基于LTCC技術的S波段雙工器的設計

吳寶東，雷長春

(中國船舶重工集團公司第723研究所,揚州 225001)

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基于LTCC技術的S波段雙工器的設計

吳寶東，雷長春

(中國船舶重工集團公司第723研究所,揚州 225001)

借助低溫陶瓷共燒(LTCC)技術和三維疊層結構的設計方法，設計了有限傳輸零點的帶通濾波器(BPF)，然后通過匹配網絡設計了一種S波段雙工器，利用HFSS仿真軟件對其對其參數進行了仿真優化。該雙工器尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，在2.06 GHz和2.21 GHz處的插損小于-3.72 dB，在1.87 GHz和2.32 GHz處衰減大于-55 dB，在1.51 GHz到2.52 GHz處隔離度小于-12 dB,達到了雙工器設計指標要求和小型化的目的。

低溫陶瓷共燒技術;傳輸零點;雙工器;小型化

0 引 言

當今通信領域中由于各個微波頻段中各種系統的頻率擁擠及多信道實時雙向通信的要求，使得雙工器成為現代通信設備中必不可少的組成部分。如何實現小體積、高性能和低成本的雙工器已經成為雙工器設計的關鍵問題。低溫陶瓷共燒(LTCC)技術具有高集成度、高性能和高可靠性等特點[1]，可將二維電路的布局變為三維電路布局，成為多層無源器件和電路設計的主流，對微波無源器件的小型化起到了極大的推動作用。因此，利用LTCC技術可實現雙工器的小型化設計和集成化設計。

本文借助LTCC材料和三維層疊結構的方法，設計出了一種帶有限傳輸零點的S波段雙工器，其尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，收發頻率分別為2.06 GHz和2.21 GHz,帶寬為60 MHz，達到了高性能和小型化設計要求。

1 設計原理

雙工器設計的一個重要環節就是收發用的帶通濾波器設計，要求設計的帶通濾波器在阻帶內插損大，以便抑制設備不需要的頻率，通帶內插損耗小，便于設備需要的信號無損通過。為了達到上述目的，本文采用了有限零點帶通濾波器設計的方法。傳輸零點理論指的是濾波器傳輸函數等于零，即在這一頻點上能量不能通過網絡，因而起到完全隔離的作用。通常帶通濾波器在無限遠頻點處的傳輸函數是趨于零的，稱之為無限傳輸零點，但由于是無限遠，因此沒有實際意義。在實際設計的帶通濾波器中為了使通帶外有較大的抑制，就需要在一些特定的頻點處引入傳輸零點，這便是有限傳輸零點。濾波器作為二端口網絡，只要在網絡端口某頻率點處的傳輸阻抗為無窮大(導納為零)或者與地之間的傳輸阻抗為零(導納為無窮大)，就可以實現傳輸零點[2]。在網絡的串聯支路中有并聯諧振或并聯支路中有串聯諧振時，都能在產生諧振的頻率點處產生傳輸零點。圖1為最基本的串、并聯諧振支路，可根據電路設計需要衍生出更多的電路，產生多個頻率點上的傳輸零點，從而滿足不同的設計需求。

圖1 并、串聯電路中的串、并聯諧振

設計的2個帶通濾波器分別調諧于收頻和發頻，分別通過 “T”型匹配網絡相連，從而滿足兩端口之間的隔離度。為使電路中總的輸入導納在2個帶通濾波器的通帶里為一恒定實常數，將兩個帶通濾波器通過λ/4傳輸線變換后接到天線段。在工作頻段內每個帶通濾波器輸入端相對另一個帶通濾波器為短路，兩個濾波器之間的相互影響較小。

2 濾波器設計

采用二階巴特沃滋濾波器電路作為原型，在此核心電路基礎上加上輸入、輸出匹配電容CI和CO，等效電路如圖2所示，此電路可產生一個傳輸零點。

圖2 單傳輸零點帶通濾波器的集總參數電路原型

為求得電路中各個元件的數值，對圖2中的L1和L2之間的互感電路進行等效轉換[3]，如圖3所示。轉換公式如下:

LL1=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L2-M)

(1)

LL2=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L1-M)

(2)

MM=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/M

(3)

圖3 互感等效網絡構

互感等效網絡結構轉換后的等效電路如圖4所示。

圖4 單傳輸零點帶通濾波器的等效電路圖

利用圖4可以解釋分析此濾波器的工作原理，但圖4中的電感L(即MM)較大，使得實現結構復雜。圖2中的互感M比較小，便于縮小尺寸。因此，利用LTCC技術實現濾波器時還是以圖2中電路為佳[4]。

利用公式(1)～(12)計算圖2中各個元件的值[5]，CS=0.38 pF，CR=2.1 pF，CI=CO=0.28 pF，L1=L2=1.8 nH，M=0.26 nH。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

鏡像頻率ωc[5-6]計算如下:

(11)

式中：wz為傳輸零點頻率;w0為通帶中心頻率;Z0為終端阻抗;BW為3 dB帶寬;α為設計變量[7]。

在電磁仿真軟件中設計LTCC布局，為了有效利用電感之間的互感，構造出如圖5所示的結構。使用的介質材料為Ferro-A6型LTCC材料，損耗角正切值為0.002，相對介電常數為5.9，層厚為0.1 mm。從圖5可清楚地看出，電路分為5層。最下層為第1層用金屬覆蓋作為地。第1、2層的電極之間形成了CR，第3、4層形成了CS，第4、5層為U型金屬條形成了電感L1和L2，它們之間的耦合形成了互感M，當這兩個電感的距離越近時，互感M越大。第4、5層上的其它金屬間的容性耦合形成了電容CI和CO。利用LTCC實現的帶傳輸零點的帶通濾波器結構尺寸為4.6 mm×2.8 mm×0.6 mm。

圖5 利用LTCC實現帶傳輸零點的帶通濾波器

利用AnsoftHFSS電磁仿真軟件進行了S參數仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 帶傳輸零點的帶通濾波器仿真S參數

同理可設計出中心頻率w0=2.21GHz, 需要抑制的本振鏡像頻率wz=2.32GHz,WB=60 MHz的濾波器。

3 雙工器的設計

將2個帶通濾波器分別通過λ/4傳輸線進行阻抗變換，并通過T型網絡進行連接，形成的雙工器如圖7所示，尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm。

圖7 利用帶傳輸零點的帶通濾波器實現的S波段雙工器

利用AnsoftHFSS電磁仿真軟件進行了S參數仿真，仿真結果如圖8所示。

圖8 基于LTCC的S波段雙工器仿真結果

4 結束語

結合LTCC技術設計了一個收、發頻分別為2.06 GHz和2.21 GHz的雙工器，尺寸小巧，并利用傳輸零點有效實現了對帶外信號的抑制，為工程設計提供了有益的探索。

[1] Bruce A,Kopp A.Shaun Francomacaro.Miniaturized strip line circuitry utilizing low temperature cofired ceramic (LTCC) technology[A].IEEE MTT-S International Microwave Symposium[C],1992:1513-1516.

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[3] Pozar David M.Microwave Engineering[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007.

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[7] 任輝.低溫共燒陶瓷多層微波無源濾波器技術研究[D].成都:電子科技大學,2006.

Design of S-band Diplexer Based on LTCC Technology

WU Bao-dong，LEI Chang-chun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a band-pass filter (BPF) with a limited transmission zero by using low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and 3-demension overlap structure design method,then designs an S-band diplexer through matching network,and uses HFSS simulation software to simulate and optimize the parameters.The diplexer dimension is 18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm,the measured insertion loss is less than -3.72 dB at the frequency of 2.06 GHz and 2.21 GHz,and the decay at 1.87 GHz and 2.32 GHz is larger than -55 dB,the isolation between the frequency 1.51 GHz and 2.52 GHz is less than -12 dB,which satisfies the requirement of diplexer design index and miniaturization purpose.

low temperature co-fired ceramic technology;transmission zero;diplexer;miniaturization

2014-11-16

TN713

B

CN32-1413(2015)02-0105-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.027