關鍵詞： 帶狀線 小型化 低溫共燒陶瓷 傳輸零點

　　李博文，戴永勝

　　（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

　　摘要：提出了一種基于LTCC技術的L波段四級分布帶通濾波器的實現方法。該帶通濾波器由四級諧振器組成，每級諧振器由三層平行放置的帶狀線排列而成，其中Z形帶狀線起到形成傳輸零點的作用，從而實現良好的帶外阻帶衰減。通過ADS電路仿真以及HFSS軟件三維建模設計，濾波器的加工測試結果與電磁仿真結果相匹配，四級帶通濾波器的中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，通帶范圍內插入損耗均優于2.56 dB，在0 GHz~1.22 GHz頻率的帶外衰減優于36 dB，尺寸僅為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。該濾波器頻段屬于L波段，設計中采用了帶狀線分布式結構來實現濾波器的小型化。

　　關鍵詞：帶狀線；小型化；低溫共燒陶瓷；傳輸零點

0引言

　　隨著國家大力發展無線通信技術，并制定互聯網+方針政策，無線移動通信技術迅猛發展，信息傳輸對傳輸系統提出了更嚴格的要求。頻譜資源的緊張問題已經迫在眉睫，相鄰頻段信號間的干擾比較大，人們在開發更高頻段信號的同時也在嘗試抗干擾的頻帶，目前已知目的一種有效方法就是設計阻帶高抑制的濾波器。為了實現設計指標還要兼顧設計成本，新材料的技術開發成為焦點。而源于國外的一項實用的材料技術，低溫共燒陶瓷（LTCC）技術由于其成本低、實現體積小、三維集成靈活性好以及良好的陶瓷材料特點和簡單的制造過程，在微波領域已經成為一個研究熱點。

　　LTCC的工藝包含低溫疊層燒結、高精度印刷疊層及封裝技術等多種流程，因此可以運用LTCC技術工藝制造濾波器。現已知的LTCC濾波器具有品質因數高、體積小、插損小、帶外衰減大等特性［1］。

　　低溫共燒陶瓷與其他集成技術相比，具有多樣性的材料配比度，具有一種材料包含不同的介電常數，這樣可以使其變化范圍增大，材料具有良好的電性能、高頻寬帶傳輸特性；電路板的疊層生產，可以減小導體的電長度，具備生產高密度和復雜結構電路，目前可實現線寬10 μm，層距20 μm的加工工藝；材料還具備大電流工作特性，有很好的兼容性，大大地提高了器件的穩定性能；具有非連續的生產過程，可提高生產效率，縮短生產周期，減小成本［2］。

　　電感電容型結構設計復雜、元件間干擾大，帶內衰減大。而分布式諧振器結構是由三層帶狀線平行放置而成，適用于L波段等中高頻波段，并且具有體積小、穩定性好、易于與其他器件連接等優點，因而在微波毫米波集成電路中廣泛應用。

　　本文進行了L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計，該濾波器采用帶狀線分布式結構設計而成。該濾波器的具體指標如下：中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，帶內插入損耗小于2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。在第一級諧振器與第四級諧振器間引入Z形交叉耦合可以增加傳輸零點，從而使得阻帶衰減增強。濾波器尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1濾波器原理設計

　　1.1濾波器原理分析

　　四級帶狀線型分布式結構帶通濾波器的等效電路圖如圖1所示。

　　從圖1四級耦合諧振器的等效電路可以看出，每級諧振器可以實現電感與電容特性，可以等效為電感電容并聯諧振，而每個諧振級之間還存在能量耦合，耦合系數如式（4）所示，其次每個諧振器都會對地產生寄生電容，其作用是增強阻帶衰減，Z形耦合電容C5的作用是增加傳輸零點，使得阻帶衰減變大［3］。

　　四級耦合諧振器的電感、電容以及耦合系數的計算如式(1)~式(4)所示，w為帶狀線的寬度，d為兩個相鄰帶狀線之間的距離，b為帶狀線與地面之間的距離，l為帶狀線的長度，f1 與 f2 為兩個本征頻率，其中四級諧振器處于磁導率為μ、介電常數為ε的均勻介質中［45］。根據設計指標，運用上述公式來完成初步的建模。

　　1.2傳輸零點

　　圖2四級諧振器的相位變化特性本文設計指標要求阻帶帶外衰減大，而不引入交叉耦合，衰減效果會很差，因此引入Z形結構，增加傳輸零點數目。Z形耦合的本質是電耦合，在傳輸零點處會形成相位差為±180°，如圖2所示，當工作頻率小于諧振頻率時，從諧振器1傳輸到諧振器4會同時產生兩種相位變化，一種是相位90°+90°-90°+90°+90°=270°，另一種則是相位為90°，得出相位差為180°。而當工作頻率高于諧振頻率時，同理，一種相位為90°-90°-90°-90°+90°=-90°，另一種仍然是90°，得出相位差為-180°。所以引入Z形交叉耦合后，此結構在通帶兩邊各有一個零點［6］。

2四級濾波器的設計

　　2.1濾波器的設計理論

　　首先分析濾波器的具體參數指標，運用ADS仿真軟件確定元件值的算法，以及濾波器的級數與結構，對初始結構進行優化設計，使其達到設計指標。然后運用HFSS設計軟件進行建模，確定陶瓷介質參數、諧振級相關參數，特別是耦合電容的大小及位置，獲得更好的帶外抑制。最后進行試驗調試，加工生產濾波器，分析并測試性能［78］。

　　2.2四級濾波器的三維實現

　　本設計的中心頻率為1.46 GHz，屬于L波段。基于LTCC的三維設計模型，確定該濾波器的尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm，介質選用相對介電常數為28的陶瓷材料 ，介質損耗角為tanθ=0.001 2，金屬導體材料為銀，厚度均為0.01 mm。如圖3所示，三維模型一共五層，第一層與第三層為加載電容層，第二層為電感電容層，第一、第二、第三層平行放置，圖3四級濾波器內部三維結構構成四級諧振單元，第四層為第一諧振器與第四諧振器之間的Z形交叉耦合電容(C5)，第五層為接地層。

　　信號從端口1進入第一諧振器，通過第二、第三諧振器的耦合傳輸，從第四諧振器經端口2輸出。其間Z形耦合電容起到了形成傳輸零點的作用，實現了阻帶衰減作用。

　　2.3仿真測試結果

　　L波段四級分布濾波器的模擬仿真結果如圖4所示，中心頻率為1.46 GHz，帶寬為250 MHz，帶內插入損耗<2.66 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。

　　仿真結果達到設計指標，可以根據HFSS軟件設計仿真模型，進行生產加工，其中實物圖與測試夾具如圖5所示。

　　四級帶通濾波器的實物測試結果如圖6所示，可以觀察，帶內最大插損達到2.56 dB，帶外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。實物測試結果與仿真結果是有差異的，原因包括陶瓷介質材料的誤差、加工工藝的誤差、測試夾具引起的誤差等。雖然兩者的結果有些差異，但兩者的性能基本一致，符合設計指標，可以進行批量生產［9］。

3結論

　　本文設計了一款性能良好的L波段四級分布帶通濾波器，根據設計指標確定方案，通過三維建模、調試等工作完成LTCC三維實現。最后進行生產加工，并對成品進行測試，測試結果達到設計指標，總結出引入Z形電容耦合會產生兩個傳輸零點，使其具有優良的帶外衰減特性等。該濾波器適用于DSTV、衛星電視、PHS、無繩電話機等產品，可以批量生產。

　　參考文獻

　　［1］ 戴永勝，陳相治.LTCC多級結構實現高性能微型帶通濾波器的研究［J］.現代電子技術，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］ 李寶山.邊帶陡峭LTCC濾波器的設計與研究［D］.南京：南京理工大學，2007.

　　［4］ 劉祖華,劉斌,黃亮,等.應用于WLAN的低噪聲放大器及射頻前端的設計［J］.電子技術應用,2014,40(1):3840.

　　［5］ 黃小暉，吳國安. 多傳輸零點LTCC帶通濾波器的設計與實現［J］. 半導體技術，2011，36(12):957961.

　　［6］ 彭永棒,孫奉婁,藍加平,等.基于CPLD的開關電容組式跟蹤濾波器設計與實現［J］.微型機與應用,2013,32(3):1922.

　　［7］ 吳迎春.基于LTCC技術的新型高性能超寬帶濾波器的研究［D］.南京：南京理工大學，2014.

　　［8］ 王立杰.LTCC超寬帶濾波器研究與設計［D］.南京：南京理工大學，2007.

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