朱彥源，陸清源，秦 偉，陳建新

(1.南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學 杏林學院，江蘇 南通 226000)

具有兩個傳輸零點的高溫陶瓷梳型帶狀線濾波器

朱彥源1，陸清源2，秦 偉1，陳建新1

(1.南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019；2.南通大學 杏林學院，江蘇 南通 226000)

提出一種具有2個傳輸零點的高溫陶瓷梳型帶狀線濾波器。該設計的新穎性在于提出了矩形金屬化孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)矩形桿狀的帶狀線結構。在利用這種結構設計的四分之一波長諧振器中，通過增加其矩形金屬化孔的厚度,能夠有效地增強其無載品質因數(shù),從而降低濾波器的插入損耗。研究發(fā)現(xiàn)，矩形金屬化孔結構設計的濾波器相比傳統(tǒng)帶狀線結構具有較低的差損。同時濾波器的高阻帶能夠產(chǎn)生2個零點，增加阻帶抑制和通帶選擇性。為了驗證所提出的結構，設計了一款二階濾波器，其測試與仿真結果較吻合。測試結果表明，濾波器具有低插損和小尺寸的特點。

帶通濾波器；矩形金屬化孔；帶狀線；無載品質因數(shù)；高溫陶瓷；傳輸零點

0 引 言

隨著無線通信的發(fā)展，無線通信設備的小型化技術在不斷地進步，為了適應現(xiàn)代無線通信對于濾波器越來越高的要求，小型化的濾波器，尤其是小型化帶通濾波器(bandpass filter，BPF)成為了無線通信系統(tǒng)中必不可少的選頻元件[1-2]。目前，已經(jīng)有許多小型化的BPF生產(chǎn)工藝被開發(fā)和研究。最近，由于一種低溫共燒陶瓷技術(low temperature co-fired ceramic ，LTCC)具有良好的三維多層結構，因此，廣泛地被運用在小型化濾波器之中。但是，由于工藝的限制，利用LTCC技術設計的諧振器普遍存在自身無載品質因數(shù)Q值低的問題，從而導致相應濾波器的插入損耗較大[3-4]。使用一種高介電常數(shù)的高溫共燒陶瓷(high temperature ceramic ，HTC)技術是另外一種有效減少電路尺寸的方法[5]。因為HTC材料的損耗角僅有LTCC材料的1/5，所以，較LTCC諧振器相比，設計的HTC諧振器能夠得到更高的Q值[6]。同時，HTC還能通過改變內(nèi)部結構進一步提高諧振器的Q值。但是，相較于LTCC技術，由于HTC技術不能對多個金屬層進行共燒，導致了其生產(chǎn)的濾波器存在設計靈活度不高的問題。另外，為了提高性能，增強BPF的選擇性，增加諧振器的數(shù)量已經(jīng)在早期HTC BPF中被廣泛使用，這種方式會不可避免地增加設計電路的尺寸。針對這個問題，可以通過在特定頻率引入傳輸零點(transmission zero，TZ)來滿足所需的阻帶抑制，以提高BPF的選擇性。

本文提出了一種二階梳型帶狀線HTC BPF。通過在高阻帶產(chǎn)生2個TZ 來顯著改善BPF的通帶選擇性。其測試結果與仿真一致。測試結果表明，該濾波器結構簡單，具有低插損、小尺寸和高選擇性的特點。

1 HTC諧振器設計

隨著高介電常數(shù)材料在小型化濾波器中應用的不斷發(fā)展和進步，越來越多結構復雜的濾波器被設計，然而其中大多數(shù)濾波器往往是以增大損耗為代價來換取某些方面的性能的。本文中設計的四分之一波長HTC矩形金屬化孔諧振器具有結構簡單、Q值高和良好的性能等優(yōu)點，在實際生產(chǎn)和應用中具有很大的優(yōu)勢，其結構如圖1所示。

這種諧振器主要由3個介質材料層組成。頂層和底層使用的都是介電常數(shù)為38，損耗角為0.000 1的HTC材料。中間使用厚度為0.1 mm的介質膠將上下2個HTC介質層連接在一起。由圖1可見，頂部介質層刻有一個狹窄的槽線，其與中間的膠水層相連接，形成了一個矩形空孔?？紤]到趨膚效應的存在，在這個矩形空孔的周圍涂上厚度為0.01 mm的銀，構成了一個HTC矩形金屬化孔諧振器以替代傳統(tǒng)的矩形桿帶狀線的結構[7]，而對于這種HTC諧振器的分析也與傳統(tǒng)的矩形桿帶狀線完全一致。圖2為四分之一波長HTC諧振器的等效模型，其中，輸入導納Yin可以表示為

(1)

(1)式中：Z0和l分別為HTC帶狀線諧振器的特性阻抗和物理長度；β為傳播常數(shù)。當Yin=0時，滿足諧振條件。另外，諧振器是由高介電常數(shù)的材料組成的，因此，諧振器的物理長度得到明顯的縮短(對應于諧振器工作頻率的四分之一波長)。同時，這種諧振器結構可以通過增加矩形金屬化孔的厚度T來提高無載Q值，如圖3所示。其中，B=2 mm,W1=0.8 mm,W=3 mm,L=7.2 mm。

圖1 HTC四分之一波長諧振器結構圖Fig.1 Structure of the HTC quarter-wavelength resonator

圖2 HTC四分之一波長諧振器等效模型Fig.2 Equivalent model of the HTC quarter-wavelength resonator

圖3 無載Q值與厚度T之間的關系Fig.3 Extract unloaded-Q versus the thickness T of the rectangular-bar stripline

2 HTC濾波器設計

基于上述分析的矩形金屬化孔的諧振器結構，本文旨在設計一款二階HTC BPF，其中心頻率為1.6 GHz，目標插入損耗小于0.5 dB，相對帶寬為10.5%。基于上述條件，本文設計了一款在高端具有2個傳輸零點的濾波器，其結構如圖4所示。圖4b中的饋線是一層與膠水層(圖1)一體成型的銀，通過它實現(xiàn)了諧振器與端口1或2的直接饋電。通過提取2個諧振器之間的耦合系數(shù)和外部品質因數(shù)Qe的傳統(tǒng)方法對濾波器進行了進一步的分析。2個諧振器平行耦合的梳狀結構中存在電磁的混合耦合。因此，耦合系數(shù)k可以表示為[8]

(2)

(2)式中，ke和km分別表示電容耦合和電感耦合。

顯然，通過改變諧振器之間的耦合距離S可以控制耦合系數(shù)k，在這種結構的HTC濾波器中電容耦合ke占主導，而電感耦合km表現(xiàn)為交叉耦合，即k<0。因此，在高阻帶可以得到一個額外的傳輸零點TZ1，如圖5所示。而濾波器的Qe的大小可以通過調(diào)整饋線的位置來決定，即在諧振器物理長度(L=l1+l2)不變的條件下，調(diào)整l2/l1的比值。同時，當l1對應一個特定頻率的四分之一波長時，可以得到第2個傳輸零點TZ2。TZ2的位置可以通過改變l1的大小進行調(diào)整，而TZ1的位置幾乎不發(fā)生改變。

經(jīng)過進一步的優(yōu)化，使通帶的回波損耗小于-20 dB，圖4中設計的濾波器尺寸被確定為L=6.98 mm,W=5 mm,B=2.4 mm,S=0.8 mm,l1=5.93 mm,l2=1.05 mm,W1=0.5 mm,T=0.5 mm,h=0.1 mm.

圖4 二階BPF設計Fig.4 Designed second-order BPF

圖5 不同l1條件下，HTC BPF頻率響應的 仿真結果(L固定不變)Fig.5 Simulated frequency response of the HTC BPF against l1 (L is fixed)

本設計中分別使用了Ansoft HFSS 和 Agilent E8363C網(wǎng)絡分析儀進行了仿真和測試，濾波器的仿真與測試結果如圖6所示。由于加工誤差以及SMA轉接頭損耗的影響，使得測試與仿真結果有一定的誤差。設計濾波器的通帶中心頻率為1.6 GHz，且其3 dB相對帶寬為10.6%。通過測試結果可以發(fā)現(xiàn)，HTC BPF的回波損耗大于15 dB，同時插入損耗僅有0.5 dB。另外，分別在1.912 GHz和2.224 GHz產(chǎn)生的2個傳輸零點能夠顯著地提高通帶高端的阻帶抑制。整個HTC BPF 的尺寸僅僅只有6.98 mm×5 mm×2.4 mm。

圖6 仿真和測試結果(插圖為加工實物)Fig.6 Simulated and measured results (the inset is the photograph of the fabricated HTC BPF)

表1給出了本文設計的矩形金屬化孔帶狀線濾波器與其他帶狀線濾波器的性能對比。由表1可以看出，在傳統(tǒng)的帶狀線諧振器中，帶狀線中間大多采用厚度較薄的金屬導體結構，這種結構的諧振器無法獲得較高Q值，最終導致利用這種結構設計的濾波器插入損耗較大。本文中采用的矩形金屬化孔結構，有效地改善了諧振器的Q值，從而降低了設計濾波器的插入損耗。此外，本文濾波器設計結構簡單，結構緊湊，設計方法遵循傳統(tǒng)耦合諧振器理論，易于實現(xiàn)。

表1 本設計與其他帶狀線濾波器性能比較Tab.1 Performance comparisons between this design and other stripline filters

3 結束語

本文設計了一種新穎的高性能梳型帶狀線濾波器，其具有很高的性能表現(xiàn)。由于特殊的矩形金屬化孔結構具有較高的Q值，因此，利用這種結構設計的濾波器具有較低的插入損耗。另外，高阻帶上產(chǎn)生的2個傳輸零點有效的提高了阻帶抑制，而2個傳輸零點的產(chǎn)生已經(jīng)在文中進行了詳細的分析。濾波器的仿真和測試數(shù)據(jù)得到了很好地吻合。因此，針對通帶高端阻帶抑制有較高要求的設備，本文設計的小型化濾波器結構為其提供了新的思路。

[1] 馬潤波, 閆建國, 陳新偉, 等. 一種新型小型化交叉耦合帶通濾波器的設計[J]. 測試技術學報, 2016, 30 (1):69-73.

MA Runbo, YAN Jianguo, CHEN Xinwei, et al. Design of the Novel Miniaturized Cross-Coupled Band-Pass Filter [J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2016, 30(1):69-73.

[2] LI J, HUANG Y J, WEN G J, et al. Compact and high-selectivity microstrip bandpass filter using two-stage twist-modified asymmetric split-ring resonators [J]. Electronics Letters, 2015, 51(8):635-637.

[3] CHEN, J X, SHAO C, LU Q Y, et al. Compact LTCC balanced bandpass filter using distributed-element resonator [J]. Electronics Letters, 2013, 49(5): 354-356.

[4] ARABI E, LAHTI M, VAHA-HEIKKILA T, et al. A 3-D miniaturized high selectivity bandpass filter in LTCC technology[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2014, 24(1): 8-10.

[5] REN X, JIANG T, WANG Y, et al. Characterization of high-temperature ceramic materials at microwave frequencies for MEMS applications[C]//IEEE Wireless and Microwave Technology Conference. Clearwater, USA: IEEE, 2009: 1- 4.

[6] BECHTOLD F. A comprehensive overview on today’s ceramic substrate technologies[C]//European Microelectronics and Packaging Conference. Rimini, Italy: IEEE, 2009: 1-12.

[7] MATTHAEI G,YOUNG L,JONES E M.Microwave filters,impedance-matching networks and coupling structures[M].New York:McGraw-Hill Book Company,1964.

[8] CHU Q X, WANG H. A compact open-loop filter with mixed electric and magnetic coupling [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, 54(3): 1113-1119.

[9] KENNERLEY A J, HUNTER I C. Surface mount RF and microwave filters using high dielectric constant ceramics[C]//IEEE Colloquium on Radio Frequency Design in Mobile Radio Transceivers. London:IET,1994:2/1-2/5.

[10] 牟亞妮,馬哲旺.一種新型交指-發(fā)夾型多層帶狀線帶通濾波器[J].電子學報, 2006, 34(12):2238-2241.

MU Yani, MA Zhewang. A novel interdigital-hairpin bandpass filter using multilayered stripline structure [J]. ACTA ELECRONICA SINlCA, 2006, 34(12): 2238-2241.

[11] 陳凱,宋長寶,蔣勤升,等.一種新的微帶線梳狀濾波器設計方法研究[J]. 微電子學, 2012, 42(5):646-650.

CHEN Kail, SONG Changba, JIANG Qinshen, et al. Study of a New Method for Designing Microstrip Combline Bandpass Filter [J]. Microelectronics, 2012, 42(5):646-650.

[12] 趙寶林,石玉,秦巍巍,等.基于LTCC的小型化短波寬調(diào)諧電調(diào)帶通濾波器設計[J]. 磁性材料及器件, 2014, 45(3):32-35.

ZHAO Baolin, SHI Yu, QIN Weiwei, et al. Design of miniaturized short wave tunable bandpass filter with wide tuning range based on LTCC technology [J]. Magn Mater Devices, 2014, 45(3):32-35.

s：The National Natural Science Foundation of China (61501263); The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161281); The Nantong Application Research Technology Program (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

Hightemperatureceramiccomb-striplinebandpassfilterwithtwotransmissionzeros

ZHU Yanyuan1, LU Qingyuan2, QIN Wei1, CHEN Jianxin1

1.School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, P.R. China;2.Xinglin College, Nantong University, Nantong 226000, P.R. China)

In this paper, a novel high temperature ceramic comb-stripline bandpass filter (BPF) with two transmission zeros is proposed. The novelty of this design lies in constructing a rectangular metalized hollow instead of the traditional rectangular-bar stripline structure. Its unloaded quality factor can be effectively improved by increasing the thickness of the quarter-wavelength resonator using the proposed structure, resulting in a reduced insertion loss. Investigation shows that rectangular metalized hollow filter owns lower insertion loss than the traditional stripline filters. Two transmission zeros in the upper stopband are produced to improve stopband rejection and passband selectivity. For demonstration, a second-order BPF is designed. Good agreement can be obtained between simulated and measured results, showcasing the advantages of low loss and compact size.

bandpass filter; rectangular metalized hollow via; stripline; unloaded quality factor; high temperature ceramic; transmission zero

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.008

2016-12-06

2017-05-10

秦 偉 waiky.w.qin@hotmail.com

國家自然科學基金 (61501263)；江蘇省自然科學基金 (BK20161281); 江蘇省南通市市級科技計劃項目 (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

TN913.5

A

1673-825X(2017)06-0758-05

朱彥源(1992 -)，男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向為電磁場與微波技術。E-mail:yanyuanzhu@outlook.com。

陸清源(1987 -)，男，江蘇人，助教，碩士，主要研究方向為電磁場與微波技術。E-mail:qingyuanlu@hotmail.com。

秦 偉(1984 -)，男，江蘇人，副教授，博士，主要研究方向為電磁場與微波技術。E-mail:waiky.w.qin@hotmail.com。

陳建新(1979 -)，男，江蘇人，教授，博士，主要研究方向為電磁場與微波技術。E-mail:jjxchen@hotmail.com。

(編輯：劉 勇)