基于LTCC的超寬帶巴倫濾波器小型化設計

于 聰，葉 強，羅昌桅

(中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著無線通信系統的快速發展，對微波濾波器和平衡電路元件的需求不斷增加，且對于元件的小型化、集成化要求越來越迫切。巴倫(Balun)濾波器可以兼顧平衡到不平衡的轉換和頻率選擇，這不僅可避免濾波器和巴倫單獨使用產生的互聯損耗以及匹配工作，而且可以節省整體電路尺寸。其中，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術已被用于構造一些緊湊尺寸的Balun濾波器[1]。

文獻[2]是一個基于Marchand巴倫三線耦合結構的改進，其通帶為7～13 GHz，插入損耗在4 dB內，尺寸為1 mm×1.5 mm×1 mm，性能優良，且尺寸緊湊，但在高頻段下，對生產工藝要求非常苛刻，當前市場使用率較低。文獻[3]介紹了一種基于LTCC工藝具有二次諧波抑制的巴倫濾波器，它由兩個半波長諧振器和3條饋線組成，結構較簡單，但通帶較窄，公共接地平面面積較大且多。在生產工藝過程中，與公共接地平面相關的上下層陶瓷膜片之間易出現粘連而不牢固，進而對性能產生不良影響。

本文提出的巴倫濾波器結構由兩大部分構成，即五階帶通濾波器和高耦合寬帶巴倫級聯。帶通濾波器采用級間電感耦合，極大地增加了帶寬。巴倫部分是在Marchand 巴倫的基礎上進行改進，輸入與輸出之間采用繞制電感耦合。為了增加耦合量和擴展帶寬，耦合電感上下對稱形成了一種夾心式結構。該帶通巴倫濾波器體積小，帶外抑制深，相對帶寬48%，具有較好的應用前景。本文利用電磁仿真系統ANSYS Electronics Suite 2020 R2 進行設計優化，實際加工所使用的陶瓷介質相對介電常數為9.8，最后使用網絡分析儀對巴倫濾波器進行實際性能測試。

1 理論分析

1.1 巴倫理論分析

經典Marchand巴倫原理如圖1(a)所示。其結構對稱，由一條λ/2(λ為波長)和兩條λ/4的傳輸線組成，采用奇模和偶模分析法分析其相位特性。圖1(b)、(c) 分別為奇偶模等效電路[4-7]。為了滿足理想巴倫的180°相位特性，需滿足條件：

圖1 經典Marchand巴倫和奇偶模等效電路

(1)

式中：Γeven，Γodd分別為偶模和奇模等效電路中的輸入反射系數；Teven是偶模等效電路中的傳輸系數。當Teven=0時滿足條件，巴倫具有良好的180°相位特性。經典Marchand 巴倫使用傳輸線的耦合方式雖然應用廣泛，但受帶寬限制。本文利用LTCC緊湊和多層結構特點，將巴倫的輸入與輸出設計為相似形狀的電感，縱向互相穿插，極大地增加了耦合量。

1.2 帶通濾波器理論分析

在集總參數情況下，帶通濾波器的設計常采用兩種方法：

1) 低通和高通級聯方式。圖2為低通和高通濾波器級聯原理圖。使用此方法的濾波器帶寬很寬，但其帶外抑制相對較差，結構復雜。

圖2 低通和高通濾波器級聯原理圖

2) 利用耦合元件(電感或電容)連接并聯諧振電路。圖3為兩階諧振器耦合式帶通濾波器。濾波器矩形系數較好，且帶外抑制較深，但其通帶相對較窄，且隨著并聯諧振的增加，其通帶內插損不斷變大，信號損失嚴重。這種設計方法適合于品質因數Q>10或Q=10的窄帶帶通濾波器，有:

圖3 兩階諧振器耦合式帶通濾波器

(2)

式中：f0為濾波器的中心頻率；BW3 dB為濾波器在3 dB衰減處的帶寬。

如何設計出一個帶寬較寬、插損較小且帶外抑制較深的帶通濾波器一直是一個難點。本文設計了一種五階帶通濾波器，通過5個并聯諧振(即L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5)單元加深了帶外抑制。因五階帶通濾波器通帶較窄且插損較大，所以引入C8和L8，以及在二階、三階和四階之間使用電感(L6、L7)級聯，如此設計將極大地拓寬帶通濾波器的通帶，并加深了3倍頻帶外抑制。圖4為五階帶通濾波器設計原理圖。

圖4 五階帶通濾波器設計原理圖

2 三維建模

本文涉及的巴倫濾波器建模分為兩大部分：巴倫和帶通濾波器。巴倫的非平衡輸入端輸入阻抗為50 Ω，兩個平衡輸出端阻抗也為50 Ω。圖5 為巴倫模型側面剖解圖。由圖可見，采用相似的片式螺旋電感結構[8]，輸入和輸出之間在垂直方向交叉堆疊，且頂層無具有屏蔽作用的大面積公共地，這種結構不僅可提高耦合系數，擴寬帶寬，且更節省空間。在巴倫的輸出端設計了短接電容，便于調整兩個輸出端口的相位平衡。圖6為巴倫耦合電感繞制拓撲圖，具體尺寸：L1=1.52 mm，L2=0.81 mm，L3=0.05 mm，L4=1.16 mm，L5=0.55 mm，L6=1.08 mm，L7=0.17 mm，g1=0.08 mm。

圖5 巴倫模型側面剖解圖

圖6 巴倫耦合電感繞制拓撲圖

帶通濾波器中的電感采用“孔柱-極板-孔柱”結構，這樣設計可以避免LTCC傳統多層螺旋折線電感空間利用率低，調試困難，對制作工藝要求較高的問題。同時，此結構還可以增加電感之間的耦合電容，減少并聯諧振單元間串聯電容的體積，器件能夠進一步小型化。圖7為巴倫濾波器三維模型。

3 巴倫濾波器實物制作測試

對設計和仿真完成后的模型進行加工。首先將介電常數為9.8的陶瓷粉流延制作成生瓷帶，再將生瓷帶切割成尺寸一致的片狀，然后根據模型對應位置進行打孔，填充銀漿，電路印刷，印刷完成后利用疊層機精準疊壓成一個整體，使用25 MPa壓力進行等靜壓，最后切割、燒結，外電極端印。制作完成的巴倫濾波器整體尺寸為3.2 mm×2.5 mm×1.0 mm。巴倫濾波器加工后實物和PCB焊接如圖8所示。

圖8 巴倫濾波器加工實物和PCB焊接

使用網絡分析儀對焊接完成后的巴倫濾波器進行測試，實測結果分別如圖9～12所示。由圖可見，本文設計的巴倫濾波器實測和仿真結果較吻合。回波損耗實測與仿真的差異主要受實際加工和焊接過程中各種因素的影響，實測平衡輸出端口相位差為180°±12°，幅度差為±0.7 dB。濾波器性能良好，完全滿足設計要求。

圖9 插入損耗S21參數對比

圖10 回波損耗S11參數對比

圖11 巴倫濾波器實測輸出相位平衡

圖12 巴倫濾波器實測輸出幅度平衡

4 結束語

本文基于LTCC技術設計制作了一款超寬帶巴倫濾波器，其將五階帶通濾波器和高耦合巴倫進行級聯，級間采用了電容和電感兩種耦合方法。所得濾波器的帶外抑制深，插損小，整體性能優良，可替代在實際使用中帶通濾波器和巴倫分立器件分別使用的場景，具有節省成本和空間等優點，在通用性和市場應用上潛力巨大。