基于LTCC的WLAN頻段濾波器設(shè)計(jì)

繩宇洲，李志偉，馬鵬飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，小型化成為射頻微波器件的發(fā)展趨勢(shì)[1]。其中在濾波器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，低溫共燒瓷技術(shù)表現(xiàn)出的低成本和高集成度等優(yōu)點(diǎn)，使其在射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[2]。本文設(shè)計(jì)借助電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation，EDA）工具設(shè)計(jì)其三維結(jié)構(gòu)，能有效完成器件設(shè)計(jì)的小型化。

射頻電路里，濾波器的作用是阻止或者選通不同頻率的信號(hào)，對(duì)濾波器的要求是帶外抑制強(qiáng)、帶內(nèi)插損小。為了滿足高帶外抑制的設(shè)計(jì)目標(biāo)，目前業(yè)內(nèi)主要有兩種設(shè)計(jì)思路。其一是增加濾波器的階數(shù)來(lái)優(yōu)化器件的矩形系數(shù)，從而更好地對(duì)帶外進(jìn)行抑制；其二是在利用濾波器內(nèi)部不同電感之間相互的耦合，得到帶外的傳輸零點(diǎn)來(lái)得到更強(qiáng)的帶外抑制[3]。增加濾波器的階數(shù)將難以實(shí)現(xiàn)小型化，并且?guī)?nèi)損耗會(huì)變大，影響指標(biāo)性能。在使用LTCC工藝設(shè)計(jì)的濾波器中，通過(guò)利用層間結(jié)構(gòu)很好地實(shí)現(xiàn)增加傳輸零點(diǎn)。

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于LTCC的WLAN頻段濾波器，其工作的中心頻率為2.45 GHz，工作通帶為200 MHz，并在帶外增加傳輸零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在EDA仿真中充分利用多階電感之間的交叉耦合作用，得到諧振在1.8 GHz處的傳輸零點(diǎn)，可以防止3G頻段強(qiáng)烈信號(hào)的干擾。此外，該濾波器尺寸為3.75 mm×8.56 mm×0.656 mm，并加工實(shí)物進(jìn)行測(cè)試。

1 LC濾波器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的LTCC濾波器指標(biāo)要求如下，中心頻率f0=2.45 GHz，帶寬為200 MHz，通帶內(nèi)插入損耗小于3 dB，在1.8 GHz處產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，可以防止3G頻段強(qiáng)烈信號(hào)的干擾。

在Designer軟件中建立如圖1所示的帶通濾波器電路原理圖，其中C1=1.63 pF，C2=8.42 pF，L1=0.55 nH。電路原理圖的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖2所示。在濾波器通帶內(nèi)，其傳輸損耗在1 dB以內(nèi)，而回波損耗低于-16 dB。

圖1 濾波器的電路圖

通過(guò)圖2的器件拓?fù)潆娐飞⑸鋮?shù)仿真結(jié)果可以看出，該電路設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求，但是其濾波器矩形系數(shù)較低。研究表明，通過(guò)在帶外制造傳輸零點(diǎn)來(lái)增大濾波器的矩形系數(shù)，可以更好地濾除帶外干擾。本文設(shè)計(jì)在電路中上添加諧振器，器件電感值較小，通過(guò)在接地板與電容C2之間添加一個(gè)感值為0.02 nH的小電感L2來(lái)產(chǎn)生1.8 GHz附近的傳出零點(diǎn)，從而更好地抑制3G頻段的信號(hào)干擾。改進(jìn)后的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 濾波器電路原理圖仿真曲線

圖3 添加傳輸零點(diǎn)后濾波器電路圖

2 LTCC三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.1 電容實(shí)現(xiàn)

由電路圖可知，濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。要求電容焊盤面積不大且容值較小，常用的MIM電容即可滿足設(shè)計(jì)要求。

將電容C1分解為兩組容值為2C的串聯(lián)電容，其中每組容值為2C的電容又由兩個(gè)容值為C1的電容并聯(lián)而成，并選取尺寸為1.4 mm×2.3 mm的金屬板實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖5為電容C2在濾波器中的位置，其由上下兩片金屬導(dǎo)體形成電容后并聯(lián)得到，金屬導(dǎo)體尺寸為2.1 mm×2.625 mm。

圖4 電感C1位置與結(jié)構(gòu)圖

圖5 電感C2位置與結(jié)構(gòu)圖

2.2 電感實(shí)現(xiàn)

同樣選用金屬結(jié)構(gòu)耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)感值較小的電感L1。如圖6所示，在三維模型中，選用一個(gè)半徑為0.075 mm的金屬過(guò)孔和寬度為0.2 mm兩片金屬組成。小感值電感L2也由0.075 mm的金屬過(guò)孔和長(zhǎng)0.29 mm、寬0.2 mm的金屬片構(gòu)成。圖7為電感L2的三維結(jié)構(gòu)位置。

圖6 電感L1位置與結(jié)構(gòu)圖

圖7 電感L2三位置與結(jié)構(gòu)圖

2.3 濾波器三維模型

WLAN頻段LTCC帶通濾波器選用鉑鈀金作為表層材料，選用銀作為陶瓷內(nèi)部層及通孔金屬材料[4]。濾波器整體3D模型如圖8所示，濾波器的輸入輸出端口分別位于表層兩端，接地層在中間，兩層陶瓷材料堆疊在金屬板下，從而使濾波器結(jié)構(gòu)達(dá)到一定的厚度，避免在使用中折斷[5]。設(shè)計(jì)完成后的器件尺寸為3.75 mm×8.56 mm×0.656 mm。

圖8 器件三維結(jié)構(gòu)圖

3 仿真與實(shí)物加工測(cè)試

使用HFSS軟件對(duì)濾波器三維模型進(jìn)行仿真，本次設(shè)計(jì)采用應(yīng)用頻帶為1～5 GHz，損耗角正切為0.001 5，相對(duì)介電常數(shù)為7.8的陶瓷材Dupont951[6]。圖9為應(yīng)用于WLAN頻段LTCC帶通濾波器的散射參數(shù)仿真結(jié)果。分析器件通帶內(nèi)性能表現(xiàn)可知：在中心頻率2.45 GHz處，其回波損耗為-31.1 dB，傳輸損耗達(dá)到0.97 dB；在2.35 GHz處，其帶回波損耗為-26.8 dB，傳輸損耗為1.2 dB；在2.55 GHz處，其帶內(nèi)衰減為1.22 dB，回波損耗為-15.4 dB；中心頻率左邊1.8 GHz處的傳輸零點(diǎn)，其帶外抑制達(dá)到-42.3 dB，可以對(duì)3G頻段信號(hào)的干擾進(jìn)行很好地抑制，滿足需要達(dá)到的性能指標(biāo)[7]。

圖9 器件散射參數(shù)仿真結(jié)果圖

圖10所示為L(zhǎng)TCC濾波器加工后成品，器件表面涂有一層鉑鈀金材料，其輸入輸出端口位于使用鉑鈀金涂層的濾波器兩端[8]。LTCC濾波器特性阻抗為50 Ω，中間的金屬地設(shè)計(jì)同樣采用鉑鈀金材料，用于接地。器件下方為兩層陶瓷材料，用來(lái)增加其厚度以滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[9]。

圖10 LTCC濾波器加工實(shí)物圖

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接加工好的LTCC濾波器進(jìn)行測(cè)試，得到加工實(shí)物測(cè)試結(jié)果[10]。現(xiàn)將HFSS仿真結(jié)果與加工實(shí)物測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可得，器件回波損耗S11仿真與實(shí)物測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖11所示，器件傳輸損耗S21仿真與實(shí)物測(cè)試對(duì)比結(jié)果圖12所示。

圖11 器件回波損耗S11仿真與實(shí)物測(cè)試對(duì)比圖

圖12 器件傳輸損耗S21仿真與實(shí)物測(cè)試對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LTCC工藝的WLAN頻段帶通濾波器，并給出了S參數(shù)仿真圖與實(shí)物測(cè)試圖，分析得知測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。現(xiàn)實(shí)中，陶瓷材料的收縮范圍特性以及LTCC加工技術(shù)的誤差會(huì)造成加工結(jié)果與現(xiàn)實(shí)有差異。而通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)物加工測(cè)試結(jié)果可以說(shuō)明本文提出的WLAN波段濾波器設(shè)計(jì)的可靠性與可行性，證明了可以利用LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。