具有諧波抑制特性的LTCC帶通濾波器新設計

戴永勝,韓群飛,尹洪浩,左同生,謝秋月

(南京理工大學電子工程與光電技術學院,南京 210094)

1 引 言

隨著移動通信、衛星通信及國防電子系統微型化的迅速發展,對微波濾波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。高性能的微型LTCC濾波器已成為該領域研究的熱點和前沿[1]。由于LTCC技術具有三維立體集成優勢,在微波頻段被廣泛用來制造各種微波無源元件,實現無源元件的高度集成。同時,LTCC技術也是實現SIP和SOP技術的重要平臺之一?；贚TCC工藝的疊層技術,可以實現三維集成,從而使各種微型微波濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優、可靠性高、批量生產性能一致性好及低成本等諸多優點,利用其三維集成結構特點,可以更方便地實現高性能濾波器[2]。

隨著無線通信系統的快速發展,頻率資源日益緊張,為了抑制外部信號以及混頻器、振蕩器等器件產生的高次諧波,提高整機的電性能,要求濾波器具有良好的帶外抑制能力。然而,傳統濾波器的頻率響應在離開主通帶一定距離(通常是主通帶中心頻率的整數倍)有寄生通帶,不適合于要求抑制諧波的應用場合。

本文利用LTCC工藝的結構優勢,在不增加額外結構和體積的前提下,引入交叉耦合零點,通過改進交叉耦合結構,產生多個傳輸零點,從而達到抑制高次諧波的功能。基于上述思路,研究了具有諧波抑制性能的LTCC微型帶通濾波器。

2 理論設計

2.1 原理分析

圖1是四級抽頭式梳狀線帶通濾波器的電原理圖,該濾波器的實現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為帶狀線的長度,d為相鄰兩根帶狀線間距,μ為磁導率,ε為介電常數,f1和 f2是利用HFSS的本征模求解器設置的兩個本征頻率。

2.2 傳輸零點分析

微波電路中傳輸零點的形成多種多樣,如微波信號通過不同的通路形成反相抵消、經過一串聯諧振信號流入地、被主路并聯諧振器全部反射等,在這里只分析第一種情形,即交叉耦合形成的傳輸零點[4-7]。

圖2是交叉耦合相位示意圖。第一級的信號一部分通過主路第二、第三級磁耦合到第四級,一部分信號通過交叉路電耦合傳輸到第四級。根據相位分析,信號通過磁耦合相移-90°,通過電耦合相移+90°,諧振頻點的信號通過諧振器相移為0°,低于諧振頻率的信號相移+90°,高于諧振頻率的信號相移-90°,由圖2計算相位:對于低于諧振頻率信號,主路相位為 -90°+90°-90°+90°-90°=-90°,交叉路相位為+90°,兩路信號反相抵消形成零點;然而對于高于諧振頻率信號,主路相位為-90°-90°-90°-90°-90°=-90°,交叉路相位為 +90°,兩路信號也反相抵消形成零點,所以此結構在通帶兩邊各有一個零點。

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

3 三維實現

3.1 設計方法與程序

(1)利用不對稱廣義切比雪夫濾波器理論,根據給定技術指標,確定濾波器級數和傳輸零點位置,選定濾波器拓撲結構[8-9];

(2)利用帶狀線計算公式和HFSS的本征模求解,計算單個諧振器的尺寸,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的雙模提取方法,確定耦合系數,然后確定相鄰諧振級的水平距離;

(4)分析零點產生原理,精確控制結構中各零點,達到需要的衰減。運用軟件優化仿真,得到最終三維模型;

(5)利用仿真結果數據采用LTCC工藝制造出濾波器,測試并與設計的頻率響應特性曲線進行比較,驗證設計方法的可行性和正確性。

總之,實現帶通濾波器最簡單的方法是利用多個諧振器與電感或電容進行耦合,耦合元件值不能過大或過小,以免造成濾波器通帶響應不好;同時在濾波器的階數選擇上,必須謹慎考慮,能以較少階數達到想實現的帶通濾波器性能,就無需再加入過多的諧振器,防止產生預期難以克服的耦合效應。這里綜合考慮技術指標以及體積的限制,本文選用四階耦合諧振器且引入Z字形交叉耦合結構,如圖3所示。

圖3 LTCC濾波器的內部三維結構Fig.3 The internal 3D view of the LTCC filter

3.2 基本型與改進型三維結構

圖3是所設計的基本型LTCC濾波器的內部三維立體結構分層示意圖[10]。該三維模型采用介電常數為9.2的陶瓷介質,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LC層。從圖3可以看出,第二和第三層可等效為由4個諧振級相互并聯而成的。第四層為交叉耦合層,通過基本Z字型交叉耦合結構與第三層的第一、第四個諧振級形成交叉耦合電容C14。故該濾波器的三維結構的等效電路圖如圖1所示。

圖4是基本型LTCC濾波器中第四層交叉耦合結構的改進前后三維示意圖。這種結構僅僅是對基本Z字型中的橫梁旋轉了角度,卻能夠在第二、第三個諧振級之間產生額外的寄生電容,從而在高端寄生更多的傳輸零點,有效地對高次諧波進行了抑制[11]。

圖4 交叉耦合結構改進前后的比較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構的改進前后S參數的比較。從圖5可以看出,改進后的交叉耦合結構能夠很好地抑制高次諧波,從而在不增加體積的情況下,實現諧波抑制的功能,滿足小型化的要求。

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

4 仿真與測試結果分析

圖6是該濾波器的三維仿真曲線與實物測試曲線的比較。我們在安捷倫的矢量網絡分析儀上對該LTCC濾波器的S參數做了相應的測試,從圖6可以看出,測試曲線與三維仿真曲線的一致性很好。從測試結果可以看出,在通帶12.4～14.4 GHz內插損均小于2 dB。低阻帶從5～11 GHz的衰減都優于30 dB。尤其在8.8 GHz處,由于低端引入的傳輸零點的作用,衰減達到50 dB。高阻帶通過改進交叉耦合結構成功地引入了多個傳輸零點很好地抑制了高次諧波,從16～28 GHz內的衰減均優于30 dB,而且在35GHz處優于20 dB。成品率高達93%。

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

整體結構搭建完成后經過相應的微調使其性能滿足要求,并在相應的LTCC生產線上完成制作,生產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 該濾波器的實物照片Fig.7 Photograph of the manufactured filter

5 結 論

本文基于四階耦合諧振帶通濾波器原型、抽頭式梳狀線結構設計了一款具有諧波抑制特性的微型LTCC濾波器。與現有技術的濾波器相比,該濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優、可靠性高、批量生產性能一致性好及低成本等優點;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三維布線的優勢,采用創新的交叉耦合結構,實現了諧波抑制功能。實際測試結果與仿真結果吻合非常好,成品率高,設計方便,可廣泛應用于放大器、振蕩器和混頻器等微波電路中。

[1] Frazier A B,Warringtun R O,friedrich C.The miniaturization technologies:Past,present,and future[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1995,42(5):423-430.

[2] Scrantom CQ,Lawson J C.LTCC technology:Where we are andwhere we′re going-II[C]//Proceedings of 1999 IEEE MTT-S International on Technologies for WirelessApplications Symposium.Vancouver,BC:IEEE,1999:193-200.

[3] Pozar D M.微波工程[M].3版.北京:電子工業出版社,2006.Pozar D M.Microwave Engineering[M].3rd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2006.(in Chinese)

[4] Tang CW,Lin Y C,Chang C Y.Realization of transmission zeros in combline filter using an auxiliary inductively coupled ground plane[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2003,51(10):2112-2118.

[5] Joshi H,Chappell W J.Dual-band lumped-element bandpass filter[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2006,54(12):4169-4177.

[6] Dai Y S,Ye Z H,Li B S,et al.A Miniaturized and Low Insertion Loss LTCC Filter with Two Finite Transmission Zeros For Bluetooth Application[C]//Proceedings of 2008 IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Art of Miniaturizing RF and Microwave Passive Components.Chengdu:IEEE,2008:132-134.

[7] Yeung L K,WuK L.A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmissionzeros[J].IEEETransactions on Microwave Theory Technology,2003,51(2):337-341.

[8] Song HS,Lee Y S.A miniaturized 2.4 GHz bandmulti-layer band-pass filter using capacitively loaded λ/4 slow-wave resonator[C]//Proceedings of 2003 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Philadelphia,PA,USA:IEEE,2003:515-518.

[9] Rambabu K,Bornemann J.Simplified analysis technique for the initial design of LTCC filters with all-capacitive coupling[J].IEEE Transactions on Microwave Theory Technology,2005,53(5):1787-1791.

[10] Dai Y S,Yao Y F,Li B S.Design and Implementation of an LTCC Filter with High Stopband Rejection[C]//Proceedings of 2009 IEEE International Symposium on Radio-Frequency Integration Technology.Singapore:IEEE,2009:371-374.

[11] Dai Y S,Wang L J,Xu L,et al.A miniaturized combline LTCC BPF with high-order harmonics suppression[C]//Proceeding of 2011 Asia-PacificMicrowave Conference.Melbourne,VIC:IEEE,2011:991-994.