電容加載LTCC帶通濾波器小型化研究*

劉　毅，戴永勝（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京，210094）

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電容加載LTCC帶通濾波器小型化研究*

劉毅，戴永勝
（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇南京，210094）

摘 要：科技的發展帶來更加嚴格的器件指標，電子器件的小型化、高性能趨勢日益明顯。濾波器作為射頻元器件的重要組成部分，小型化研究已迫在眉睫。基于先進的LTCC工藝技術，選用帶狀線結構，實現了一款帶通濾波器的小型化設計。通過交叉耦合的方式插入零點，提高邊帶的陡峭度，實現了優異的性能。經過大量仿真優化后投入生產加工，實物測試結果吻合仿真曲線，中心頻率為3 400 MHz，帶寬為200 MHz，在3 200 MHz頻率上的衰減優于30 dB，在3 720 MHz頻率上的衰減優于20 dB，尺寸僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。

關鍵詞：帶通濾波器；LTCC；帶狀線結構；小型化

0　引言

微波濾波器是無源射頻器件中重要的組成部分，用以有效控制系統的頻響特性。直觀表現為，在濾波器所設定的額定頻率范圍內，信號可以盡可能地無損通過，而在此頻率范圍以外，信號需要被盡可能地衰減［1］。作為系統中重要的組成部分，對于其小型化、高性能、低成本、易集成等諸多方面的要求越來越嚴格。如何綜合實現諸多要求的濾波器，必然成為今后研究的重要熱點之一［2］。

低溫共燒陶瓷［3］（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）與傳統的封裝集成技術相比，有著諸多優點：（1）采用了多層堆疊技術，易于實現多層布線與封裝一體化結構，易于故障的排查，成品率高，且組裝密度提高，實現了小體積與低重量；（2）具有良好的高頻特性和高速傳輸特性，同時，在大電流且高溫的特定情況下，具有相對較小的熱膨脹系數和介電常數溫度系數，熱傳導性優良。（3）LTCC技術的兼容性能優良，易于形成多種結構的空腔；（4）LTCC產生廢料少，非常節能環保。

此款基于LTCC技術的帶通濾波器選擇了帶狀線結構［4］的方式進行設計，相比于LC型集總結構濾波器，結構更加簡單［5］。先進的LTCC技術保證了其體積小、重量輕、性能高、易生產、穩定性好、結構簡單、兼容優良等諸多優點。此濾波器的設計指標如下：中心頻率為3 400 MHz，帶寬為200 MHz，帶內插入損耗小于3.5 dB，在3 200 MHz處帶外抑制≥30 dB，在3 720 MHz處帶外抑制≥20 dB，電壓駐波比≤1.7。在引入交叉耦合添加帶外傳輸零點后，邊帶陡峭度明顯提高，最終產品尺寸為4.8 mm×4.2 mm ×1.5 mm。

1　濾波器原理設計

帶通濾波器通過若干諧振電路的組合，實現濾波效應。帶狀線型濾波器的諧振單元不再選用集總模式下的電感電容，而是通過一段傳輸線來實現。此款帶通濾波器選擇六條帶狀線形成帶通效應，等效為六個諧振單元，相鄰諧振單元之間通過磁耦合的方式傳遞能量。初步設計出的六級帶狀線帶通濾波器，雖然有著帶通濾波的作用，但性能不佳，阻帶插損不夠，與既定的技術指標相去甚遠。因此，考慮引入Z字形結構，通過交叉耦合的方式來引入傳輸零點，以期改善其不良的邊帶抑制度問題［6］。此時已基本達到初步設計要求，為了優化濾波器性能，引入U形結構，用以加強諧振級之間的磁耦合效應，完成最終的設計目標［7］。電路原理圖如圖1所示，其中L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5、L6和C6為六個等效為諧振單元的帶狀線，L7、L8、L9、L10、L11為相鄰帶狀線之間磁耦合等效的串聯電感，C16是加入Z字形結構后的交叉耦合電容，L23和L45是引入U形結構后磁耦合等效串聯電感。

圖1　完善后的帶通濾波器電路

2　LTCC三維實現

本設計的中心頻率是3.4 GHz，屬于S波段，相比于LC集總結構濾波器，帶狀線型LTCC帶通濾波器不再選用通孔結構來連接不同空間的傳輸線，取而代之的是通過將帶狀線的一側接在已經包裹上金屬面的介質盒的前后接地面［8］。搭建此款帶通濾波器的三維模型，綜合考慮材料選擇，選用相對介電常數為13.3、介質損耗角為tanθ= 0.000 58的陶瓷材料，體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。優化后的濾波器三維模型如圖2所示。

圖2　濾波器優化后的三維模型圖

濾波器的三維模型自上而下共七層，第一層是矩形小塊，用以顯示器件的上下層，矩形小塊所在面為上，第二層和第七層為接地層，第三層為耦合U形結構，第四層為加載電容層，第五層為主諧振層，第六層為第一諧振與第六諧振間的交叉耦合電容。器件的四周加有金屬屏蔽盒，不僅可以防止外界的電磁干擾和內部能量的外向輻射，還可以保護電路，便于安裝插頭以及與其他器、部件的固定。仿真測試結果如圖3所示。

圖3　濾波器優化后的仿真波形圖

由圖3可知，中心頻率3 400 MHz處的插損為1.85 dB，帶寬3 300 MHz以及3 500 MHz處的插損分別為2.7 dB和2.3 dB，電壓駐波比≤1.4，頻率在3 200 MHz時，帶外衰減為33.1 dB，頻率在3 720 MHz時，帶外衰減為35 dB。性能優良，選擇投入生產加工，進行實物測試。

3　實物生產與測試曲線

軟件仿真優化完成后，依照設計參數交付生產線進行加工制造，并獲取實物測試曲線圖。此款LTCC帶狀線型帶通濾波器最終產品體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，選擇相對介電常數為13.3、介質損耗角為tanθ=0.000 58的陶瓷材料進行填充，測試結果如圖4所示。

圖4　LTCC濾波器測試波形圖

由圖4可知，此款帶通濾波器的帶內插損最大值為3.4 dB；頻率為3 200 MHz時，帶外抑制為30 dB，頻率為3 720 MHz時，帶外抑制為20 dB；駐波優于1.7。實物制造與測試結果均驗證完畢，此款帶通濾波器不僅實現了小型化的預期，性能上也完全優于設計指標，達到了實驗目標。

4　結論

為了實現小型化、高性能的帶通濾波器，本次研究基于LTCC技術，選用了帶狀線型結構進行設計，在六級諧振的基礎上進行優化。通過插入Z字形結構的方式進行交叉耦合以添加傳輸零點，提高邊帶陡峭度；插入U形結構，用以加強相鄰諧振級之間的磁耦合效應。軟件仿真及優化后的測試結果優于設計指標，允許投入生產制造。實物完成后的體積僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，滿足小型化的初衷。測試結果均優于設計指標并留有余量。綜上，此款LTCC帶狀線型帶通濾波器體積小、重量輕、易生產、性能優，是一款非常實用的帶通濾波器，并可大量投入生產，此次研究圓滿達成目標。

參考文獻

［1］趙文昌，劉強，陳錄根，等.基于轉差分頻原理的挖掘機節能控制方法研究［J］.微型機與應用，2013，32（10）：61-62，65.

［2］SONG H S，LEE Y S.A miniaturized 2.4 GHz band multilayer bandpass filter using capacitive loaded quarter wavelength slowwave resonator［C］.IEEE MTT-S International.Microwave Symposium.Digest，2003：515-518.

［3］李寶山.邊帶陡峭LTCC濾波器的設計與研究［D］.南京：南京理工大學，2007.

［4］夏紅，徐自強，王浩勤.LTCC帶通濾波器的設計［J］.電子科技大學報，2008（S1）：47-49.

［5］李章濤.雙傳輸零點LTCC帶通濾波器的設計與仿真.中國電子科學研究院學報，2010，4（5）：209-212.

［6］JENG Y H.CHANG S F R，LIN H K.A high stopband-rejection LTCC filter with multiple transmission zeros［C］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54 （3）：633-638.

［7］李玲玲.移動通信系統中頻率復用方案理論探討［J］.微型機與應用，2013，32（11）：70-72.

［8］DAVID M P.M icrowave engineering［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2006.

劉毅（1992 -），男，碩士研究生，主要研究方向：射頻與微波電路。

戴永勝（1956 -），男，教授，碩士生導師，主要研究方向：MMIC、微型LTCC微波器件設計等。

引用格式：劉毅，戴永勝.電容加載LTCC帶通濾波器小型化研究［J］.微型機與應用，2016，35（10）：22-23，27.

A research ofmini bandpass filter with stripline configuration based on LTCC

Liu Yi，Dai Yongsheng
（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstrac t：Nowadays，high-level equipment is necessary with the rapid growth of technology.The trend of developing toward miniaturization and high performance has become increasingly apparent.As an important component in microwave module，filter miniaturization is in desperate need.This paper chooses stripline configuration tomake into the bandpass filter.Its size is small due to the LTCC technology which is advance in the world.Transm ission zeros achieve good stop-band attenuation through cross coupling.This bandpass filter turns to be manufacture after a lot of simulations and optimizing.The measured results satisfy its performance requirement very well.The centre frequency of the BPF is at 3 400 MHz，its bandwidth is 200 MHz，at 3 200 MHz the stop-band attenuation need to bemore than 30 dB and at 3 720 MHz ismore than 20dB.Its size of the fabricated filter is only 4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm.

Key w ords：bandpass filter；low temperature co-fired ceramic；stripline configuration；miniaturization

作者簡介：

收稿日期：（2016-02-23）

*基金項目：國家重點基礎研究發展“973”計劃項目資助（2009CB320201）；國家國防重點實驗室基金項目資助（9140C1402021102）

中圖分類號：TN713

文獻標識碼：A

DOI：10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.008