低損耗高抑制LTCC雙工器設計與實現

賈冀洲，葉 強

(中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著全球信息化進程的不斷加快，通訊行業迎來了迅猛的發展。通訊行業的高速發展及市場需求的日益加劇，對通訊設備提出了更高的要求。通訊設備的高性能，高集成度，高可靠性及低成本已成為其未來發展的必然趨勢。

雙工器作為無線信號通訊系統的核心器件，能夠實現對兩個異頻信號的合路或對單個寬頻信號的兩路頻段分割[1]，是通信系統接收端與發射端同時運作的關鍵器件。插入損耗與隔離度是衡量雙工器性能的關鍵指標，為防止相鄰頻段的干擾以及實現信號的高保真傳輸，雙工器需具備較高的隔離度及較低的插入損耗。因此，低損耗高抑制的雙工器有廣泛的市場及設備需求。

低溫共燒陶瓷(LTCC)技術自20世紀80年代提出以來，在微波無源器件的設計制作上得到了廣泛的應用。與傳統薄膜技術相比，LTCC技術的多層結構使模塊的集成度更高，尺寸更小；用金、銀、銅等高電導率材料作為印刷電路漿料，以降低模塊功率損耗。LTCC技術因具有高品質因數(Q)值，高可靠性等特點，已大量應用于小型化電子設備的制作[2-3]。

本文針對現有雙工器在L波段的產品較少，大部分雙工器的兩頻段間隔較大，兩較近頻段的信號的隔離度較低，插入損耗高等問題，設計并制作了一款低損耗高抑制雙工器。其在低端(0.95～1.35 GHz)時插入損耗小于2.5 dB，在高端(1.65～2.15 GHz)時插入損耗小于2.5 dB，且在1.65～2.15 GHz與0.95～1.35 GHz時抑制大于23 dB，彌補了現有雙工器設計的不足。

全文分2個部分對雙工器進行設計,即

1) 基于傳輸零點產生原理，采用模塊化設計，借助ADS電磁仿真軟件分別設計構成雙工器的低、高通濾波器。

2) 對所設計的兩個濾波器采用并聯方式進行結合，組成雙工器。通過ADS電磁仿真軟件對電路中的電容、電感值進行調整，得到最優電路，并在三維仿真軟件HFSS中進行三維模型搭建，優化后設計出所要求的低損耗高抑制的雙工器。最后基于LTCC工藝加工制成雙工器實物，對其性能進行測試。

1 分支濾波器設計與仿真

該雙工器由集總元件低、高通濾波器組成，雙工器原理圖如圖1所示。為得到所要求的抑制及更好的隔離度，在兩個濾波器中采用引入傳輸零點的辦法提高抑制效果。

圖1 雙工器工作原理圖

1.1 傳輸零點產生原理

由于所設計的濾波器對抑制與插入損耗要求較高，故采用增加濾波器級數或引入帶外零點的方法來提高濾波器的阻帶抑制效果及隔離度[4]。采用增加濾波器級數的方法雖然會使衰減改善，但隨著濾波器級數的增加，濾波器電路中的電容與電感數目也會相應增加，各元件間產生的寄生與耦合現象加劇，不利于信號的傳輸與器件的小型化。故本文采用引入傳輸零點法來增加雙工器的抑制與減小插入損耗。

在LC濾波器設計中通常在原型電路添加由電感和電容構成的串、并聯諧振來引入傳輸零點。圖2(a)、(c)為產生傳輸零點的兩種方式。圖中，Lp、Cp分別為并聯諧振電感和電容，Ls、Cs分別為串聯諧振電感和電容。

圖2 零點形成的兩種諧振方式

圖2(a)為Cp與Lp通過并聯方式構成并聯諧振，串聯到原電路中。圖2(c)為Cs與Ls通過串聯方式構成串聯諧振，并聯到原電路中，一端通常與地相接[5-9]。其阻抗與導納分別為

(1)

(2)

式中：ω為頻率；jB(ω)為阻抗；jX(ω)為導納。

若令jX(ω)=0時，則諧振頻率

(3)

由式(3)可知，當到達f時該諧振形成開路(見圖2(b))，阻隔信號傳輸。同理，若令jB(ω)=0時，則有

(4)

由式(4)可知，到達該f時諧振形成短路(見圖2(d))，阻隔信號傳輸。

1.2 分支濾波器設計

設計的低通濾波器通帶為0.95～1.35 GHz，且在1.65～2.15 GHz時，阻帶抑制大于23 dB，因此，采用六階集總元件切比雪夫型低通濾波器進行設計。由于其在1.65～2.15 GHz的抑制要求較高，故選擇在電感支路并聯電容構成并聯諧振的方式引入傳輸零點。

根據傳輸零點產生的原理，在低通濾波器的電感L2處并聯電容C12，在電感L3處并聯電容C23，構成兩個并聯諧振，得到帶雙傳輸零點的低通濾波器原理圖如圖3所示。

圖3 雙傳輸零點低通濾波器原理圖

由式(3)、(4)及ADS仿真軟件優化后得到構成兩個并聯諧振的電容、電感值分別為：L2=3.9 nH，C12=2.3 pF，L3=5.26 nH，C23=0.72 pF。圖4為引入傳輸零點前后S參數仿真曲線對比圖。

圖4 引入傳輸零點前后低通濾波器S參數對比圖

由圖4可知，引入傳輸零點后濾波器的阻帶衰減有明顯提高，增強了抑制效果，所設計的濾波器邊帶衰減較一般濾波器更陡峭，滿足設計要求。

同低通分支濾波器設計方法類似，針對高通分支濾波器，采用構造串聯諧振的方式引入傳輸零點，通過電容C4與電感L1，C5與L2，C6與L3構成3個串聯諧振。所設計的帶三零點高通濾波器原理圖如圖5所示。

圖5 帶三零點高通濾波器原理圖

圖6為經過ADS電磁仿真軟件優化后得到的S參數仿真曲線。所設計的高通濾波器在1.65～2.15 GHz時，其插入損耗低于2.5 dB，且在0.95～1.35 GHz時，阻帶抑制大于23 dB，滿足設計要求。

圖6 高通濾波器S參數仿真曲線

2 LTCC雙工器整體設計

第1.2節已設計出了滿足抑制及插入損耗要求的低、高通分支濾波器，將分支濾波器并聯后組成的雙工器電路圖如圖7所示。

圖7 雙工器原理圖

由于雙工器兩通道間的相互影響，單純地將濾波器通過并聯方式進行連接并不能得到所要求的頻率特性，因而需要對雙工器電路進行整體微調，以滿足設計要求。通過增大L1以減小高頻信號對低通分支濾波器的影響，調整C4以加強其對低頻信號的抑制能力，提高隔離度。調整構成串、并聯諧振的電容與電感值來改變雙工器傳輸零點位置，以滿足阻帶抑制與插入損耗的設計要求[10-11]。

經電磁仿真軟件ADS進行優化，調整電子元件值，得到優化后的各個元件值為:L1=8.7 nH，L2=3.9 nH，L3=5.1 nH，L4=5.8 nH，L5=4.3 nH，L6=5.2 nH，C10=4.2 pF，C20=4.2 pF，C30=2.3 pF，C4=2.4 pF，C5=2.4 pF，C6=2.3 pF，C7=2.25 pF，C8=2.99 pF，C9=4.36 pF。仿真結果如圖8所示。由圖可知，所設計的雙工器各項性能均優于設計要求，并留出一定余量。其目的是在三維結構的設計過程中由于寄生的因素，設計結果低于預期，因此，在理想的電路設計中需要達到更好的性能。

圖8 雙工器在公共端口上的仿真結果

按照圖7所建立的等效電路，在三維仿真軟件HFSS中進行模型搭建。電感采用多層螺旋型，電容采用垂直交叉型。采用HFSS軟件建模得到的雙工器三維模型如圖9所示。

圖9 HFSS中雙工器仿真模型圖

由圖9可知，在高通濾波器中各個電感通過通孔的形式與電容連接構成串聯諧振。諧振的電容則采用VIC型，其目的是在較小的空間得到盡可能大的電感、電容值，以實現元件小型化的需求。C5與C6則與諧振電容C8、C9共用極板，這樣能減少多余的傳輸線，避免不必要的耦合與寄生現象產生。優化后的物理模型電磁仿真結果如圖10所示。

圖10 雙工器三維物理模型仿真結果

對比圖10與圖8可知，三維模型的仿真結果與其等效電路在ADS中的仿真結果很接近，滿足設計要求且有較高的隔離度。

3 LTCC雙工器加工與測試

根據圖9雙工器三維模型結構，將LTCC粉制成厚度精密的生瓷帶，利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出每層所需的電路圖形，然后利用等靜電壓機器將生瓷帶按模型電路疊壓在一起，隨后按模型對應尺寸進行切割。切割完的器件在900 ℃下燒結，再利用含鈀銀漿進行外電極端印，完成所設計的雙工器制作。加工完成后的雙工器如圖11所示。雙工器被包裹在介電常數為9.8的陶瓷體里，整體尺寸為2.5 mm×3.2 mm×1.2 mm。

圖11 雙工器成品圖

通過安捷倫5071C網絡測試儀測試后得到雙工器仿真與實測結果對比圖如圖12所示。從圖中可看出，實測結果與仿真結果較接近，在0.95～1.35 GHz間，插入損耗低于2.5 dB，阻帶抑制大于23 dB；在1.65～2.15 GHz間，插入損耗低于2.5 dB，阻帶抑制大于23 dB。根據實物與測試結果的對比，該雙工器滿足設計要求，且具有低損耗、高抑制的特點。

圖12 雙工器仿真與實測對比圖

4 結束語

本文利用LTCC技術設計了一款低損耗高性能雙工器。該雙工器能夠對L波段兩接近頻段(0.95～1.35 GHz和1.65～2.15 GHz)的信號有較高的隔離度，且插入損耗較低，彌補了現有雙工器頻段間隔較大，隔離度低等問題。該雙工器采用低通濾波器與高通濾波器相結合的復合結構，兩種濾波器均由集總參數形式的電容與電感組成。結果表明，在低、高通濾波器支路分別引入并聯諧振與串聯諧振，增加傳輸零點，可以提高濾波器的抑制效果及增加濾波器間的隔離度，以降低通帶的插入損耗。兩濾波器通過并聯方式進行連接，由于兩通道間的相互影響，需要對整體雙工器電路進行微調，以滿足設計要求。通過三維模型的建模，以共用極板的形式實現諧振電路與主電路電容間的耦合，減少了內埋極板的數目，避免了多余的耦合與寄生現象，實現了器件的小型化。實際生產的雙工器的測試結果與電路原型及物理模型仿真結果相符，在通帶內有較低的插入損耗和較高的阻帶抑制。