基于LTCC工藝的小型化可調頻帶通濾波器的設計

王爾凡，楊曉東，邢孟江

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

基于LTCC工藝的小型化可調頻帶通濾波器的設計

王爾凡，楊曉東，邢孟江

（昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500）

設計了一款基于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的小型化帶通濾波器。采用兩諧振器之間的耦合效應，減小了器件的尺寸。在HFSS中建立濾波器模型并仿真，濾波器的中心頻率為1.07 GHz，帶寬為428 MHz，回波損耗大于22 dB，2 f0處抑制大于45 dB，整體尺寸僅為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。在此濾波器上模擬表貼變容二極管來調節(jié)兩個諧振器中的電容實現(xiàn)中心頻率可調。結果表明，濾波器的中心頻率在1.05～1.23 GHz內連續(xù)變化，在中心頻率變化過程中插損始終小于1 dB，回波損耗始終大于15 dB，2f0處抑制大于45 dB。

小型化濾波器；連續(xù)可調頻；變容二極管；低溫共燒陶瓷；傳輸零點；電感

當今高性能、高穩(wěn)定、低成本和小型化成為現(xiàn)代無線通信設備的基本要求。在無線通信系統(tǒng)中濾波器扮演著系統(tǒng)信號選擇的重要角色。其性能的好壞影響整個系統(tǒng)運行的質量，濾波器的尺寸大小也決定著通信系統(tǒng)的大小和可攜帶性。因此小型化、高性能的濾波器成為現(xiàn)代通信設備的主要發(fā)展趨勢。

目前，低溫共燒陶瓷技術（LTCC）已經成為射頻無源器件小型化、高集成度設計的一個有效手段。基于 LTCC技術的濾波器成為現(xiàn)代濾波器設計的主流[1]。在民用通信和軍事通信中，可調濾波器得到了廣泛的運用。在民用通信中，部分收發(fā)器是在較大的頻段內有選擇性地工作，而在傳統(tǒng)的固定濾波器中要達到這一目的一般是多個不同頻段的濾波器組合在一起，這樣不僅使收發(fā)器的體積增加，也增加了其成本和功耗，這不符合現(xiàn)代通信系統(tǒng)對設備小型化、低成本的要求，用小型化的可調諧濾波器取代傳統(tǒng)濾波器組成為現(xiàn)在的趨勢。此外，在軍事上的電子戰(zhàn)雷達系統(tǒng)中，雷達系統(tǒng)為避免不被敵方截獲、干擾，要求接收機和發(fā)射機的中心頻率在任何時候能夠迅速改變，當采用可調諧濾波器時，由于其中心頻率能夠隨時改變，很難被敵方截獲。因此，基于可調諧濾波器在民用通信與軍事雷達系統(tǒng)中的重要應用，對可調諧濾波器的研究有著重要的意義與工程價值[2]。

2009年Hoppenjans等[3]提出了在LTCC工藝基礎上采用新型的環(huán)形電感實現(xiàn) VHF頻段電調濾波器，Q值能達到 70以上并且其體積為 35 mm×20 mm×1.15 mm，2013年Inoue等[4]運用LTCC工藝制出在中心頻率從1.4 GHz到2.7 GHz變化的、插入損耗小于3的可調濾波器，其面積為3.3 mm×3.8 mm，2015年Eyad等[5]基于LTCC技術，制作了調頻幅度4%、插入損耗2.3 dB的可調帶通濾波器，該器件體積為5 mm×5 mm×1.1 mm。在國內，本文首次提出基于LTCC技術設計一款小型化的電感耦合可調帶通濾波器，仿真結果表明，濾波器的中心頻率在1.05～1.23 GHz內連續(xù)變化，在中心頻率變化過程中插損始終小于1 dB，回波損耗始終大于15 dB，2 fo處抑制大于45 dB，整體尺寸僅為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。

1 設計與分析

帶通濾波器的設計流程是根據(jù)低通濾波器的原型加入導納（或阻抗）倒相器，再根據(jù)頻率變換公式而來，每一級的級聯(lián)方式都一樣，簡化了電路的結構。低通濾波器電路原型轉化為帶通濾波器電路的公式為：

式中：ω0為帶通濾波器的中心角頻率；ω1與 ω2分別是通帶的高低端的截止角頻率。

由于采用的 LTCC具有多層結構，原件體積比較小，分布緊湊，并且都是工作在高頻的環(huán)境下，相鄰諧振腔的電感就會形成電磁耦合，惡化電路結構。本文則利用此電感耦合來連接兩個諧振器，縮小了濾波器的體積，達到小型化的目的。為使電路在帶外產生有限傳輸零點，必須保證有多條傳輸路徑，使得多路信號在某一或多個頻率點幅度一致而相位相反，則選擇在輸入輸出間加入反饋電容成為一條新的路徑，在下邊帶引入零點增加高頻區(qū)的抑制[6]，濾波器的電路結構如圖1。

圖1 電感耦合帶通濾波器原理圖Fig.1 Schematic diagrams of an inductive coupling bandpass filter

電感L1與L2耦合后的各個電感值可通過如下公式計算[7]：

式中：M為耦合系數(shù)。

采用Ansoft designer電路仿真軟件得到各個元件的初始值為 C1=C3=4.62 pF，L1=L3=6.52 nH，L13=4.8 nH，C2=0.8 pF，并仿真了有無反饋電容時的電路，得到圖2的仿真結果，結果表明由于反饋電容的存在增加了一個帶外零點。

2 濾波器的物理結構

在LTCC工藝中采用的是多層結構，筆者采用LC集總方式在HFSS建立濾波器模型，電感選擇三層螺旋電感，電容采用MIM（金屬-絕緣介質-金屬）電容，采用Ferro A6M 作為介質材料，相對介電常數(shù)為5.9，損耗角正切為0.002，75 μm金屬銀作為導體，濾波器的整體尺寸為6.5 mm×4 mm×0.9 mm。濾波器的三維模型如圖3所示。

圖2 電路模型仿真結果Fig.2 Simulation results of circuit model

圖3 帶通濾波器三維結構Fig.3 Three - dimensional structure of band-pass filter

在此三維結構中電感 L1與 L3采用三層螺旋電感，為得到高 Q值，分別使用兩個通孔柱 θ1和 θ2與接地金屬板連接，C1與C3由兩片金屬板與接地層構成，反饋電容C2接在輸入輸出端，由兩層金屬板形成平板式電容。L1與L3通過電磁耦合連接，通過調節(jié)兩個通孔柱θ1與θ2的距離來調節(jié)兩電感之間的耦合量大小。分別用ADS和HFSS對帶通濾波器電路圖和三維結構仿真，得到的回波損耗（S11）與插入損耗（S21）如圖4所示，可以看出此濾波器器模型基本符合要求，造成偏差的原因是由于電感電容的寄生效應，濾波器的中心頻率為 1.07 GHz，帶寬為 364 MHz，回波損耗大于30 dB，2fo處抑制大于45 dB。

圖4 帶通濾波器仿真結果圖Fig.4 Diagram of bandpass filter simulation results

3 可調濾波器的模型及仿真

圖5 外接變容二極管等效模型圖Fig.5 Equivalent model with external variable capacitance diode

在三維模型中，將C4與C5并聯(lián)在C1與C3兩端，增加原來電容的容值，在初始模型中，濾波器的C1與C3為定值。調節(jié)可變電容C4與C5的大小，可改變兩個諧振器電容的大小，濾波器的中心頻率也會發(fā)生改變。將兩電容板的面積由零逐漸增大得到在HFSS中的仿真結果如圖6所示。

圖6 接入變容二極管后濾波器的仿真結果圖Fig.6 Diagram of the filter simulation results with external variable capacitance diodes

由圖6看出，當兩電容板的有效面積逐漸增大時，濾波器的中心頻率逐漸減小，帶內抑制逐漸減弱，在圖6中最左邊的曲線可以看出此時的帶內插損已經大于與1 dB。用此來當做其調頻的極限值，此時濾波器的中心頻率為1.05 GHz，帶內插損約為1 dB，帶內抑制大于15 dB，帶寬為346 MHz。2f0處帶外抑制大于 45 dB。原始濾波器的中心頻率為1.23 GHz，帶寬為428 MHz，帶內抑制大于22 dB，插入損耗小于1 dB，2f0處帶外抑制大于45 dB。

此仿真結果表明，由于電感電容的寄生效應，可調濾波器的起始頻率發(fā)生偏移，由1.07 GHz變化成1.23 GHz。當隨著變容二極管的容值逐漸增大時，濾波器的中心頻率發(fā)生改變，直到中心頻率變化至1.05 GHz，將此時的C4與C5電容值當成變容二極管的最大容值，結合實際情況，當外接變容二極管由最大容值逐漸變化至零時，濾波器的中心頻率能實現(xiàn)由 1.05～1.23 GHz的連續(xù)變化，變化范圍為 180 MHz，帶寬由363 MHz增大到428 MHz，插入損耗始終小于1 dB，帶內抑制由15 dB增加到22 dB，其2f0處帶外抑制始終大于45 dB。

4 結論

基于 LTCC技術設計了一款二階電感耦合的小型化帶通濾波器，濾波器的中心頻率為1.07 GHz，帶寬為428 MHz，帶內抑制大于22 dB，插入損耗小于1 dB，2f0處帶外抑制大于45 dB。以此濾波器為原型，提出了外接變容二極管的可調帶通濾波器模型，實現(xiàn)了帶通濾波器中心頻率1.05～1.23 GHz的連續(xù)可調。通過一個二階電感耦合小型化帶通濾波器，驗證了基于 LTCC技術在濾波器上表貼變容二極管實現(xiàn)中心頻率可調的方法。

[1] 郭緒躍, 邢孟江, 王維, 等. 具有兩個傳輸零點的六級SIR耦合諧振帶通濾波器 [J]. 電子元件與材料, 2016,35(7): 64-67.

[2] 竇艷. 微帶可調濾波器的研究與設計 [D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

[3] HOPPENJANS E E, CHAPPELL W J. The use of high Q toroid inductors for LTCC integrated tunable VHF filters[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. NY, USA: IEEE, 2009: 905-908.

[4] INOUE H, MI X Y. A novel tunable filter enabling both center frequency and bandwidth tunability [C]//2012 42nd European Microwave Conference. NY, USA: IEEE, 2012:269-272.

[5] EYAD A, FARHAN A G, ATIF S, et al. Tunable bandpass filter based on partially magnetized ferrite LTCC with embedded windings for SoP applications [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2015, 25(1): 16-18.

[6] 劉毅, 戴永勝. LTCC雙頻帶通濾波器小型化設計與研究[J]. 電子元件與材料, 2016, 35(6): 85-87.

[7] YEUNG L K, WU K L. A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003, 51: 337-341.

[8] M M 拉德馬內斯. Radio frequency and microwave electronics illustrated [M]. 顧繼慧, 李鳴, 譯. 北京: 科學出版社, 2006: 509-511.

[9] 黃曉國. 電可調射頻濾波器件研究 [D]. 成都: 西南交通大學, 2009.

（編輯：陳渝生）

Design of miniaturized tunable band-pass filter based on LTCC process

WANG Erfan, YANG Xiaodong, XING Mengjiang
(Faculty of Infrmation Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China)

A miniaturized two-order inductive coupling band-pass filter was designed based on low temperature co-firing ceramic (LTCC) technology, through the coupling inductance between the two resonators, which were connected to achieve the purpose of miniaturization. The filter model was established and simulated by HFSS. The center frequency of the filter is 1.07 GHz, the bandwidth is 428 MHz, the return loss is more than 22 dB, the attenuation at the 2 f0is greater than 45 dB, and the overall size is 6.5 mm×4 mm×0.9 mm. To simulate the surface paste varactor diode to adjust the capacitance of two resonators, the center frequency of the filter is adjustable. The results show that the center frequency of the filter is continuously changed from 1.05 GHz to 1.23 GHz. The insertion loss is always less than 1dB during the change of the center frequency, the return loss is always greater than 15 dB, and the suppression at the 2f0is greater than 45 dB.

miniaturized filter; continuous tunable frequency; variable capacitance diode; LTCC; transmission zero pole; inductance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.014

TN713

A

1001-2028（2017）07-0071-04

2017-04-17

邢孟江

云南省人才基金項目資助（No. KKSY201403006）；國家自然科學基金項目資助（No. 61564005）

王爾凡（1994－），男，四川巴中人，研究生，主要研究方向為無源器件的研究與設計，E-mall: 609115591@qq.com 。

時間：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.014.html