一種基于耦合線與枝節(jié)線的LTCC帶通濾波器

楊非 王睿

摘 要：采用微帶、帶線等方式實(shí)現(xiàn)的平面濾波器由于體積較小并且便于集成，在射頻微波系統(tǒng)中大量使用。但由于其Q值有限，在近端帶外抑制要求很高時(shí)，常用的增大濾波器階數(shù)方法不僅會(huì)導(dǎo)致整體插損增大，還會(huì)引起通帶邊緣插損急劇上升，惡化帶內(nèi)波動(dòng)。本文介紹了一種基于耦合線和枝節(jié)線的LTCC帶通濾波結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器與常見(jiàn)的一些濾波器結(jié)構(gòu)相比，具有高帶外抑制、高等效Q值的特點(diǎn)，適用于體積有限并且近端抑制較高的場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：帶通濾波器;LTCC;高帶外陡度;高Q值

中圖分類號(hào)：TN713 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0206-02

0 引言

采用微帶、帶線等方式實(shí)現(xiàn)的平面濾波器由于體積較小并且便于集成，在射頻微波系統(tǒng)中大量使用。但由于這種實(shí)現(xiàn)方式下Q值非常有限，在要求很高的近端帶外抑制時(shí)，增大濾波器階數(shù)方法不僅會(huì)導(dǎo)致整體插損增大，還會(huì)引起通帶邊緣插損急劇上升，惡化帶內(nèi)波動(dòng)。

本文介紹了一款基于耦合線和枝節(jié)線的LTCC帶通濾波結(jié)構(gòu)，采用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器與常見(jiàn)的一些濾波器結(jié)構(gòu)相比，具有高帶外抑制、高等效Q值的特點(diǎn)，適用于體積有限并且近端抑制較高的場(chǎng)合。該濾波器采用Q值較低的LTCC電路作為實(shí)現(xiàn)形式，通過(guò)串聯(lián)耦合線與并聯(lián)折疊階梯阻抗枝節(jié)組合，能夠?qū)崿F(xiàn)低插損高帶外抑制的濾波特性。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 串聯(lián)平行耦合線的帶通特性

由平行耦合線的等效電路[1，2]可知，其電路特性具有帶通濾波特性。使用ADS對(duì)電長(zhǎng)度為90°的串聯(lián)耦合線進(jìn)行建模仿真可以看出，平行耦合線在中心頻率傳輸最大，在遠(yuǎn)離中心頻率的兩端逐漸減小，響應(yīng)與帶通濾波器類似。同時(shí)該傳輸曲線的相位特性在中心頻率處為90°，等效為一個(gè)倒置器[3]。

1.2 并聯(lián)折疊階梯阻抗枝節(jié)線的傳輸特性

普通半波長(zhǎng)開(kāi)路枝節(jié)線與傳輸線的并聯(lián)會(huì)在中心頻率兩側(cè)0.5*f0與1.5*f0固定產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。階梯阻抗枝節(jié)線能夠減小這兩個(gè)零點(diǎn)的頻率比[4]，從而提高帶外陡度。折疊階梯阻抗枝節(jié)線能夠進(jìn)一步頻率比，獲得更高的帶外抑制。這三種模型及傳輸特性分別如圖1所示。

由曲線可以看出，并聯(lián)枝節(jié)線的傳輸特性為中心頻率兩側(cè)存在傳輸零點(diǎn)的帶通特性。對(duì)比普通枝節(jié)線、階梯阻抗枝節(jié)線、折疊階梯阻抗枝節(jié)線，折疊階梯阻抗枝節(jié)線具有更小的體積和更近的傳輸零點(diǎn)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊、抑制更高的濾波特性。

組合串聯(lián)平行耦合線與并聯(lián)枝節(jié)線構(gòu)成帶通濾波器。

由上所述，從普通枝節(jié)線帶通濾波器的設(shè)計(jì)出發(fā)，將并聯(lián)均勻傳輸線枝節(jié)用并聯(lián)折疊階梯阻抗枝節(jié)線替代，串聯(lián)90°傳輸線用串聯(lián)平行耦合線連接起來(lái)，能夠得到完整的濾波器特性。下節(jié)將以實(shí)例說(shuō)明其設(shè)計(jì)方法。

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

本節(jié)應(yīng)用以上提到的技術(shù)，設(shè)計(jì)一款具有較高帶內(nèi)平坦度與帶外抑制能力的LTCC濾波器。

需設(shè)計(jì)的濾波器指標(biāo)如下：通帶插損：小于1dB@2.7-4.2GHz;帶內(nèi)平坦度小于1dB@2.7-4.2GHz;帶外抑制：大于40dB@1-2.2GHz&5-5.5GHz;濾波器的實(shí)現(xiàn)方式為L(zhǎng)TCC電路，生瓷材料為Dupont9K7（ε=7.1）。

首先在ADS中搭建濾波器電路模型，如圖2所示，一共采用3段耦合線和2個(gè)并聯(lián)折疊階梯阻抗枝節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)電路仿真優(yōu)化得到滿足指標(biāo)要求的各部件尺寸。

按照?qǐng)D2中電路仿真確定下來(lái)的尺寸在HFSS中建立電磁仿真模型，如圖3所示。

對(duì)電磁仿真模型進(jìn)行調(diào)諧優(yōu)化，經(jīng)過(guò)多次迭代，最終得到如圖4所示中的仿真結(jié)果。

由結(jié)果可見(jiàn)，采用該方法實(shí)現(xiàn)的濾波器能夠滿足指標(biāo)要求。同時(shí)帶內(nèi)插損與波動(dòng)相比傳統(tǒng)的交指線濾波器更優(yōu)。缺點(diǎn)在于該濾波器遠(yuǎn)端抑制不足。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種利用串聯(lián)耦合線與并聯(lián)折疊階梯阻抗枝節(jié)構(gòu)造低插損高帶外抑制LTCC濾波器的方法，利用該方法設(shè)計(jì)的濾波器能夠采用低Q值的LTCC電路實(shí)現(xiàn)較低插損和較高高帶外抑制，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 《微波濾波器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)與耦合結(jié)構(gòu)》，《微波濾波器》翻譯組[M].科技情報(bào)通訊編譯室，1972.

[2] 《微波工程》，David.M.Pozar[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[3] J.S.Hong and M.J.Lancaster，Microstrip Filters for RF/Microwave Applications，2nd ed[M].New York：Wiley，2001.

[4] 《無(wú)線通信中的微波諧振器與濾波器：理論設(shè)計(jì)與應(yīng)用》，M.Makimoto，S.Yamashita[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

A LTCC BPF Structure Based on Stub-line and Coupled-line SWIEE

YANG Fei， WANG Rui

（Southwest Institute of Electronic Equipment， Chengdu Sichuan ?610000）

Abstract：Planar filters implemented in microstrip and striplines are widely used in RF and microwave systems for its compact size and easy-to-integrate. However， when high stop-band shape factor is required， commonly used method to increase the filter order not only improve the overall insertion loss， but also cause the corner insertion loss to fall abruptly， thus deteriorate the in-band ripple. In this article， a LTCC BPF structure is introduced， with high out-of-band rejection and high effective Quality factor， and is especially suitable for applications when sharp near rejection is required.

Key words：BPF; LTCC; Sharp stop-band ratio; High Q