摘 要： 提出了一種基于LTCC級聯(lián)技術(shù)的邊帶陡峭高阻帶抑制多級帶通濾波器的實現(xiàn)方法。該濾波器電路由兩個諧振部分級聯(lián)而成，每個部分均由電感耦合的四階諧振腔組成。在一般抽頭式梳狀線濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上，引入了交叉耦合，形成傳輸零點，并結(jié)合電路仿真以及三維電磁場仿真，輔之以DOE(Design Of Experiment)的設(shè)計方法，設(shè)計出一種尺寸小、頻率選擇性好、邊帶陡峭、阻帶抑制高的濾波器。實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，中心頻率為3.25 GHz，其1 dB帶寬為300 MHz，在1 GHz~2.86 GHz頻率上的衰減均優(yōu)于60 dB，在3.64 GHz~3.84 GHz頻率上的衰減均優(yōu)于80 dB，在4.08 GHz~5.8GHz頻率上的衰減均優(yōu)于60 dB，體積僅為6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

　　關(guān)鍵詞： 高抑制；LTCC；帶通濾波器；傳輸零點

0 引言

　　由于集成電路系統(tǒng)的復(fù)雜度升高，高抑制濾波器的微型化已經(jīng)成為目前微波電路系統(tǒng)的主要研究方向。在越來越復(fù)雜的電路系統(tǒng)中，很多微波元器件需要有良好的電性能以及很小的物理尺寸，并且其工作穩(wěn)定性也需要非常好。目前，具有高阻帶抑制特性的微型化LTCC濾波器已經(jīng)成為微波通信系統(tǒng)的研究重點 [1]。在生產(chǎn)制造方面，現(xiàn)階段的LTCC技術(shù)具有較大的優(yōu)勢，它可以通過三維立體集成的方式進行加工制造，從而在微波器件的加工上運用非常廣泛。基于LTCC的三維立體集成技術(shù)可以用于實現(xiàn)具有高阻帶抑制的LTCC微型濾波器[2]。

　　帶通濾波器在無線通信以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)中起著重要作用[3]。在這些系統(tǒng)中，需要用到多個相近頻率的濾波器，每個濾波器相互之間會產(chǎn)生串?dāng)_。為了減小這種相互串?dāng)_，需要濾波器各自的阻帶衰減非常高而且矩形系數(shù)非常好，并且需要濾波器的尺寸盡可能小，尤其是在一些國防尖端設(shè)備中，系統(tǒng)對濾波器性能和尺寸的要求越來越高[4-5]。

　　為了實現(xiàn)每個濾波器阻帶內(nèi)的高抑制特性，一般可以采用三種方法：一是用多個濾波器串接，二是增加濾波器內(nèi)部的級數(shù)，三是在帶外增加傳輸零點。然而，如果采用濾波器串接的方式，串聯(lián)之后必會導(dǎo)致濾波器件整體尺寸擴大，這樣將不利于系統(tǒng)的小型化，還會增加整個濾波器件的傳輸損耗，并且濾波器串接之后由于相互干擾和匹配等問題，導(dǎo)致整體濾波特性無法保證，很可能需要重新設(shè)計。而直接增加級數(shù)，例如八級濾波器，各諧振級之間的耦合參數(shù)很多，使得調(diào)試難度非常大，而調(diào)試四級濾波器的難度相對容易許多。所以在實現(xiàn)級聯(lián)過程中，可以分為兩個部分進行設(shè)計，設(shè)計單個部分時需要進行優(yōu)化設(shè)計，盡量保證尺寸小以及傳輸損耗小，從而在級聯(lián)過后，使得濾波器尺寸大幅度較小。通過交叉耦理論可以很好地實現(xiàn)在濾波器的設(shè)計中產(chǎn)生傳輸零點 [6-8]，此方法可以使濾波器通帶內(nèi)線性相位一致性高，也可以很好地改善信號在傳輸中產(chǎn)生的相位失真，而且可以使濾波器在阻帶內(nèi)的抑制非常高。

　　本文提出了一種通過設(shè)計一個四諧振級梳狀線帶通濾波器，運用內(nèi)部級聯(lián)的方式實現(xiàn)八級濾波器的方法。

1 四級濾波器電路設(shè)計

　　1.1 四級濾波器電路原理分析

　　圖1是由四級梳狀線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)圖，該濾波器結(jié)構(gòu)是基于四階耦合諧振帶通濾波器的原型來實現(xiàn)的[9]。

　　式中的中心頻率f0由帶狀線的長度l和帶狀線寬度w決定，帶狀線兩接地板之間的距離b和相鄰兩根帶狀線間距d決定濾波器的帶寬，通過改變這些參數(shù)可以控制濾波器的各項指標(biāo)。

　　1.2 交叉耦合傳輸零點分析

　　傳輸零點可以由不同方法來實現(xiàn)，其中微波信號通過不同的傳輸通路形成反相，可以產(chǎn)生傳輸零點 [10-12]。

　　圖2是四級帶通濾波器交叉耦合相位圖。根據(jù)交叉耦合理論可知，微波信號通過磁場耦合產(chǎn)生的相移為-90°，通過電場耦合產(chǎn)生的相移為+90°，在諧振頻率處的信號通過諧振器時不產(chǎn)生相位變化，即沒有相移，低于諧振頻率的微波信號產(chǎn)生的相移為+90°，高于諧振頻率的微波信號產(chǎn)生的相移為-90°。根據(jù)理論分析并且結(jié)合圖2計算相位：低于諧振頻率的微波信號，主路信號產(chǎn)生-90°相位，交叉路信號產(chǎn)生+90°相位，主路信號和交叉路信號相互抵消，從而產(chǎn)生傳輸零點。對于高于諧振頻率傳輸信號，主路信號產(chǎn)生-90°相位，交叉路信號產(chǎn)生+90°相位，主路信號和交叉路信號也相互抵消，從而產(chǎn)生傳輸零點，所以此結(jié)構(gòu)在濾波器的通帶兩個邊帶均能產(chǎn)生相應(yīng)的傳輸零點。

2 濾波器級聯(lián)

　　圖3是兩個部分諧振單元級聯(lián)的電路原理圖。該濾波器的實現(xiàn)是基于兩個四階耦合諧振單元通過一段串聯(lián)耦合電感進行級聯(lián)的八級梳狀線帶通濾波器。

　　圖3中，串聯(lián)耦合電感L45兩邊的兩部分四階耦合諧振單元相同，第四諧振單元與第五諧振單元之間的串聯(lián)耦合電感L45起到連接兩部分諧振單元的作用。通過兩部分四階耦合諧振單元級聯(lián)實現(xiàn)八級濾波器的濾波特性。

3 濾波器的三維實現(xiàn)

　　3.1 級聯(lián)濾波器的設(shè)計流程

　　⑴根據(jù)要求的各項指標(biāo)，選定合適的濾波器電路拓撲結(jié)構(gòu)[13-14]；

　　⑵根據(jù)帶狀線計算公式和HFSS軟件中的本征模求解方式，算出每一個諧振單元的大小；

　　⑶使用HFSS的雙模提取法，確定各個諧振級之間的耦合系數(shù)，計算出各個諧振級之間的距離；

　　⑷運用交叉耦合理論，精確控制結(jié)構(gòu)中各個零點的位置，使濾波器的帶外抑制達到指標(biāo)要求。在HFSS軟件中進行三維仿真，得到性能較好的四級濾波器模型；

　　⑸在三維模型中運用串聯(lián)耦合電感將設(shè)計好的兩部分相同的四階耦合諧振單元進行級聯(lián)，運用DOE(Design Of Experiment)的方法對模型的整體結(jié)構(gòu)進行最后調(diào)試，得到最終性能優(yōu)異的八級級聯(lián)濾波器的三維模型；

　　⑹提取八級濾波器的仿真數(shù)據(jù)，用LTCC工藝線進行加工，加工出的樣品用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試，并將測試結(jié)果與仿真曲線進行比較。

　　3.2 四級濾波器與八級濾波器的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖4是所設(shè)計的四級濾波器的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。濾波器的設(shè)計采用陶瓷介質(zhì)，其介電常數(shù)為27，正切損耗角為0.002。濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括5層金屬圖形，其中第一層和第五層金屬圖形為接地板層。第二層金屬圖形為電容Cr層，第三層金屬圖形為電感電容LC層，第四層為交叉耦合電容層，通過Z字型交叉耦合帶狀線結(jié)構(gòu)在第一級和第四級之間形成交叉耦合電容C14。

　　圖5是所設(shè)計的八級級聯(lián)LTCC濾波器三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。該濾波器左右兩部分結(jié)構(gòu)與四級基本型LTCC濾波器基本相同，兩部分四級諧振單元通過串聯(lián)耦合電感L45級聯(lián)。

4 模型仿真與測試結(jié)果比較

　　在完成整體模型后，通過DOE方法對整體模型進行微調(diào)，使其仿真性能滿足指標(biāo)要求并留有余量，然后將設(shè)計完成的濾波器模型在LTCC生產(chǎn)線上進行加工制造。

　　圖6是該濾波器最終的仿真曲線與實物測試曲線的比較。從圖6可以看出，三維仿真曲線和測試曲線的一致性很好。從測試結(jié)果可以看出，在通帶3.1 GHz~3.4 GHz內(nèi)插損均小于3.5 dB。低阻帶1 GHz~2.86 GHz內(nèi)的衰減都優(yōu)于60 dB。高阻帶3.64 GHz~3.84 GHz內(nèi)的衰減均優(yōu)于80 dB，4.08 GHz~5.8 GHz內(nèi)的衰減均優(yōu)于60 dB。

　　這種具有邊帶陡峭高阻帶抑制的LTCC級聯(lián)帶通濾波器的尺寸僅為：6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

5 結(jié)論

　　本文基于四階耦合諧振帶通濾波器原型，運用級聯(lián)技術(shù)設(shè)計了一款具有邊帶陡峭高阻帶抑制的LTCC級聯(lián)帶通濾波器。在四級帶通濾波器的基礎(chǔ)上，通過串聯(lián)耦合電感對兩部分四階耦合諧振單元進行級聯(lián)，并引入交叉耦合，使得高頻端和低頻端阻帶各引入相應(yīng)的傳輸零點，滿足了濾波器阻帶高抑制的要求。利用三維仿真軟件HFSS搭建相應(yīng)的三維模型。生產(chǎn)出的濾波器測試曲線與三維仿真曲線吻合很好。

參考文獻

　　[1] FRAZIER A B , WARRINGTUN R O, FRIEDRICH C. The miniaturization technologies: Past, present, and future [J]. IEEE Trans Magn, 1995, 42(10): 423-430.

　　[2] SCRANTOM C Q, LAWSON J C. LTCC technology: Where we are and where we’re going-II [J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest, 1999(1): 193-200.

　　[3] Lucero R, Qutteneh W, Pavio A. et al. Design of an LTCC switch diplexer front-end module for GSM DCS PCS applications[C]. Radio Frequency Integrated Circuits(RFIC) Symposium,2001：213-216.

　　[4] Dai Y S, Yao Y F, Li B S, et al. Design and implementation of an LTCC filter with high stopband rejection[C]. SINGAPORE:IEEE Internation Symposium on Radio-Frequency Integration Technology, 2009: 51-54.

　　[5] Dai Y S, Li B S, Ye Z H, et al. A miniaturized LTCC bandpass filter with low insertion loss and high image rejection within 6.5 to 7.1 GHz frequency range[C]. SINGAPORE: Asia Pacific Microwave Conference, 2009: 1307-1309

　　[6] YEUNGL K, WU K L.A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros [J].IEEE

　　（上接第29頁）

　　Trans on MTT,2003,51(2):337-341.

　　[7] ANGC W, LIN Y C , CHANGC Y . Realization of transmission zeros in combline filters using an inductively coupled ground plane [J].IEEE Trans on MTT,2003,51(10):2112-2118.

　　[8] LEUNG W Y, CHENG K K M, WU K L. Multilayer LTCC bandpass filter design with enhanced stopband characteristics [J].IEEE Microwave and Wireless Components Ltters, 2002,12(7):240-242.

　　[9] POZAR D M. 微波工程(第三版) [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.

　　[10] TANG C W, LIN Y C, CHANG C Y. Realization of transmission zeros in combline filter using an auxiliary inductively coupled ground plane [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003, 51(10): 2112-2118.

　　[11] JOSHI H, CHAPPELL W J. Dual-band lumped-element band-pass filter [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2006, 54(12): 4169-4177.

　　[12] DAI Y S, YE Z H, LI B S. A miniaturized and low insertion loss LTCC filter with two finite transmission zeros for bluetooth application [C]. IEEE MTT-S Int Microwave Workshop Series on, 2008, 132-134.

　　[13] SONG H S, LEE Y S. A miniaturized 2.4 GHz band multi-layer band-pass filter using capacitively loaded λ/4 slow-wave resonator [J]. IEEE MTT-S Int Microwave Symp Dig, 2003(1): 515-518.

　　[14] RAMBABU K, BORNEMANN J. Simplified analysis technique for the initial design of LTCC filters with all-capacitive coupling [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2005, 53(5): 1787-1791.