Ka波段LTCC基片集成圓腔濾波器設計

吳 歡，陳建榮，賈文強，張曉陽

（空間電子信息技術研究院，陜西 西安 710100）

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Ka波段LTCC基片集成圓腔濾波器設計

吳 歡，陳建榮，賈文強，張曉陽

（空間電子信息技術研究院，陜西 西安 710100）

摘要:將低溫共燒陶瓷（LTCC）技術與基片集成波導圓腔（SICC）技術相結合，設計了一個Ka波段的四階帶通濾波器。該濾波器在28.25～30.25 GHz的通帶內，插入損耗小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，LTCC多層基板布線的特性使得SICC諧振腔濾波器從二維平面走向三維立體，在保持濾波器高性能的同時大大縮小了尺寸，并且諧振模TM010模的選用以及共面波導探針形式的輸入輸出，進一步減小了濾波器的體積，最終尺寸僅為3.5mm×3.5mm×1.152mm，與傳統同類型的平面濾波器相比較，所占基板面積減小了50%以上。

關鍵詞:低溫共燒陶瓷；基片集成圓腔；帶通濾波器；TM010模；共面波導探針激勵；Ka波段

吳歡（1990－），女，陜西西安人，研究生，研究方向為空間微波技術，E-mail:yimimomo@126.com 。

網絡出版時間：2016-05-31 11:09:42 網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.019.html

隨著微波毫米波電路集成度的不斷提高和各種新型多層電路技術的相繼問世，僅僅使用傳統的波導類或平面類傳輸線已經難以滿足電路與系統小型化的發展需要。在此背景下，基片集成波導（SIW）這一新型傳輸結構提供了新的選擇。SIW不僅繼承了傳統金屬波導低損耗、低輻射、高品質因數、高功率容量等優點，而且集合了平面傳輸線易集成，質量小、易加工等優勢[1]。近年，基于基片集成波導的諧振腔濾波器因其性能優異得到了廣泛研究[2-6]，通常應用較多的為方波導，不過基片集成圓波導（SICC）在小型化、高Q值和設計靈活性方面更具潛力[7]。目前國內外關于SICC濾波器的研究逐漸展開[8-11]，法國的Potelo等[8]提出了一個平面的三腔SICC濾波器，他們利用在非相鄰諧振腔間引入了磁性交叉耦合而在濾波器的高頻端產生了一個傳輸零點。Potelo等[9]利用腔體表面金屬層上的共面波導實現耦合從而設計出了一個Ku波段的三階SICC濾波器。

這些設計多采用平面結構，相較于微帶線、共面波導等傳統平面類傳輸線實現的濾波器而言，它的尺寸仍然較大，因此小型化就成了亟待解決的問題，低溫共燒陶瓷（LTCC）等新型多層電路結構為此提供了一個有效的解決方案。據此，本文提出了一個Ka波段四階SICC帶通濾波器，結合LTCC技術多層基板布線的特點，該濾波器采用了四個諧振腔體依次垂直放置的新型結構，使得SICC諧振腔濾波器從平面走向立體，不但提高了濾波器的性能，而且大大縮小了濾波器的體積，有效地解決了基片集成波導濾波器小型化的問題。

1　 耦合矩陣及外部Q值

所提出的濾波器設計指標為：中心頻率29.25 GHz，帶寬2 GHz，通帶插入損耗小于2 dB，回波損耗大于20 dB，阻帶衰減大于20 dB @（f0±3）GHz。

以切比雪夫低通原型為基礎，綜合得到直接耦合的四階濾波器的耦合矩陣為

外部品質因數Qe=10.42。

2　 濾波器結構實現

本文所提出的濾波器模型見圖1，采用Ferro-A6 M生瓷帶材料，相對介電常數為5.9，損耗角正切為0.002，每層生瓷帶燒結后厚度為0.096mm。

圖1 SICC帶通濾波器模型Fig.1 Model of the proposed SICC bandpass filter

側視圖以及各諧振腔三維拆分結構如圖2(a)、(b)所示，濾波器由四個基片集成圓形諧振腔構成，每個諧振腔由三層介質基片組成，這四個腔垂直依次放置，諧振腔1與2之間，3與4之間通過腔體公共金屬面上的感性圓弧槽實現耦合，諧振腔2與3之間通過公共金屬面中心的容性圓孔實現耦合。腔體的激勵采用共面波導探針形式，此外，為了方便濾波器與其他電路元件相連以及測試，采用了微帶線進行過渡。

2.1 工作模式選擇及腔體尺寸確定

SICC腔體如圖3（a）所示，d為金屬孔的直徑，p為孔間距，R為腔體半徑。當腔體的高度H和半徑R滿足：H ＜ 2.1R時，TM010模是SICC諧振腔的主模，其電磁場分布如圖3（b），電場只有z方向的分量，磁場只有j方向的分量，并且場量沿這兩個方向均無變化，場結構簡單穩定。其中，場分布沿z軸軸對稱性的特性提高了基于SICC諧振腔的無源電路設計的靈活性。該模式的諧振波長只與腔體半徑有關，而與腔體高度無關，因此在 LTCC多層電路中，可以根據需要自由調整諧振腔的高度，而不會因此影響諧振腔的性能，而且在相同的情況下，工作于TM010模的諧振腔體積最小[12]。其諧振頻率為[13]：

當f0=29.25 GHz時，由上式可得SICC腔體半徑R=1.625mm，可將其作為諧振腔半徑初始值在仿真過程中進行微調，使腔體在中心頻率上諧振，并且根據工藝所給金屬通孔的直徑確定組成諧振腔的通孔數目及其間距，本文所選通孔直徑d=0.13mm，孔間距滿足工藝要求的大于2.5倍孔直徑。

圖2 SICC帶通濾波器結構Fig.2 Structure of the SICC bandpass filter

圖3 SICC諧振腔Fig.3 SICC resonant cavity

2.2 腔間耦合結構尺寸確定

兩個諧振腔間耦合會使單個腔體的諧振頻率向原來的中心頻率兩側分開，根據兩個諧振峰的頻率f1和f2可以得到腔體間的耦合系數Mij，關系如下[14]：

因此在三維電磁計算軟件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中建立腔體耦合模型，利用本征求解模式得到兩個腔體的諧振頻率f1和f2后，運用公式（3）即可提取腔體間的耦合系數。

根據濾波器結構可知四個諧振腔垂直依次放置，腔體間的耦合均為異面耦合。諧振腔1與2之間，3與4之間均是通過公共金屬面上的感性圓弧槽實現耦合，兩個圓弧槽呈對稱結構，處于兩諧振腔磁場都比較強的位置，這種耦合屬于磁耦合。諧振腔之間的耦合強度取決于腔體間圓弧槽的位置和尺寸。感性圓弧槽位于腔體半徑的0.77倍處，此處對于TM模的圓波導來說磁場最強。改變圓弧槽的長度Ls，可以得到腔體間耦合系數的變化曲線，如圖4所示，根據已知的耦合矩陣中的M12，可以確定圓弧槽長度初始值Ls。

圖4 耦合系數與感性圓弧槽尺寸Ls的變化曲線Fig.4 The coupling coefficient versus the inductive slot size Ls

諧振腔2和3之間是通過公共金屬面中心的容性圓孔來實現耦合的，圓孔所處的位置是SICC諧振腔中TM010模電場最強的位置，所以此耦合是電耦合。改變圓孔的直徑Dc，可以得到腔體間耦合系數的變化曲線，如圖5所示，根據已知的耦合矩陣中的M23，可以確定圓孔直徑初始值Dc。

2.3 激勵結構尺寸確定

腔體的激勵方式如圖6，采用共面波導探針形式，為了方便濾波器與其他電路元件相連以及測試，采用了微帶線進行過渡，并且設定共面波導中間金屬的寬度Wo與50 ?微帶線的寬度相同，均為0.43mm。這種激勵方式有兩個優點：一是過渡性能好，插損小；二是相對于微帶漸變線過渡形式可以有效減小電路尺寸。探針與諧振腔之間的耦合強度由參數Lp和Gp來控制，該尺寸將決定諧振腔的外部品質因數。

圖5 耦合系數與容性圓孔尺寸Dc的變化曲線Fig.5 The coupling coefficient versus the capacitive hole size Dc

圖6 濾波器的激勵方式Fig.6 The excitation method of the filter

外部品質因數可以根據以下公式提取[14]：

式中：w0為單端加載時諧振腔的諧振頻率；是相對于w0而言，S11的相位分別移動正負90°時的相對頻率跨度。因此由已知的濾波器外部品質因數，可以確定激勵結構的初始尺寸。

3　 優化及仿真結果

初始模型經過優化后得到的最終滿足設計指標的濾波器尺寸如圖7所示，除去測試引線，其大小為3.5mm×3.5mm×1.152mm，基板面積較文獻[2]中所提出的中心頻率為35 GHz的四階SIW濾波器小54.6%，較文獻[3]提出的35 GHz采用LTCC工藝的SIW濾波器小68.7%。

圖7 濾波器的幾何尺寸Fig.7 Geometric dimension of the filter

優化所得濾波器的仿真結果如圖8所示，在通帶28.25～30.25 GHz內，插損小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，在頻率小于26.74 GHz和大于32.03 GHz的阻帶范圍內衰減大于20 dB，符合設計要求。

圖8 濾波器的仿真S參數Fig.8 Simulated S-parameters of the filter

為了事先預知工藝誤差對設計的影響大小，容差分析顯示出了其重要作用。在線寬容差±0.01mm，通孔對位精度±0.05mm的加工容差下，多次統計仿真來進行容差分析，結果如圖9所示，在通帶內，插損小于1.5 dB，回波損耗大于19 dB。

4　 結論

提出了一個Ka波段的四階帶通濾波器，采用LTCC工藝將四個SICC諧振腔垂直依次放置，諧振腔間分別通過感性圓弧槽或者容性圓孔實現異面耦合，從而使得濾波器從二維平面走向三維立體，大大減小了諧振腔濾波器尺寸。該濾波器中心頻率為29.25 GHz，在2 GHz的通帶內，插入損耗小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，兼顧了濾波器小型化和高性能的要求。

圖9 容差分析圖Fig.9 Tolerance analysis graph

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（編輯：陳渝生）

Design of Ka-band substrate integrated circular cavities filter in LTCC

WU Huan, CHEN Jianrong, JIA Wenqiang, ZHANG Xiaoyang
(Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

Abstract:A Ka band fourth-order bandpass filter was designed by combining the low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and substrate integrated circular cavities (SICC) technology, whose insertion loss was less than 1.3 dB and return loss was greater than 31 dB at 28.25－30.25 GHz. The structure of this SICC filter is tuned from 2D to 3D benefited from the characteristics of LTCC multilayer substrate wiring, while the filter maintains high performance and the size is reduced greatly. The selection of TM010mode and the input / output of CPW（coplanar waveguide）probe help to further reduce the filter’s volume. The final size is only 3.5mm×3.5mm×1.152mm. Comparing with the convention same type planar filters, the substrate area of the proposed filter is reduced by more than 50%.

Key words:LTCC; substrate integrated circular cavities; bandpass filter; TM010mode; CPW probe excitation; Ka-band

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.019

中圖分類號:TN713

文獻標識碼:A

文章編號:1001-2028（2016）06-0088-04

收稿日期：2016-04-06 通訊作者：吳歡

作者簡介：陳建榮（1960－），男，陜西寶雞人，研究員，主要從事空間微波技術研究，E-mail:cjrchenjianrong@sina.com ；