劉毅，戴永勝

　?。暇├砉ご髮W 電子工程與光電技術學院,，江蘇 南京，210094）

　　摘要：科技的發(fā)展帶來更加嚴格的器件指標,，電子器件的小型化,、高性能趨勢日益明顯。濾波器作為射頻元器件的重要組成部分,，小型化研究已迫在眉睫,。基于先進的LTCC工藝技術,，選用帶狀線結構,，實現(xiàn)了一款帶通濾波器的小型化設計,。通過交叉耦合的方式插入零點，提高邊帶的陡峭度,，實現(xiàn)了優(yōu)異的性能。經(jīng)過大量仿真優(yōu)化后投入生產(chǎn)加工,，實物測試結果吻合仿真曲線,，中心頻率為3 400 MHz，帶寬為200 MHz,，在3 200 MHz頻率上的衰減優(yōu)于30 dB,，在3 720 MHz頻率上的衰減優(yōu)于20 dB，尺寸僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,。

　　關鍵詞：帶通濾波器,；LTCC；帶狀線結構,；小型化

0引言

　　微波濾波器是無源射頻器件中重要的組成部分,，用以有效控制系統(tǒng)的頻響特性。直觀表現(xiàn)為,，在濾波器所設定的額定頻率范圍內(nèi),，信號可以盡可能地無損通過，而在此頻率范圍以外,，信號需要被盡可能地衰減［1］,。作為系統(tǒng)中重要的組成部分，對于其小型化,、高性能,、低成本、易集成等諸多方面的要求越來越嚴格,。如何綜合實現(xiàn)諸多要求的濾波器,，必然成為今后研究的重要熱點之一［2］。

　　低溫共燒陶瓷［3］（Low Temperature Cofired Ceramic,，LTCC）與傳統(tǒng)的封裝集成技術相比,，有著諸多優(yōu)點：（1）采用了多層堆疊技術，易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結構,，易于故障的排查,，成品率高，且組裝密度提高,，實現(xiàn)了小體積與低重量,；（2）具有良好的高頻特性和高速傳輸特性，同時,，在大電流且高溫的特定情況下,，具有相對較小的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)溫度系數(shù),，熱傳導性優(yōu)良。（3）LTCC技術的兼容性能優(yōu)良,，易于形成多種結構的空腔,；（4）LTCC產(chǎn)生廢料少，非常節(jié)能環(huán)保,。

　　此款基于LTCC技術的帶通濾波器選擇了帶狀線結構［4］的方式進行設計,，相比于LC型集總結構濾波器，結構更加簡單［5］,。先進的LTCC技術保證了其體積小,、重量輕、性能高,、易生產(chǎn),、穩(wěn)定性好、結構簡單,、兼容優(yōu)良等諸多優(yōu)點,。此濾波器的設計指標如下：中心頻率為3 400 MHz，帶寬為200 MHz,，帶內(nèi)插入損耗小于3.5 dB,，在3 200 MHz處帶外抑制≥30 dB，在3 720 MHz處帶外抑制≥20 dB,，電壓駐波比≤1.7,。在引入交叉耦合添加帶外傳輸零點后，邊帶陡峭度明顯提高,，最終產(chǎn)品尺寸為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,。

1濾波器原理設計

　　帶通濾波器通過若干諧振電路的組合，實現(xiàn)濾波效應,。帶狀線型濾波器的諧振單元不再選用集總模式下的電感電容,，而是通過一段傳輸線來實現(xiàn)。此款帶通濾波器選擇六條帶狀線形成帶通效應,，等效為六個諧振單元,，相鄰諧振單元之間通過磁耦合的方式傳遞能量。初步設計出的六級帶狀線帶通濾波器,，雖然有著帶通濾波的作用,，但性能不佳，阻帶插損不夠,，與既定的技術指標相去甚遠,。因此，考慮引入Z字形結構，通過交叉耦合的方式來引入傳輸零點,，以期改善其不良的邊帶抑制度問題［6］,。此時已基本達到初步設計要求，為了優(yōu)化濾波器性能,，引入U形結構,，用以加強諧振級之間的磁耦合效應，完成最終的設計目標［7］,。電路原理圖如圖1所示,，其中L1和C1、L2和C2,、L3和C3、L4和C4,、L5和C5,、L6和C6為六個等效為諧振單元的帶狀線，L7,、L8,、L9、L10,、L11為相鄰帶狀線之間磁耦合等效的串聯(lián)電感,，C16是加入Z字形結構后的交叉耦合電容，L23和L45是引入U形結構后磁耦合等效串聯(lián)電感,。

2LTCC三維實現(xiàn)

　　本設計的中心頻率是3.4 GHz,，屬于S波段，相比于LC集總結構濾波器,，帶狀線型LTCC帶通濾波器不再選用通孔結構來連接不同空間的傳輸線,，取而代之的是通過將帶狀線的一側接在已經(jīng)包裹上金屬面的介質(zhì)盒的前后接地面［8］。搭建此款帶通濾波器的三維模型,，綜合考慮材料選擇,，選用相對介電常數(shù)為13.3、介質(zhì)損耗角為tanθ=0.000 58的陶瓷材料,，體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,。優(yōu)化后的濾波器三維模型如圖2所示。

　　濾波器的三維模型自上而下共七層,，第一層是矩形小塊,，用以顯示器件的上下層，矩形小塊所在面為上,，第二層和第七層為接地層,，第三層為耦合U形結構，第四層為加載電容層，第五層為主諧振層,，第六層為第一諧振與第六諧振間的交叉耦合電容,。器件的四周加有金屬屏蔽盒，不僅可以防止外界的電磁干擾和內(nèi)部能量的外向輻射,，還可以保護電路,，便于安裝插頭以及與其他器、部件的固定,。仿真測試結果如圖3所示,。

　　由圖3可知，中心頻率3 400 MHz處的插損為1.85 dB,，帶寬3 300 MHz以及3 500 MHz處的插損分別為2.7 dB和2.3 dB,，電壓駐波比≤1.4，頻率在3 200 MHz時,，帶外衰減為33.1 dB,，頻率在3 720 MHz時，帶外衰減為35 dB,。性能優(yōu)良,，選擇投入生產(chǎn)加工，進行實物測試,。

3實物生產(chǎn)與測試曲線

　　軟件仿真優(yōu)化完成后,，依照設計參數(shù)交付生產(chǎn)線進行加工制造，并獲取實物測試曲線圖,。此款LTCC帶狀線型帶通濾波器最終產(chǎn)品體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,，選擇相對介電常數(shù)為13.3、介質(zhì)損耗角為tanθ=0.000 58的陶瓷材料進行填充,，測試結果如圖4所示,。

　　由圖4可知，此款帶通濾波器的帶內(nèi)插損最大值為3.4 dB,；頻率為3 200 MHz時,，帶外抑制為30 dB，頻率為3 720 MHz時,，帶外抑制為20 dB,；駐波優(yōu)于1.7。實物制造與測試結果均驗證完畢,，此款帶通濾波器不僅實現(xiàn)了小型化的預期,，性能上也完全優(yōu)于設計指標，達到了實驗目標,。

4結論

　　為了實現(xiàn)小型化,、高性能的帶通濾波器,，本次研究基于LTCC技術，選用了帶狀線型結構進行設計,，在六級諧振的基礎上進行優(yōu)化,。通過插入Z字形結構的方式進行交叉耦合以添加傳輸零點，提高邊帶陡峭度,；插入U形結構,，用以加強相鄰諧振級之間的磁耦合效應。軟件仿真及優(yōu)化后的測試結果優(yōu)于設計指標,，允許投入生產(chǎn)制造,。實物完成后的體積僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，滿足小型化的初衷,。測試結果均優(yōu)于設計指標并留有余量,。綜上，此款LTCC帶狀線型帶通濾波器體積小,、重量輕,、易生產(chǎn)、性能優(yōu),，是一款非常實用的帶通濾波器，并可大量投入生產(chǎn),，此次研究圓滿達成目標,。

參考文獻

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