毫米波段LTCC濾波器的小型化設(shè)計

丁 勇，劉玲玲

(1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京210094;2.中國電子科技集團第十六研究所，合肥230043)

濾波器在現(xiàn)代射頻、微波系統(tǒng)中是不可缺少的元件，而隨著通信系統(tǒng)對濾波器小型化、高性能的要求，LTCC技術(shù)應(yīng)運而生［1］。平面平行耦合線微帶帶通濾波器采用窄邊耦合，雖然容易制作，但占用面積較大［2-4］，隨著LTCC工藝的日益成熟，利用LTCC技術(shù)使得耦合線向Z維度(采用寬邊耦合)集成能大大減小其占用面積［5-6］，但又由于采用寬邊耦合，耦合強度較大適合做寬帶濾波器［7］，若設(shè)計窄帶濾波器，為減小層與層之間的耦合，則不得不增加層與層之間的間距，使得Z維度較大，反而增大了濾波器的體積，而實際上LTCC的工藝可以使層間距可以做到很小。為充分利用LTCC工藝的優(yōu)點，縮小Z維度上的大小是有必要的。為此，我們提出新型寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元。

1 結(jié)構(gòu)單元及奇偶模分析

1.1 新型寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元

由此我們提出了一種使用類共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來設(shè)計的LTCC帶通濾波器以減小Z方向的大小。通過在帶狀線兩側(cè)鋪上接地板，該結(jié)構(gòu)是改進(jìn)型帶狀線結(jié)構(gòu)，帶狀線和兩側(cè)的地也產(chǎn)生了電容，增加了耦合傳輸線和地之間的電容，同時可有效減弱電磁串?dāng)_，新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 提出的新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)

1.2 奇偶模分析

耦合傳輸線的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，該新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)的奇偶模分析可采用經(jīng)典的分析方式［8］，奇模激勵下電場分布和等效電容網(wǎng)絡(luò)分別如下圖2(a)、圖2(b)所示。

圖2 新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)的奇模激勵

C12代表帶狀線導(dǎo)體之間的電容，C11和C22分別表示兩帶狀線和地之間的電容(包括上下地和左右地之間的電容)。

分析時假設(shè)帶狀線的尺寸相等，且它們相對于接地導(dǎo)體之間的位置是相等的，即C11=C22;并假設(shè)該結(jié)構(gòu)傳輸TEM波，則奇偶模的相速度是相等的。對于奇模的特性阻抗是:

現(xiàn)考慮偶模激勵，偶模激勵下電場分布如圖3(a)所示，等效電容網(wǎng)絡(luò)如圖3(b)所示。

圖3 新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)的偶模激勵

同樣假設(shè)這兩個帶狀線導(dǎo)體在尺寸上和位置上

相同，則偶模的特征阻抗是:

2 單元結(jié)構(gòu)具有較小的Z維度論證

2.1 理論分析

耦合傳輸線之間的耦合系數(shù)［9］

比較傳統(tǒng)帶狀耦合傳輸線和該新型耦合傳輸線知，若它們耦合傳輸線尺寸一樣，之間的距離也一樣，則帶狀線導(dǎo)體之間的電容也即C12=C'12(帶“撇”的表示傳統(tǒng)帶狀耦合傳輸線參量)，又由于該新型耦合傳輸線與地之間的距離相比傳統(tǒng)耦合帶狀線大大縮小，再加上和兩側(cè)地之間形成的電容，則C11=C22＞C'11=C'22，則kij＜k'ij。即同樣層與層之間的距離，該新型耦合傳輸線耦合系數(shù)更小。考慮到對某耦合線，耦合系數(shù)越大和層與層之間的距離越小，因此，實現(xiàn)同樣的耦合強度，新型耦合傳輸線使用的距離將大大縮小，即減小了Z維度上的大小。

另一方面耦合線特性阻抗［8］:

在耦合線兩側(cè)加地后，Ce不變，由于和兩側(cè)地之間的電容，Co將變大，特性阻抗Z0將變小，為保證50 Ω的特性可行的方式是減少耦合線的寬度，這樣耦合線之間的容性耦合強度減小，事實上也能夠減小Z方向上的大小。

2.2 HFSS仿真驗證

其他條件不變下，通過增加兩側(cè)的接地面以及縮小帶狀線與兩側(cè)地之間的距離來減小帶狀線之間的耦合系數(shù)。耦合傳輸線之間的距離保持不變，如圖4(a)，耦合系數(shù)隨兩側(cè)地與帶狀線之間距離(有無)變化，w表示帶狀線和地之間的距離(其中w=0.9時表示兩側(cè)沒有地)，h表示層之間的距離。

可以圖4(b)看出，當(dāng)h一定時，通過在帶狀線兩側(cè)有地時，隨著帶狀線和地之間的距離w減小，耦合系數(shù)k大大減小，即當(dāng)兩側(cè)地距帶狀線的距離越近，耦合系數(shù)越小，且該距離越近，減小得越快。另外，w帶狀線和地之間的距離一定時，當(dāng)層高h(yuǎn)增大時，耦合系數(shù)也是減小的，這與理論推導(dǎo)是一致的。所以為減小耦合系數(shù)k，又要不增加濾波器Z-維度上的體積，應(yīng)盡量縮小兩側(cè)地距帶狀線的距離。

舉例說明，采用傳統(tǒng)帶狀線實現(xiàn)濾波器，即帶狀線兩側(cè)沒有地，對應(yīng)圖4(b)即w=0.9 mm，若用層高h(yuǎn)=0.25 mm實現(xiàn)耦合，耦合系數(shù)k=0.34;若耦合帶狀線兩側(cè)加地，若采用層高h(yuǎn)=0.15 mm，則w=0.35 mm，亦可實現(xiàn)耦合系數(shù)k=0.34，但層高h(yuǎn)只有0.15 mm，Z方向上的維度減少了57%，且濾波器是基于耦合矩陣的，所以濾波器性能并沒有變，卻大大降低了Z維度的大小，若按照現(xiàn)有的加工工藝，w最小可取0.1 mm，因此這個層高h(yuǎn)還可以減少。

圖4 新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)

通過寬邊耦合制作窄帶濾波器需要較小的耦合系數(shù)，因而層高h(yuǎn)較大，兩測加地可大大減小層高h(yuǎn)，因此該新型耦合線單元結(jié)構(gòu)使用在窄帶濾波器比寬帶濾波器更具有明顯的效果。

由于可以通過改變帶狀線和地之間的距離w來控制耦合系數(shù)，比原來僅能通過改變層高h(yuǎn)和錯位方式改變耦合系數(shù)k增加了設(shè)計維度，提高了設(shè)計靈活性。

但由于LTCC工藝限制，這個距離不可能無限小，根據(jù)不同的加工工藝，應(yīng)盡可能小，達(dá)到最大程度減小Z方向上的電路尺寸的目的。

3 設(shè)計實例

設(shè)計了7級耦合傳輸線結(jié)構(gòu)，中間一級四分之一波長短路線的目的是方便進(jìn)行LTCC立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計，其平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖5所示。

利用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS可得到上文設(shè)計的新型耦合線帶通濾波器，尺寸如下:從下到上的高度依次是h1=h6=0.09 mm，h2=h5=0.24 mm，h3=h4=0.35 mm，所有耦合線長度L=1 mm，寬度w=0.1 mm，厚度T=0.01 mm，介電常數(shù)為4.5，介質(zhì)損耗角正切為0.002，帶狀線和兩側(cè)地之間的距離w=0.1 mm，濾波器體積僅為 4 mm×1.4 mm×0.4 mm。從圖6(b)中可以清楚地看到，由于交叉耦合，新型濾波器的頻率響應(yīng)仿真曲線在10 GHz和53 GHz處分別出現(xiàn)一個傳輸零點，3 dB帶寬1.2 GHz，插入損耗2.5 dB，且衰減可達(dá)到70 dB以上，回波損耗S11＜-15dB。由此可見，新型濾波器在減小體積的同時，也獲得了較好的頻率選擇特性，如下圖6所示。

圖5 平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 HFSS模型及仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了一種寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元，并進(jìn)行了多級LTCC帶狀線帶通濾波器的設(shè)計，仿真結(jié)果較好。新型LTCC濾波器結(jié)構(gòu)單元在有效減小濾波器體積的同時，由于采用多層結(jié)構(gòu)引入交叉耦合在通帶兩側(cè)各產(chǎn)生一個傳輸零點，獲得了更加優(yōu)越的頻率選擇特性。新型濾波器無論在體積上、還是在性能上都優(yōu)于傳統(tǒng)濾波器。

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