具有諧波抑制特性的LTCC帶通濾波器新設計

戴永勝,韓群飛,尹洪浩,左同生,謝秋月

(南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院,南京 210094)

1 引 言

隨著移動通信、衛(wèi)星通信及國防電子系統(tǒng)微型化的迅速發(fā)展,對微波濾波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。高性能的微型LTCC濾波器已成為該領(lǐng)域研究的熱點和前沿[1]。由于LTCC技術(shù)具有三維立體集成優(yōu)勢,在微波頻段被廣泛用來制造各種微波無源元件,實現(xiàn)無源元件的高度集成。同時,LTCC技術(shù)也是實現(xiàn)SIP和SOP技術(shù)的重要平臺之一。基于LTCC工藝的疊層技術(shù),可以實現(xiàn)三維集成,從而使各種微型微波濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優(yōu)、可靠性高、批量生產(chǎn)性能一致性好及低成本等諸多優(yōu)點,利用其三維集成結(jié)構(gòu)特點,可以更方便地實現(xiàn)高性能濾波器[2]。

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展,頻率資源日益緊張,為了抑制外部信號以及混頻器、振蕩器等器件產(chǎn)生的高次諧波,提高整機的電性能,要求濾波器具有良好的帶外抑制能力。然而,傳統(tǒng)濾波器的頻率響應在離開主通帶一定距離(通常是主通帶中心頻率的整數(shù)倍)有寄生通帶,不適合于要求抑制諧波的應用場合。

本文利用LTCC工藝的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,在不增加額外結(jié)構(gòu)和體積的前提下,引入交叉耦合零點,通過改進交叉耦合結(jié)構(gòu),產(chǎn)生多個傳輸零點,從而達到抑制高次諧波的功能。基于上述思路,研究了具有諧波抑制性能的LTCC微型帶通濾波器。

2 理論設計

2.1 原理分析

圖1是四級抽頭式梳狀線帶通濾波器的電原理圖,該濾波器的實現(xiàn)是基于四階耦合諧振帶通濾波器的原型[3]。

圖1 抽頭式梳狀線帶通濾波器的電原理圖Fig.1 The schematic circuit of the tapped combline band-pass filter

式中,i=1,2,3,4;j=2,3,4,f0為濾波器的中心頻率,w為帶狀線的寬度,b為帶狀線到接地板的距離,l為帶狀線的長度,d為相鄰兩根帶狀線間距,μ為磁導率,ε為介電常數(shù),f1和 f2是利用HFSS的本征模求解器設置的兩個本征頻率。

2.2 傳輸零點分析

微波電路中傳輸零點的形成多種多樣,如微波信號通過不同的通路形成反相抵消、經(jīng)過一串聯(lián)諧振信號流入地、被主路并聯(lián)諧振器全部反射等,在這里只分析第一種情形,即交叉耦合形成的傳輸零點[4-7]。

圖2是交叉耦合相位示意圖。第一級的信號一部分通過主路第二、第三級磁耦合到第四級,一部分信號通過交叉路電耦合傳輸?shù)降谒募墶８鶕?jù)相位分析,信號通過磁耦合相移-90°,通過電耦合相移+90°,諧振頻點的信號通過諧振器相移為0°,低于諧振頻率的信號相移+90°,高于諧振頻率的信號相移-90°,由圖2計算相位:對于低于諧振頻率信號,主路相位為 -90°+90°-90°+90°-90°=-90°,交叉路相位為+90°,兩路信號反相抵消形成零點;然而對于高于諧振頻率信號,主路相位為-90°-90°-90°-90°-90°=-90°,交叉路相位為 +90°,兩路信號也反相抵消形成零點,所以此結(jié)構(gòu)在通帶兩邊各有一個零點。

圖2 交叉耦合相位示意圖Fig.2 The phase diagram of cross-coupling

3 三維實現(xiàn)

3.1 設計方法與程序

(1)利用不對稱廣義切比雪夫濾波器理論,根據(jù)給定技術(shù)指標,確定濾波器級數(shù)和傳輸零點位置,選定濾波器拓撲結(jié)構(gòu)[8-9];

(2)利用帶狀線計算公式和HFSS的本征模求解,計算單個諧振器的尺寸,使其位于濾波器的中心頻率附近;

(3)利用HFSS的本征模求解和耦合系數(shù)的雙模提取方法,確定耦合系數(shù),然后確定相鄰諧振級的水平距離;

(4)分析零點產(chǎn)生原理,精確控制結(jié)構(gòu)中各零點,達到需要的衰減。運用軟件優(yōu)化仿真,得到最終三維模型;

(5)利用仿真結(jié)果數(shù)據(jù)采用LTCC工藝制造出濾波器,測試并與設計的頻率響應特性曲線進行比較,驗證設計方法的可行性和正確性。

總之,實現(xiàn)帶通濾波器最簡單的方法是利用多個諧振器與電感或電容進行耦合,耦合元件值不能過大或過小,以免造成濾波器通帶響應不好;同時在濾波器的階數(shù)選擇上,必須謹慎考慮,能以較少階數(shù)達到想實現(xiàn)的帶通濾波器性能,就無需再加入過多的諧振器,防止產(chǎn)生預期難以克服的耦合效應。這里綜合考慮技術(shù)指標以及體積的限制,本文選用四階耦合諧振器且引入Z字形交叉耦合結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 LTCC濾波器的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)Fig.3 The internal 3D view of the LTCC filter

3.2 基本型與改進型三維結(jié)構(gòu)

圖3是所設計的基本型LTCC濾波器的內(nèi)部三維立體結(jié)構(gòu)分層示意圖[10]。該三維模型采用介電常數(shù)為9.2的陶瓷介質(zhì),其損耗角正切為0.002,包括5層金屬圖形,其中第一層和第五層為地,第二層為加載電容Cri層,第三層為LC層。從圖3可以看出,第二和第三層可等效為由4個諧振級相互并聯(lián)而成的。第四層為交叉耦合層,通過基本Z字型交叉耦合結(jié)構(gòu)與第三層的第一、第四個諧振級形成交叉耦合電容C14。故該濾波器的三維結(jié)構(gòu)的等效電路圖如圖1所示。

圖4是基本型LTCC濾波器中第四層交叉耦合結(jié)構(gòu)的改進前后三維示意圖。這種結(jié)構(gòu)僅僅是對基本Z字型中的橫梁旋轉(zhuǎn)了角度,卻能夠在第二、第三個諧振級之間產(chǎn)生額外的寄生電容,從而在高端寄生更多的傳輸零點,有效地對高次諧波進行了抑制[11]。

圖4 交叉耦合結(jié)構(gòu)改進前后的比較Fig.4 The comparison between before and after the improvement of the cross-coupling structure

圖5是基本型LTCC濾波器中第四層交叉耦合結(jié)構(gòu)的改進前后S參數(shù)的比較。從圖5可以看出,改進后的交叉耦合結(jié)構(gòu)能夠很好地抑制高次諧波,從而在不增加體積的情況下,實現(xiàn)諧波抑制的功能,滿足小型化的要求。

圖5 該濾波器S參數(shù)改進前后的比較Fig.5 The comparison between before and after the improvement of the filter′s S-parameters

4 仿真與測試結(jié)果分析

圖6是該濾波器的三維仿真曲線與實物測試曲線的比較。我們在安捷倫的矢量網(wǎng)絡分析儀上對該LTCC濾波器的S參數(shù)做了相應的測試,從圖6可以看出,測試曲線與三維仿真曲線的一致性很好。從測試結(jié)果可以看出,在通帶12.4～14.4 GHz內(nèi)插損均小于2 dB。低阻帶從5～11 GHz的衰減都優(yōu)于30 dB。尤其在8.8 GHz處,由于低端引入的傳輸零點的作用,衰減達到50 dB。高阻帶通過改進交叉耦合結(jié)構(gòu)成功地引入了多個傳輸零點很好地抑制了高次諧波,從16～28 GHz內(nèi)的衰減均優(yōu)于30 dB,而且在35GHz處優(yōu)于20 dB。成品率高達93%。

圖6 該濾波器的三維仿真曲線與實物測試曲線的比較Fig.6 Comparison between the 3D simulated and measured curve of the filter

整體結(jié)構(gòu)搭建完成后經(jīng)過相應的微調(diào)使其性能滿足要求,并在相應的LTCC生產(chǎn)線上完成制作,生產(chǎn)的濾波器成品的樣品照片如圖7所示。這種具有諧波抑制特性的LTCC微型帶通濾波器的尺寸僅為3.2 mm×1.6 mm×1.2 mm。

圖7 該濾波器的實物照片F(xiàn)ig.7 Photograph of the manufactured filter

5 結(jié) 論

本文基于四階耦合諧振帶通濾波器原型、抽頭式梳狀線結(jié)構(gòu)設計了一款具有諧波抑制特性的微型LTCC濾波器。與現(xiàn)有技術(shù)的濾波器相比,該濾波器具有尺寸小、重量輕、性能優(yōu)、可靠性高、批量生產(chǎn)性能一致性好及低成本等優(yōu)點;在性能上,該濾波器的中心頻率在Ku頻段,諧波能抑制到35 GHz;在體積不增大的前提下,利用LTCC三維布線的優(yōu)勢,采用創(chuàng)新的交叉耦合結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了諧波抑制功能。實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合非常好,成品率高,設計方便,可廣泛應用于放大器、振蕩器和混頻器等微波電路中。

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