一種緊湊的LTCC交指帶通濾波器的設(shè)計

1 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，對帶通濾波器（BPF）的要求不僅局限在低的插入損耗和高的帶外抑制上，并且要求其具有小的體積和輕的重量。有很多途徑可以實現(xiàn)濾波器小型化，LTCC技術(shù)就是其中一種很有吸引力的方法。LTCC技術(shù)是一種多層陶瓷共燒技術(shù)，它允許將無源器件植入層間，而將有源器件裱貼在表面層，充分利用空間優(yōu)勢，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、集成化。

交指帶通濾波器因為其緊湊的結(jié)構(gòu)而廣泛應(yīng)用在微波頻段，其單元諧振器的長度一般約為。目前大多數(shù)可行的LTCC濾波器都是利用增強(qiáng)單層諧振單元間的耦合來設(shè)計的。但是在整個濾波器尺寸中，單層諧振器的尺寸仍然是對濾波器小型化的一個主要限制。本文介紹了一種緊湊的LTCC交指帶通濾波器的設(shè)計。通過在LTCC兩層帶線諧振器間引入強(qiáng)的電容耦合，單元諧振器的長度減小到，從而使整個濾波器尺寸明顯減小。利用高頻仿真軟件HFSS仿真設(shè)計，該濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬25.2%，帶內(nèi)插損小于0.6dB,回波損耗大于20dB，具用良好的帶外抑制。濾波器整體尺寸非常小，僅為12 mm×9 mm×1.32mm 。

2 諧振器結(jié)構(gòu)

圖1顯示的是本文所設(shè)計的濾波器中的雙層耦合帶線諧振器結(jié)構(gòu)。主要思路是在內(nèi)部諧振器間引入強(qiáng)的容性加載效應(yīng)來減小諧振器的長度。諧振器結(jié)構(gòu)包括兩條耦合帶線，如圖1（a）所示。兩條帶線均是一端通過金屬化通孔接地短路，而另一端開路。由于容性耦合效應(yīng)，在設(shè)計的頻率上，諧振器的總長度lr將遠(yuǎn)小于/4。lr主要受以下3個因素影響：

1）兩條帶線的寬度ws；

2）帶線耦合（重疊）長度lc；

3)帶線間的垂直距離ds。

利用這3個因素選擇合適的尺寸，可以使諧振器的長度在設(shè)計的頻率上小于/8。

兩條帶線間的垂直距離ds必須是LTCC工藝中單層陶瓷厚度的整數(shù)倍。通常，為了得到到最強(qiáng)的耦合，進(jìn)而使得尺寸盡量小，ds取最小值，即單層陶瓷厚度0.094mm。

圖1 雙層耦合帶線諧振器結(jié)構(gòu)

(a) 三維圖形 (b)截面圖 (c) 側(cè)視圖

3 濾波器設(shè)計

本文設(shè)計的LTCC雙層帶線電容耦合交指濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬為25.2%，要求在高于2GHz和低于1GHz的阻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)大于40dB的阻帶抑制。采用六階切比雪夫低通原型設(shè)計可以滿足指標(biāo)，通過對應(yīng)的低通濾波器原型得到輸入/輸出的外部品質(zhì)因數(shù)Qe和內(nèi)部耦合系數(shù)K分別為：

Qein=Qeout=3.1，K12=K56=0.24,

K23=K45=0.17, K34=0.16

首先選取雙層帶線諧振單元。通過仿真確定每個雙層諧振單元的尺寸和位置，使其諧振頻率為1.51GHz。本文采用FerroA6介質(zhì)基片，介電常數(shù)為5.7，每層厚度為0.094mm，共12層介質(zhì)。通過3D電磁場仿真軟件HFSS仿真，初步選取諧振單元帶線線寬ws=0.5mm,長度ls=9.35mm,厚度t=0.01mm。兩層帶線垂直距離ds=0.094mm，分別位于LTCC介質(zhì)第5層和第6層。

然后建立如圖2所示的模型來計算相鄰帶線諧振單元間的耦合系數(shù)k。內(nèi)部耦合系數(shù)k由等式（1）得到：

（1）

其中f₁、f₂為由于相鄰帶線諧振器間相互作用而產(chǎn)生的兩個相鄰特征諧振頻率。圖3的曲線顯示了耦合系數(shù)k與兩諧振單元之間的間距s的關(guān)系。由仿真曲線可以得到s初值：

s12=s56=0.2mm

s23=s45=0.31mm,

s34=0.33mm

圖2 確定耦合系數(shù)的仿真結(jié)構(gòu)

圖3 耦合系數(shù)k與間距s的關(guān)系

外部品質(zhì)因數(shù)Qe的計算是通過等式（2）得到

（2）

其中為諧振角頻率，為對應(yīng)諧振頻率下的群時延。圖4是確定外部品質(zhì)因數(shù)Qe的仿真模型。圖5給出了外部品質(zhì)因數(shù)隨輸入/輸出抽頭位置變化的曲線。由該曲線可確定抽頭的位置offset=7.07mm。

圖4 確定外部品質(zhì)因數(shù)Qe的仿真結(jié)構(gòu)

圖5 外部品質(zhì)因數(shù)Qe隨抽頭位置變化的曲線

圖6 LTCC交指濾波器仿真模型

圖7 LTCC交指濾波器仿真曲線

圖6為LTCC交指濾波器HFSS仿真模型。通過仿真優(yōu)化，圖7給出了最優(yōu)的仿真曲線結(jié)果。由圖7可以看到，該濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬25.2%，帶內(nèi)插損小于0.6dB,回波損耗大于20dB，具用良好的帶外抑制，完全滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文通過利用LTCC雙層帶線諧振單元間的強(qiáng)容性耦合實現(xiàn)了LTCC交指濾波器的緊湊設(shè)計。與傳統(tǒng)的一層帶線/微帶線交指濾波器相比，該濾波器更為緊湊，其諧振單元長度小于，整體尺寸（12 mm×9 mm×1.32mm）得到了顯著的縮小。該濾波器非常適用于高性能、小型化的無線通信系統(tǒng)。