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）

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電容加載LTCC帶通濾波器小型化研究*

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?；谙冗M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)指標相去甚遠。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［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。

圖1　完善后的帶通濾波器電路

2　LTCC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。

圖2　濾波器優(yōu)化后的三維模型圖

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。

圖3　濾波器優(yōu)化后的仿真波形圖

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(shè)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(jié)果如圖4所示。

圖4　LTCC濾波器測試波形圖

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，達到了實驗?zāi)繕恕?/p>

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)進行設(shè)計，在六級諧振的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。通過插入Z字形結(jié)構(gòu)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(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，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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［8］DAVID M P.M icrowave engineering［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

劉毅（1992 -），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻與微波電路。

戴永勝（1956 -），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：MMIC、微型LTCC微波器件設(shè)計等。

引用格式：劉毅，戴永勝.電容加載LTCC帶通濾波器小型化研究［J］.微型機與應(yīng)用，2016，35（10）：22-23，27.

A research ofmini bandpass filter with stripline configuration based on LTCC

Liu Yi，Dai Yongsheng
（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstrac t：Nowadays，high-level equipment is necessary with the rapid growth of technology.The trend of developing toward miniaturization and high performance has become increasingly apparent.As an important component in microwave module，filter miniaturization is in desperate need.This paper chooses stripline configuration tomake into the bandpass filter.Its size is small due to the LTCC technology which is advance in the world.Transm ission zeros achieve good stop-band attenuation through cross coupling.This bandpass filter turns to be manufacture after a lot of simulations and optimizing.The measured results satisfy its performance requirement very well.The centre frequency of the BPF is at 3 400 MHz，its bandwidth is 200 MHz，at 3 200 MHz the stop-band attenuation need to bemore than 30 dB and at 3 720 MHz ismore than 20dB.Its size of the fabricated filter is only 4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm.

Key w ords：bandpass filter；low temperature co-fired ceramic；stripline configuration；miniaturization

作者簡介：

收稿日期：（2016-02-23）

*基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展“973”計劃項目資助（2009CB320201）；國家國防重點實驗室基金項目資助（9140C1402021102）

中圖分類號：TN713

文獻標識碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.008