开发成为焦点。而源于国外的一项实用的材料技术，低温共烧陶瓷（LTCC）技术由于其成本低、实现体积小、三维集成灵活性好以及良好的陶瓷材料特点和简单的制造过程，在微波领域已经成为一个研究热点。

　　LTCC的工艺包含低温叠层烧结、高精度印刷叠层及封装技术等多种流程，因此可以运用LTCC技术工艺制造滤波器。现已知的LTCC滤波器具有品质因数高、体积小、插损小、带外衰减大等特性［1］。

　　低温共烧陶瓷与其他集成技术相比，具有多样性的材料配比度，具有一种材料包含不同的介电常数，这样可以使其变化范围增大，材料具有良好的电性能、高频宽带传输特性；电路板的叠层生产，可以减小导体的电长度，具备生产高密度和复杂结构电路，目前可实现线宽10 μm，层距20 μm的加工工艺；材料还具备大电流工作特性，有很好的兼容性，大大地提高了器件的稳定性能；具有非连续的生产过程，可提高生产效率，缩短生产周期，减小成本［2］。

　　电感电容型结构设计复杂、元件间干扰大，带内衰减大。而分布式谐振器结构是由三层带状线平行放置而成，适用于L波段等中高频波段，并且具有体积小、稳定性好、易于与其他器件连接等优点，因而在微波毫米波集成电路中广泛应用。

　　本文进行了L波段四级分布LTCC带通滤波器的设计，该滤波器采用带状线分布式结构设计而成。该滤波器的具体指标如下：中心频率为1.46 GHz，带宽为250 MHz，带内插入损耗小于2.56 dB，带外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。在第一级谐振器与第四级谐振器间引入Z形交叉耦合可以增加传输零点，从而使得阻带衰减增强。滤波器尺寸为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1滤波器原理设计

　　1.1滤波器原理分析

　　四级带状线型分布式结构带通滤波器的等效电路图如图1所示。

　　从图1四级耦合谐振器的等效电路可以看出，每级谐振器可以实现电感与电容特性，可以等效为电感电容并联谐振，而每个谐振级之间还存在能量耦合，耦合系数如式（4）所示，其次每个谐振器都会对地产生寄生电容，其作用是增强阻带衰减，Z形耦合电容C5的作用是增加传输零点，使得阻带衰减变大［3］。

　　

　　四级耦合谐振器的电感、电容以及耦合系数的计算如式(1)~式(4)所示，w为带状线的宽度，d为两个相邻带状线之间的距离，b为带状线与地面之间的距离，l为带状线的长度，f1 与 f2 为两个本征频率，其中四级谐振器处于磁导率为μ、介电常数为ε的均匀介质中［45］。根据设计指标，运用上述公式来完成初步的建模。

　　1.2传输零点

　　图2四级谐振器的相位变化特性本文设计指标要求阻带带外衰减大，而不引入交叉耦合，衰减效果会很差，因此引入Z形结构，增加传输零点数目。Z形耦合的本质是电耦合，在传输零点处会形成相位差为±180°，如图2所示，当工作频率小于谐振频率时，从谐振器1传输到谐振器4会同时产生两种相位变化，一种是相位90°+90°-90°+90°+90°=270°，另一种则是相位为90°，得出相位差为180°。而当工作频率高于谐振频率时，同理，一种相位为90°-90°-90°-90°+90°=-90°，另一种仍然是90°，得出相位差为-180°。所以引入Z形交叉耦合后，此结构在通带两边各有一个零点［6］。

2四级滤波器的设计

　　2.1滤波器的设计理论

　　首先分析滤波器的具体参数指标，运用ADS仿真软件确定元件值的算法，以及滤波器的级数与结构，对初始结构进行优化设计，使其达到设计指标。然后运用HFSS设计软件进行建模，确定陶瓷介质参数、谐振级相关参数，特别是耦合电容的大小及位置，获得更好的带外抑制。最后进行试验调试，加工生产滤波器，分析并测试性能［78］。

　　2.2四级滤波器的三维实现

　　本设计的中心频率为1.46 GHz，属于L波段。基于LTCC的三维设计模型，确定该滤波器的尺寸为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，介质选用相对介电常数为28的陶瓷材料 ，介质损耗角为tanθ=0.001 2，金属导体材料为银，厚度均为0.01 mm。如图3所示，三维模型一共五层，第一层与第三层为加载电容层，第二层为电感电容层，第一、第二、第三层平行放置，图3四级滤波器内部三维结构构成四级谐振单元，第四层为第一谐振器与第四谐振器之间的Z形交叉耦合电容(C5)，第五层为接地层。

　　信号从端口1进入第一谐振器，通过第二、第三谐振器的耦合传输，从第四谐振器经端口2输出。其间Z形耦合电容起到了形成传输零点的作用，实现了阻带衰减作用。

　　2.3仿真测试结果

　　L波段四级分布滤波器的模拟仿真结果如图4所示，中心频率为1.46 GHz，带宽为250 MHz，带内插入损耗<2.66 dB，带外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。

　　仿真结果达到设计指标，可以根据HFSS软件设计仿真模型，进行生产加工，其中实物图与测试夹具如图5所示。

　　四级带通滤波器的实物测试结果如图6所示，可以观察，带内最大插损达到2.56 dB，带外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。实物测试结果与仿真结果是有差异的，原因包括陶瓷介质材料的误差、加工工艺的误差、测试夹具引起的误差等。虽然两者的结果有些差异，但两者的性能基本一致，符合设计指标，可以进行批量生产［9］。

3结论

　　本文设计了一款性能良好的L波段四级分布带通滤波器，根据设计指标确定方案，通过三维建模、调试等工作完成LTCC三维实现。最后进行生产加工，并对成品进行测试，测试结果达到设计指标，总结出引入Z形电容耦合会产生两个传输零点，使其具有优良的带外衰减特性等。该滤波器适用于DSTV、卫星电视、PHS、无绳电话机等产品，可以批量生产。

　　参考文献

　　［1］ 戴永胜，陈相治.LTCC多级结构实现高性能微型带通滤波器的研究［J］.现代电子技术，2014,37(8):7981.

　　［2］ Dai Yongsheng, Tang Xiongxin, Zhou Wenkan, et al. A miniaturized LTCC lowpass filter based on the lumped circuit model［C］. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology ( ICMMT ) , 2010：15781580.

　　［3］ 李宝山.边带陡峭LTCC滤波器的设计与研究［D］.南京：南京理工大学，2007.

　　［4］ 刘祖华,刘斌,黄亮,等.应用于WLAN的低噪声放大器及射频前端的设计［J］.电子技术应用,2014,40(1):3840.

　　［5］ 黄小晖，吴国安. 多传输零点LTCC带通滤波器的设计与实现［J］. 半导体技术，2011，36(12):957961.

　　［6］ 彭永棒,孙奉娄,蓝加平,等.基于CPLD的开关电容组式跟踪滤波器设计与实现［J］.微型机与应用,2013,32(3):1922.

　　［7］ 吴迎春.基于LTCC技术的新型高性能超宽带滤波器的研究［D］.南京：南京理工大学，2014.

　　［8］ 王立杰.LTCC超宽带滤波器研究与设计［D］.南京：南京理工大学，2007.

　　［9］ POZAR D M. Microwave engineering(Third Edition)［M］.Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006.