劉毅，戴永勝

　　（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京，210094）

　　摘要：科技的發(fā)展帶來更加嚴(yán)格的器件指標(biāo)，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(jìn)的LTCC工藝技術(shù)，選用帶狀線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一款帶通濾波器的小型化設(shè)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(jié)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(guān)鍵詞：帶通濾波器；LTCC；帶狀線結(jié)構(gòu)；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(shè)定的額定頻率范圍內(nèi)，信號可以盡可能地?zé)o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(yán)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(shù)相比，有著諸多優(yōu)點：（1）采用了多層堆疊技術(shù)，易于實現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu)，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(dǎo)性優(yōu)良。（3）LTCC技術(shù)的兼容性能優(yōu)良，易于形成多種結(jié)構(gòu)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(shù)的帶通濾波器選擇了帶狀線結(jié)構(gòu)［4］的方式進(jìn)行設(shè)計，相比于LC型集總結(jié)構(gòu)濾波器，結(jié)構(gòu)更加簡單［5］。先進(jìn)的LTCC技術(shù)保證了其體積小、重量輕、性能高、易生產(chǎn)、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、兼容優(yōu)良等諸多優(yōu)點。此濾波器的設(shè)計指標(biāo)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(shè)計

　　帶通濾波器通過若干諧振電路的組合，實現(xiàn)濾波效應(yīng)。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(yīng)，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(shè)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(shù)指標(biāo)相去甚遠(yuǎn)。因此，考慮引入Z字形結(jié)構(gòu)，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(dá)到初步設(shè)計要求，為了優(yōu)化濾波器性能，引入U形結(jié)構(gòu)，用以加強諧振級之間的磁耦合效應(yīng)，完成最終的設(shè)計目標(biāo)［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(jié)構(gòu)后的交叉耦合電容，L23和L45是引入U形結(jié)構(gòu)后磁耦合等效串聯(lián)電感。

2LTCC三維實現(xiàn)

　　本設(shè)計的中心頻率是3.4 GHz，屬于S波段，相比于LC集總結(jié)構(gòu)濾波器，帶狀線型LTCC帶通濾波器不再選用通孔結(jié)構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)，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(hù)電路，便于安裝插頭以及與其他器、部件的固定。仿真測試結(jié)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(jìn)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(shè)計參數(shù)交付生產(chǎn)線進(jìn)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(jìn)行填充，測試結(jié)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(jié)果均驗證完畢，此款帶通濾波器不僅實現(xiàn)了小型化的預(yù)期，性能上也完全優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，達(dá)到了實驗?zāi)繕?biāo)。

4結(jié)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(shù)，選用了帶狀線型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在六級諧振的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。通過插入Z字形結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行交叉耦合以添加傳輸零點，提高邊帶陡峭度；插入U形結(jié)構(gòu)，用以加強相鄰諧振級之間的磁耦合效應(yīng)。軟件仿真及優(yōu)化后的測試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)，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(jié)果均優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)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(dá)成目標(biāo)。

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