LTCC雙頻帶通濾波器小型化設計與研究

劉 毅，戴永勝

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

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LTCC雙頻帶通濾波器小型化設計與研究

劉 毅，戴永勝

（南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

摘要:選擇用半集總結構搭建兩個帶通濾波器，通過引入電感電容的方式構建簡單的匹配網絡，將兩個帶通濾波器組合成一個雙頻濾波器。在ADS軟件上對等效電路模型進行仿真，再用仿真軟件HFSS搭建三維電感、電容模型，提取有效元件值進行擬合優化，最終達成預定技術指標。本款LTCC雙頻濾波器第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，產品尺寸為3.2mm×6.5mm×2.3mm。

關鍵詞:雙頻帶通濾波器；低溫共燒陶瓷；半集總結構；LC匹配網絡；小型化；HFSS

劉毅（1992－），男，江蘇泰州人，研究生，主要研究方向為射頻與微波電路，E-mail:1473828087@qq.com 。

網絡出版時間：2016-05-31 11:09:41 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.018.html

無線通信技術大爆炸的今天，通信系統對寬帶和大容量的要求越來越高，而單頻段通信系統僅能接收和處理單一頻段的部分信號，漸漸無法滿足日益嚴苛的通信容量需求。提高容量的最直接的方法便是設計能夠兼容多種頻段的雙頻甚至多頻通信系統[1]。采用兩套獨立的單頻段系統組合的傳統雙頻段通信系統雖然增大了容量，但存在著尺寸龐大、不易集成、增加基站費用、系統互調影響等多種其他問題[2]。

新型雙頻系統通過整合可合并元器件，大大壓縮了系統體積，降低產品成本，而雙頻濾波器作為新型雙頻系統的重要元器件，其性能與尺寸是設計過程中最為關心的部分。雙頻濾波器[3]一般是指同時具備兩個通帶的濾波器，其性能指標主要包括相距一定頻率范圍的兩個通帶特性和駐波比、兩個濾波器之間的隔離度以及上下阻帶的抑制度。本文創新性地選擇了半集總結構濾波器進行雙頻濾波器的搭建工作，布局采用上下結構，縮小了產品尺寸。

先進的LTCC (low temperature co-fired ceramics)[4]工藝不僅使得濾波器的尺寸大大縮小，而且具備成品率高、可靠性好、開發周期短、廢料生產少等諸多優點。

本文研究的此款雙頻帶通濾波器第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，通帶插損小于2.5 dB，駐波比優于1.5，尺寸僅為3.2mm×6.5mm×2.3mm。

1　 雙頻帶通濾波器理論設計

雙頻帶通濾波器的模型示意圖如圖1所示。由圖可知，此款雙頻帶通濾波器包含一個輸入端，一個輸出端，兩個帶通濾波器以及一套阻抗匹配網絡。

圖1 雙頻帶通濾波器模型Fig.1 Dual-band band-pass filter model

1.1 帶通濾波器原理分析

本款LTCC雙頻帶通濾波器包含兩個獨立帶通濾波器。為了縮小實物產品體積以及便于調試優化，選擇半集總結構進行搭建。兩款帶通濾波器的設計思路相似，均采用四個并聯諧振單元的方式，構成基礎的帶通濾波。但是僅僅保證基礎的帶通濾波效果顯然無法滿足現代電子產品的技術要求，因此考慮通過交叉耦合的方式，引入傳輸零點，使得帶通濾波器的邊帶陡峭度更好。

為了使得帶通濾波器產生有限的傳輸零點，必須保證有多條的傳輸路徑，使得多路信號在某一或多個頻率點幅度一致而相位相反。選擇在半集總帶通濾波器的1、4級間搭建一條新的傳輸路徑，于通帶兩端分別引入傳輸零點[5]。最終，四階帶通濾波器等效電路圖如圖2所示。

圖2 四階帶通濾波器電路Fig.2 Four-order band-pass filter circuit

輸入端口接有輸入電感Lin，輸出端口接有輸出電感Lout，諧振單元1和2之間通過電感磁耦合進行連接，同樣，諧振單元3和4也是通過電感磁耦合連接，而諧振單元2和3則是通過電容板實現磁耦合。用于交叉耦合的Z型電容C14在諧振單元1和4之間構建起新的傳輸路徑，產生的傳輸零點極大提高了邊帶的陡峭度。

1.2 阻抗匹配網絡

將兩個帶通濾波器以并聯的方式構建雙頻帶通濾波器，兩個通帶的帶寬與中心頻率將直接取決于對應的帶通濾波器。上文已考慮搭建出尺寸微小、性能佳、便于調試的兩款半集總帶通濾波器，下文將考慮兩個濾波器并聯后的影響與優化匹配。

雖然并聯的方式便于分別調節通帶性能，但是直接并聯后的濾波器會帶來嚴重的阻抗失配問題。對兩個濾波器的史密斯圓圖簡單分析便可得出，這是由于在各自中心頻率處并聯有一個額外的阻抗，使得原有的輸入輸出阻抗偏離50 ?，引起失配效應。

因此考慮在兩個帶通濾波器的前后端各加一個匹配電路，使得在各自的中心頻率上都能回歸50 ?的阻抗匹配[6]。匹配網絡見圖3。4個電感和4個電容分別在兩個帶通濾波器的前后端構成低通濾波和高通濾波效應，使得在不影響同一支路帶通濾波器性能的前提下，盡可能抑制另外一條支路。

圖3 匹配網絡Fig.3 Matching network

2　 LTCC三維實現

首先在HFSS中分別搭建LC電感電容元件，通過ADS一步步擬合，實現兩個單獨的半集總帶通濾波器。再搭建阻抗匹配網絡，初步實現阻抗匹配即可。最終在HFSS中綜合調節整體元件，并進一步壓縮雙濾波器的體積，實現最終的產品設計，如圖4所示。

圖4 雙頻帶通濾波器的三維實現Fig.4 3D model of dual-band band-pass filter

由圖4可知，兩個帶通濾波器通過共用一個屏蔽層，進一步壓縮了體積，上層帶通濾波器通帶在1 400～1 800 MHz，匹配網絡接有高通濾波，下層帶通濾波器通帶在380～560 MHz，匹配網絡接有低通濾波，兩個帶通濾波器都接有Z形電容，用以增加傳輸零點，經過多次優化后，得出圖5仿真曲線圖。

圖5 LTCC濾波器仿真波形圖Fig.5 Simulated results of the LTCC filter

由仿真圖可知，此款雙頻濾波器的第一通帶為380～560 MHz，通帶插損≤1.5 dB，第二通帶為

1 400～1 800 MHz，通帶插損≤1.9 dB，駐波比優于1.4。仿真結果給生產加工留有了足夠余量，允許投入生產，獲取實物測試結果。

3　 實物生產與測試

本款半集總LTCC帶通濾波器選用相對介電常數為9.0、Q值500的介質填充，實際產品體積3.2mm×6.5mm×2.3mm。實物模型如圖6，測試曲線如圖7。

由測試曲線可知，電壓駐波比最大值為1.5；帶內插損最大值為2.5 dB。根據實物模型和測試曲線可知，此款雙頻帶通濾波器不僅滿足小型化的發展需求，而且雙通帶性能優良，駐波合格，兩個通帶間的隔離度很高，上下邊帶的陡峭程度也非常好。

4　 結論

本款基于LTCC技術的半集總雙頻帶通濾波器，第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，插損小于2.5 dB，駐波比優于1.5，實際尺寸僅為3.2mm×6.5mm×2.3mm。LTCC技術保障了濾波器的小型化，Z形電容引入傳輸零點，抑制邊帶，匹配網絡實現阻抗匹配。綜上，此款半集總雙頻帶通濾波器，雙頻性能好、隔離度高、邊帶陡峭、體積小、質量小、結構簡單、易于調試優化、實物通用性能好，是一款非常實用的雙頻帶通濾波器。

圖6 LTCC濾波器實物圖Fig.6 Physical map of the LTCC filter

圖7 LTCC濾波器測試波形圖Fig.7 Measured results of the LTCC filter

參考文獻：

[1] 官雪輝. 無線通信微波雙頻帶通濾波器研究 [D]. 上海:上海大學, 2007.

[2] ZHAO L P, ZHAI X, WU B, et al. Novel design of dual-mode bandpass filter using rectangle structure [J]. Prog Electromagn Res B, 2008(3):131-141.

[3] HIROMITSU U, HIROTAKA K, KAZUYUKI T, et al. Dual-band-rejection filter for distortion reduction in RF transmitters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2004, 52(11):2550-5226.

[4] 李寶山. 邊帶陡峭LTCC濾波器的設計與研究 [D]. 南京:南京理工大學,2007.

[5] 楊虹, 陳靜, 劉云龍, 等. 一種基于多模諧振器的超寬帶帶通濾波器設計 [J]. 電子元件與材料, 2015, 34(6):61-65.

[6] 張杰. 微型LTCC雙頻濾波器的研究 [D]. 南京:南京理工大學, 2010.

（編輯：陳渝生）

Research of dual-band band-pass filter with miniaturization based on LTCC technology

LIU Yi, DAI Yongsheng
(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:A dual-band band-pass filter was composed by choosing two semi-lumped structure band-pass filters and introducing inductor/capacitor to construct simple impedance matching net. Equivalent circuits were simulated by using the circuit simulation software ADS first, and then three-dimensional models of inductance and capacitance were made up by simulation software HFSS. Finally, the effective values of every element were extracted for simulation and optimization. The LTCC dual-band band-pass filter whose size is only 3.2mm×6.5mm×2.3mm, has the first pass-band of 380－560 MHz and the second pass-band of 1 400－1 800 MHz.

Key words:dual-band band-pass filter; LTCC; semi-lumped structure; LC matching network; miniaturization; HFSS

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.018

中圖分類號:TN713

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2028（2016）06-0085-03

收稿日期：2016-03-30 通訊作者：戴永勝

基金項目：“973”計劃項目資助（No. 2009CB320201）；國家國防重點實驗室基金項目資助（No. 9140C1402021102）

作者簡介：戴永勝（1956－），男，安徽安慶人，教授，主要研究方向為微波毫米波集成電路等，E-mail:daiyongsheng1005@126.com ；