具有三階諧振腔的S波段LTCC帶通濾波器設計

楊海峰，邢孟江

(1.寶雞文理學院物理與信息技術系，陜西寶雞 721016;2.西安電子科技大學微電子學院，西安 710071)

隨著無線通信的快速發展，移動終端向小型化、輕便型方向發展。濾波器作為射頻組件的重要組成部分，在無線通信領域有廣泛的應用［1］。高性能的濾波器對無線通信的品質往往有很大的提升。

濾波器的性能主要取決于通帶中的衰減程度以及帶外的衰減速度。在采用插入損耗法設計濾波器過程中用巴特沃茲多項式或切比雪夫多項式逼近插入損耗函數時，帶外衰減速度隨多項式階數的增加而增加，但是濾波器的階數越多插入損耗會增加，同時器件的體積和制作的難度也會增加，所以在設計濾波器時要考慮系統指標要求及封裝要求。

應用低溫共燒陶瓷技術(LTCC)制作濾波器等無源器件有無可比擬的優勢:①采用疊層工藝，有效地減小器件體積;②可以使用導電系數高的金屬，使得材料傳輸損耗小，頻率特性好;③ 可以混合集成模擬、數字、射頻等器件及電阻、電容、電感等元件組成多功能組件;④成本相對較少，產品設計周期短等。所以應用低溫共燒陶瓷技術在射頻組件的設計方面已有廣泛的應用［2］。

本文采用低溫共燒陶瓷技術，設計出了一個中心頻率為2.4 GHz，相對帶寬為10.4%的三階帶通濾波器，體積僅為3 mm×2 mm×1 mm，在無線局域網和藍牙等無線通信中有廣泛的用途。

1 濾波器設計

首先根據對濾波器指標的要求設計出了具有切比雪夫特性的三階帶通濾波器。此種濾波器為電容性耦合，由3個并聯諧振腔組成。電路原型的求解過程:首先求出低通濾波器的原型，再由導納變換器和并聯諧振器把低通原型轉化為電容耦合的并聯諧振器。需要注意的是在這種變換中采用的導納變換器如圖1所示，即實現了用電容耦合［3］。

也可用ADS等射頻電路設計軟件進行綜合，快速得到電路原型，如圖2所示。其中的元件值C1=C3=2.58 pF，C2=2.81 pF，C4=C7=0.95 pF，C5=C6=0.40 pF，L1、L2及 L3的值均為1.23 nH。

得到電路原型之后，完成了設計的第1步。下面必須考慮如何利用低溫共燒陶瓷技術來實現上述電路的模型結構，這時必須考慮到此器件的工作頻段、各個元件值的大小和制作電路工藝線的條件等因素。考慮到此次設計的濾波器工作在S波段，而且各個元件值不是很大，所以考慮使用集總參數的元件來完成設計。

應用集中元件來實現射頻段的電感和電容，可以采用很多方法［4－6］，結合本次設計的濾波器電路的具體參數，對于電容值較小的C4和C7采用較簡單的平板電容，如圖3(a)所示，而對于電容值較大的C1、C2和C3采用垂直指插電容，如圖3(b)所示。

圖3 電容示結構

設計的重點是如何實現C5和C6電容，當然也可以采用平板電容這種最簡單的結構，但是也可根據 K.Rambabu 和 Jens Bornemann［7］提出的耦合方法實現小電容。本文正是采用這種方法，利用了C1、C2和C3這3個大電容之間耦合效應，產生2個小的電容值即C5和C6。采用這樣的方法可以有效地減小器件的尺寸，提高元件的集成度，但是提高了器件的設計難度。

對于電感L1、L2和L3，由于它們的電感值不大，所以很容易用一段傳輸線來等效［8］。最后，根據工藝條件要求，采用Ferro A6M作為低溫共燒陶瓷的介質材料。此種介質的相對介電常數為5.9，每一層的介質厚度為84.5 μm，采用金屬銀作為共燒金屬材料，金屬厚度為12 μm。在HFSS中建立的器件模型如圖4所示，共包含10層介質和11層金屬。

圖4 濾波器三維模型

2 仿真分析

分別利用Agilent ADS和HFSS對電路原型(圖2)和三維立體模型(圖4)進行仿真，對仿真結果進行對比，如圖5所示。可以發現建立起的三維立體器件模型在預設的通帶中較好地實現了濾波器的功能，通帶中 S11大于20 dB，S21小于1.5 dB，較好地實現了帶通濾波器的功能。

但是在高頻阻帶，三維立體模型和電路模型仿真顯著不同，HFSS仿真結果在高頻阻帶產生了一個傳輸零點，這是電路原型所沒有的。在帶外產生傳輸零點是由于集總參數元件的寄生效應。

圖5 濾波器電路和三維電磁仿真對比

通過分析，寄生效應來源于垂直指插大電容C1、C2和C3，這是由于多層金屬結構和共地面產生了寄生電感。正是由于寄生電感的存在，產生了帶外零點。考慮寄生效應后的電路如圖6所示。

圖6 增加寄生電感的電路

此電路的阻抗矩陣是由圖2所示電路的阻抗矩陣和電感L的阻抗矩陣之和，即

當Z21=0時，表明信號不會由端口1傳輸到端口2。根據Z矩陣和S矩陣的關系，此時S21也為零，即表明產生了傳輸零點。所以可以由傳輸零點的位置反推出電感L4的大小，通過計算為0.21 nH。

最后，對比增加寄生電感的電路和三維立體器件模型。如圖7所示，在通帶中和帶外仿真結果都比較吻合，從而驗證了此款帶通濾波器的三維立體模型和電路模型功能一致。

圖7 考慮寄生電感的電路和三維電磁的仿真結果

3 結束語

本文提出的具有切比雪夫特性的三階帶通濾波器，在用低溫共燒陶瓷實現時有效地利用了耦合電容，使器件結構比較緊湊，體積僅為3 mm×2 mm×1 mm，中心頻率 2.4 GHz插入損耗為1.1 dB，回波損耗為23 dB，相對帶寬為10.4%，帶外2.0 GHz和 2.8 GHz處插入損耗分別達到35 dB和40 dB。以上數據表明，該濾波器比同類型的濾波器有較優越的性能。

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