戴永勝,韓群飛,尹洪浩,左同生,謝秋月

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

1 引 言

隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信及國(guó)防電子系統(tǒng)微型化的迅速發(fā)展,對(duì)微波濾波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。高性能的微型LTCC濾波器已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿[1]。由于LTCC技術(shù)具有三維立體集成優(yōu)勢(shì),在微波頻段被廣泛用來(lái)制造各種微波無(wú)源元件,實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件的高度集成。同時(shí),LTCC技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)SIP和SOP技術(shù)的重要平臺(tái)之一?；贚TCC工藝的疊層技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)三維集成,從而使各種微型微波濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優(yōu)、可靠性高、批量生產(chǎn)性能一致性好及低成本等諸多優(yōu)點(diǎn),利用其三維集成結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以更方便地實(shí)現(xiàn)高性能濾波器[2]。

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,頻率資源日益緊張,為了抑制外部信號(hào)以及混頻器、振蕩器等器件產(chǎn)生的高次諧波,提高整機(jī)的電性能,要求濾波器具有良好的帶外抑制能力。然而,傳統(tǒng)濾波器的頻率響應(yīng)在離開(kāi)主通帶一定距離(通常是主通帶中心頻率的整數(shù)倍)有寄生通帶,不適合于要求抑制諧波的應(yīng)用場(chǎng)合。

本文利用LTCC工藝的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),在不增加額外結(jié)構(gòu)和體積的前提下,引入交叉耦合零點(diǎn),通過(guò)改進(jìn)交叉耦合結(jié)構(gòu),產(chǎn)生多個(gè)傳輸零點(diǎn),從而達(dá)到抑制高次諧波的功能?；谏鲜鏊悸?研究了具有諧波抑制性能的LTCC微型帶通濾波器。

2 理論設(shè)計(jì)

2.1 原理分析

圖1是四級(jí)抽頭式梳狀線帶通濾波器的電原理圖,該濾波器的實(shí)現(xiàn)是基于四階耦合諧振帶通濾波器的原型[3]。

圖1 抽頭式梳狀線帶通濾波器的電原理圖Fig.1 The schematic circuit of the tapped combline band-pass filter

式中,i=1,2,3,4;j=2,3,4,f0為濾波器的中心頻率,w為帶狀線的寬度,b為帶狀線到接地板的距離,l為帶狀線的長(zhǎng)度,d為相鄰兩根帶狀線間距,μ為磁導(dǎo)率,ε為介電常數(shù),f1和 f2是利用HFSS的本征模求解器設(shè)置的兩個(gè)本征頻率。

2.2 傳輸零點(diǎn)分析

微波電路中傳輸零點(diǎn)的形成多種多樣,如微波信號(hào)通過(guò)不同的通路形成反相抵消、經(jīng)過(guò)一串聯(lián)諧振信號(hào)流入地、被主路并聯(lián)諧振器全部反射等,在這里只分析第一種情形,即交叉耦合形成的傳輸零點(diǎn)[4-7]。

圖2是交叉耦合相位示意圖。第一級(jí)的信號(hào)一部分通過(guò)主路第二、第三級(jí)磁耦合到第四級(jí),一部分信號(hào)通過(guò)交叉路電耦合傳輸?shù)降谒募?jí)。根據(jù)相位分析,信號(hào)通過(guò)磁耦合相移-90°,通過(guò)電耦合相移+90°,諧振頻點(diǎn)的信號(hào)通過(guò)諧振器相移為0°,低于諧振頻率的信號(hào)相移+90°,高于諧振頻率的信號(hào)相移-90°,由圖2計(jì)算相位:對(duì)于低于諧振頻率信號(hào),主路相位為 -90°+90°-90°+90°-90°=-90°,交叉路相位為+90°,兩路信號(hào)反相抵消形成零點(diǎn);然而對(duì)于高于諧振頻率信號(hào),主路相位為-90°-90°-90°-90°-90°=-90°,交叉路相位為 +90°,兩路信號(hào)也反相抵消形成零點(diǎn),所以此結(jié)構(gòu)在通帶兩邊各有一個(gè)零點(diǎn)。

圖2 交叉耦合相位示意圖Fig.2 The phase diagram of cross-coupling

3 三維實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)方法與程序

(1)利用不對(duì)稱廣義切比雪夫?yàn)V波器理論,根據(jù)給定技術(shù)指標(biāo),確定濾波器級(jí)數(shù)和傳輸零點(diǎn)位置,選定濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8-9];

(2)利用帶狀線計(jì)算公式和HFSS的本征模求解,計(jì)算單個(gè)諧振器的尺寸,使其位于濾波器的中心頻率附近;

(3)利用HFSS的本征模求解和耦合系數(shù)的雙模提取方法,確定耦合系數(shù),然后確定相鄰諧振級(jí)的水平距離;

(4)分析零點(diǎn)產(chǎn)生原理,精確控制結(jié)構(gòu)中各零點(diǎn),達(dá)到需要的衰減。運(yùn)用軟件優(yōu)化仿真,得到最終三維模型;

(5)利用仿真結(jié)果數(shù)據(jù)采用LTCC工藝制造出濾波器,測(cè)試并與設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)特性曲線進(jìn)行比較,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的可行性和正確性。

總之,實(shí)現(xiàn)帶通濾波器最簡(jiǎn)單的方法是利用多個(gè)諧振器與電感或電容進(jìn)行耦合,耦合元件值不能過(guò)大或過(guò)小,以免造成濾波器通帶響應(yīng)不好;同時(shí)在濾波器的階數(shù)選擇上,必須謹(jǐn)慎考慮,能以較少階數(shù)達(dá)到想實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器性能,就無(wú)需再加入過(guò)多的諧振器,防止產(chǎn)生預(yù)期難以克服的耦合效應(yīng)。這里綜合考慮技術(shù)指標(biāo)以及體積的限制,本文選用四階耦合諧振器且引入Z字形交叉耦合結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 LTCC濾波器的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal 3D view of the LTCC filter

3.2 基本型與改進(jìn)型三維結(jié)構(gòu)

圖3是所設(shè)計(jì)的基本型LTCC濾波器的內(nèi)部三維立體結(jié)構(gòu)分層示意圖[10]。該三維模型采用介電常數(shù)為9.2的陶瓷介質(zhì),其損耗角正切為0.002,包括5層金屬圖形,其中第一層和第五層為地,第二層為加載電容Cri層,第三層為L(zhǎng)C層。從圖3可以看出,第二和第三層可等效為由4個(gè)諧振級(jí)相互并聯(lián)而成的。第四層為交叉耦合層,通過(guò)基本Z字型交叉耦合結(jié)構(gòu)與第三層的第一、第四個(gè)諧振級(jí)形成交叉耦合電容C14。故該濾波器的三維結(jié)構(gòu)的等效電路圖如圖1所示。

圖4是基本型LTCC濾波器中第四層交叉耦合結(jié)構(gòu)的改進(jìn)前后三維示意圖。這種結(jié)構(gòu)僅僅是對(duì)基本Z字型中的橫梁旋轉(zhuǎn)了角度,卻能夠在第二、第三個(gè)諧振級(jí)之間產(chǎn)生額外的寄生電容,從而在高端寄生更多的傳輸零點(diǎn),有效地對(duì)高次諧波進(jìn)行了抑制[11]。

圖4 交叉耦合結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的比較Fig.4 The comparison between before and after the improvement of the cross-coupling structure

圖5是基本型LTCC濾波器中第四層交叉耦合結(jié)構(gòu)的改進(jìn)前后S參數(shù)的比較。從圖5可以看出,改進(jìn)后的交叉耦合結(jié)構(gòu)能夠很好地抑制高次諧波,從而在不增加體積的情況下,實(shí)現(xiàn)諧波抑制的功能,滿足小型化的要求。

圖5 該濾波器S參數(shù)改進(jìn)前后的比較Fig.5 The comparison between before and after the improvement of the filter′s S-parameters

4 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

圖6是該濾波器的三維仿真曲線與實(shí)物測(cè)試曲線的比較。我們?cè)诎步輦惖氖噶烤W(wǎng)絡(luò)分析儀上對(duì)該LTCC濾波器的S參數(shù)做了相應(yīng)的測(cè)試,從圖6可以看出,測(cè)試曲線與三維仿真曲線的一致性很好。從測(cè)試結(jié)果可以看出,在通帶12.4～14.4 GHz內(nèi)插損均小于2 dB。低阻帶從5～11 GHz的衰減都優(yōu)于30 dB。尤其在8.8 GHz處,由于低端引入的傳輸零點(diǎn)的作用,衰減達(dá)到50 dB。高阻帶通過(guò)改進(jìn)交叉耦合結(jié)構(gòu)成功地引入了多個(gè)傳輸零點(diǎn)很好地抑制了高次諧波,從16～28 GHz內(nèi)的衰減均優(yōu)于30 dB,而且在35GHz處優(yōu)于20 dB。成品率高達(dá)93%。

圖6 該濾波器的三維仿真曲線與實(shí)物測(cè)試曲線的比較Fig.6 Comparison between the 3D simulated and measured curve of the filter

整體結(jié)構(gòu)搭建完成后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的微調(diào)使其性能滿足要求,并在相應(yīng)的LTCC生產(chǎn)線上完成制作,生產(chǎn)的濾波器成品的樣品照片如圖7所示。這種具有諧波抑制特性的LTCC微型帶通濾波器的尺寸僅為3.2 mm×1.6 mm×1.2 mm。

圖7 該濾波器的實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the manufactured filter

5 結(jié) 論

本文基于四階耦合諧振帶通濾波器原型、抽頭式梳狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款具有諧波抑制特性的微型LTCC濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)的濾波器相比,該濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優(yōu)、可靠性高、批量生產(chǎn)性能一致性好及低成本等優(yōu)點(diǎn);在性能上,該濾波器的中心頻率在Ku頻段,諧波能抑制到35 GHz;在體積不增大的前提下,利用LTCC三維布線的優(yōu)勢(shì),采用創(chuàng)新的交叉耦合結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了諧波抑制功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合非常好,成品率高,設(shè)計(jì)方便,可廣泛應(yīng)用于放大器、振蕩器和混頻器等微波電路中。

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