雙傳輸零點LTCC帶通濾波器的設(shè)計*

張仕順，許林青，楊 君，徐 娟，趙建平

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

隨著無線通信與微波技術(shù)的發(fā)展，無源器件的性能不斷提高，同時朝著小型化、高集成化的趨勢發(fā)展。濾波器是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，主要是可以對信號中特定的頻段或該頻段以外的頻率進行有效濾除，得到一個特定頻段電源信號或消除一個特定頻段的電源信號[1]，在通信過程中至關(guān)重要。因此，人們對微波濾波器得設(shè)計提出了更高要求。在眾多設(shè)計技術(shù)中，低溫共燒陶瓷（Low-Temperature Cofired Ceramic，LTCC）以其易于小型化、設(shè)計靈活等優(yōu)勢，越來越受到重視。在燒制電路基板時，可將無源器件埋入其中，提高基板的集成度，省去封裝的步驟，降低成本?；贚TCC技術(shù)設(shè)計的微波濾波器，兼顧性能的同時實現(xiàn)了小型化。此外，基于LTCC技術(shù)還可以在不改變尺寸的條件下引入傳輸零點增強帶外抑制和帶內(nèi)選擇性，因此成為電子行業(yè)的首選[2]。

1 LTCC帶通濾波器

與傳統(tǒng)濾波器相比，本文采用三層帶狀線結(jié)構(gòu)作為諧振回路，使濾波器更易小型化[3]。圖1為LTCC三級帶通濾波器的一般形式，上下為屏蔽層（上層隱藏），中間為帶狀線，信號通過帶狀線進行耦合傳輸。

圖1 LTCC濾波器模型

本文設(shè)計的濾波器技術(shù)指標(biāo)如下：中心頻率為2 GHz，相對帶寬約16%，帶內(nèi)損耗小于5 dB，回波損耗大于15 dB。最終，濾波器的尺寸為2.53 mm×2.85 mm×1.33 mm。

圖2是帶通濾波器的等效電路圖。其中，第一與第三個諧振回路對稱。右側(cè)帶狀線為諧振回路在HFSS下的等效模型圖。帶狀線的尺寸如下：L=2.35 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm。第二個諧振回路的尺寸為L=2.45 mm，W=0.26 mm，h=0.045 mm?；宓暮穸染鶠?.01 mm。

圖2 濾波器等效電路

圖3 是濾波器的一個仿真結(jié)果?？梢钥闯?，回波損耗小于-20 dB，滿足傳輸?shù)囊话阋蟆５?，從插入損耗來看，濾波器的帶內(nèi)選擇性與帶外截止性能較差。

圖3 仿真結(jié)果

2 LTCC帶通濾波器傳輸零點技術(shù)

由圖3的仿真結(jié)果可以看出，該濾波器帶外截止性能較差。此時，在不改變?yōu)V波器尺寸的情況下，通過引入傳輸零點，可以在保持性能前提下，增強濾波器的帶外截止性能。通常情況下，傳輸零點通過開路和短路兩種極端情況形成能量的阻隔而形成傳輸零點[4]。如圖4所示，傳輸零點的引入一般使用兩種方式，一種是非相鄰的級間耦合產(chǎn)生傳輸零點，另一種是通過改變諧振回路結(jié)構(gòu)引入傳輸零點[5]。

圖4 兩種特殊情況

3 交叉耦合LTCC濾波器

交叉耦合是指非相鄰諧振級進行耦合，從而產(chǎn)生傳輸零點。從相位變化上分析，信號經(jīng)過多條支路疊加在一起，相位在某一頻率處滿足一定關(guān)系從而相互抵消，產(chǎn)生傳輸零點[5]。

圖5是一個簡單的交叉耦合變化圖，可看出交叉耦合分為容性耦合和感性耦合。信號從1到3經(jīng)過兩條支路。由于信號在不同支路產(chǎn)生的相移特性相反，最后在3端口相互疊加而產(chǎn)生傳輸零點。

圖5 交叉耦合相位變化相位

基于上述理論，諧振回路交叉耦合通過采用Z字型結(jié)構(gòu)和H字型結(jié)構(gòu)[6-7]使得非相鄰諧振回路產(chǎn)生耦合而產(chǎn)生傳輸零點。

3.1 Z字型結(jié)構(gòu)分析

圖6是Z字型結(jié)構(gòu)的相位關(guān)系圖，圖7是Z字型結(jié)構(gòu)等效電路?？梢杂^測出，Z字型結(jié)構(gòu)在16.6 GHz處產(chǎn)生相位反轉(zhuǎn)，因此得出它的等效電路圖如圖6所示。通過加入Z字型結(jié)構(gòu)，使得濾波器在第一和第三諧振級產(chǎn)生交叉耦合，由此在低阻帶插入傳輸零點有效抑制能量的傳輸。該Z字型結(jié)構(gòu)尺寸為b=2.26 mm，c=0.21 mm，d=1.375 mm，e=0.69mm。

圖6 Z字型結(jié)構(gòu)的相位變化

圖7 Z字型結(jié)構(gòu)的等效電路

3.2 H字型結(jié)構(gòu)分析

圖8 是H字型結(jié)構(gòu)的相位關(guān)系圖，圖9是H字型結(jié)構(gòu)等效電路?？梢杂^測出，H字型結(jié)構(gòu)在12.3 GHz處產(chǎn)生相位反轉(zhuǎn)，因此得出它的等效電路圖如圖9所示。通過加入H字型結(jié)構(gòu)，使得信號傳輸多增加了一條路徑，由此在高阻帶插入傳輸零點有效抑制能量的傳輸。該H字形的尺寸為A=0.21 mm，B=0.955 mm，C=2.05 mm。

圖8 H字型的相位變化

圖9 H字型結(jié)構(gòu)的等效電路

經(jīng)過對Z、H結(jié)構(gòu)的相位分析，具有雙傳輸零點的帶通濾波器模型如圖10所示。

圖10 濾波器的最終模型

圖11 是最終仿真結(jié)果圖?？梢钥闯觯瑸V波器的中心頻率為2 GHz，相對帶寬為16.6%，回波損耗小于-15 dB。通過上述變換，最終在1.61 GHz和2.59 GHz產(chǎn)生零點，增強了通帶選擇性和帶外截止性能。

圖11 仿真曲線

4 結(jié) 語

本文提出了一種具有雙傳輸零點的帶通濾波器，加載Z型結(jié)構(gòu)和H字型結(jié)構(gòu)引入兩個傳輸零點，通過對Z、H字型結(jié)構(gòu)的大小和位置調(diào)整，增強了帶外截止性和帶內(nèi)選擇性。