具有谐波抑制特性的LTCC带通滤波器新设计

戴永胜,韩群飞,尹洪浩,左同生,谢秋月

(南京理工大学电子工程与光电技术学院,南京 210094)

1 引 言

随着移动通信、卫星通信及国防电子系统微型化的迅速发展,对微波滤波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。高性能的微型LTCC滤波器已成为该领域研究的热点和前沿[1]。由于LTCC技术具有三维立体集成优势,在微波频段被广泛用来制造各种微波无源元件,实现无源元件的高度集成。同时,LTCC技术也是实现SIP和SOP技术的重要平台之一。基于LTCC工艺的叠层技术,可以实现三维集成,从而使各种微型微波滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等诸多优点,利用其三维集成结构特点,可以更方便地实现高性能滤波器[2]。

随着无线通信系统的快速发展,频率资源日益紧张,为了抑制外部信号以及混频器、振荡器等器件产生的高次谐波,提高整机的电性能,要求滤波器具有良好的带外抑制能力。然而,传统滤波器的频率响应在离开主通带一定距离(通常是主通带中心频率的整数倍)有寄生通带,不适合于要求抑制谐波的应用场合。

本文利用LTCC工艺的结构优势,在不增加额外结构和体积的前提下,引入交叉耦合零点,通过改进交叉耦合结构,产生多个传输零点,从而达到抑制高次谐波的功能。基于上述思路,研究了具有谐波抑制性能的LTCC微型带通滤波器。

2 理论设计

2.1 原理分析

图1是四级抽头式梳状线带通滤波器的电原理图,该滤波器的实现是基于四阶耦合谐振带通滤波器的原型[3]。

图1 抽头式梳状线带通滤波器的电原理图Fig.1 The schematic circuit of the tapped combline band-pass filter

式中,i=1,2,3,4;j=2,3,4,f0为滤波器的中心频率,w为带状线的宽度,b为带状线到接地板的距离,l为带状线的长度,d为相邻两根带状线间距,μ为磁导率,ε为介电常数,f1和 f2是利用HFSS的本征模求解器设置的两个本征频率。

2.2 传输零点分析

微波电路中传输零点的形成多种多样,如微波信号通过不同的通路形成反相抵消、经过一串联谐振信号流入地、被主路并联谐振器全部反射等,在这里只分析第一种情形,即交叉耦合形成的传输零点[4-7]。

图2是交叉耦合相位示意图。第一级的信号一部分通过主路第二、第三级磁耦合到第四级,一部分信号通过交叉路电耦合传输到第四级。根据相位分析,信号通过磁耦合相移-90°,通过电耦合相移+90°,谐振频点的信号通过谐振器相移为0°,低于谐振频率的信号相移+90°,高于谐振频率的信号相移-90°,由图2计算相位:对于低于谐振频率信号,主路相位为 -90°+90°-90°+90°-90°=-90°,交叉路相位为+90°,两路信号反相抵消形成零点;然而对于高于谐振频率信号,主路相位为-90°-90°-90°-90°-90°=-90°,交叉路相位为 +90°,两路信号也反相抵消形成零点,所以此结构在通带两边各有一个零点。

图2 交叉耦合相位示意图Fig.2 The phase diagram of cross-coupling

3 三维实现

3.1 设计方法与程序

(1)利用不对称广义切比雪夫滤波器理论,根据给定技术指标,确定滤波器级数和传输零点位置,选定滤波器拓扑结构[8-9];

(2)利用带状线计算公式和HFSS的本征模求解,计算单个谐振器的尺寸,使其位于滤波器的中心频率附近;

(3)利用HFSS的本征模求解和耦合系数的双模提取方法,确定耦合系数,然后确定相邻谐振级的水平距离;

(4)分析零点产生原理,精确控制结构中各零点,达到需要的衰减。运用软件优化仿真,得到最终三维模型;

(5)利用仿真结果数据采用LTCC工艺制造出滤波器,测试并与设计的频率响应特性曲线进行比较,验证设计方法的可行性和正确性。

总之,实现带通滤波器最简单的方法是利用多个谐振器与电感或电容进行耦合,耦合元件值不能过大或过小,以免造成滤波器通带响应不好;同时在滤波器的阶数选择上,必须谨慎考虑,能以较少阶数达到想实现的带通滤波器性能,就无需再加入过多的谐振器,防止产生预期难以克服的耦合效应。这里综合考虑技术指标以及体积的限制,本文选用四阶耦合谐振器且引入Z字形交叉耦合结构,如图3所示。

图3 LTCC滤波器的内部三维结构Fig.3 The internal 3D view of the LTCC filter

3.2 基本型与改进型三维结构

图3是所设计的基本型LTCC滤波器的内部三维立体结构分层示意图[10]。该三维模型采用介电常数为9.2的陶瓷介质,其损耗角正切为0.002,包括5层金属图形,其中第一层和第五层为地,第二层为加载电容Cri层,第三层为LC层。从图3可以看出,第二和第三层可等效为由4个谐振级相互并联而成的。第四层为交叉耦合层,通过基本Z字型交叉耦合结构与第三层的第一、第四个谐振级形成交叉耦合电容C14。故该滤波器的三维结构的等效电路图如图1所示。

图4是基本型LTCC滤波器中第四层交叉耦合结构的改进前后三维示意图。这种结构仅仅是对基本Z字型中的横梁旋转了角度,却能够在第二、第三个谐振级之间产生额外的寄生电容,从而在高端寄生更多的传输零点,有效地对高次谐波进行了抑制[11]。

图4 交叉耦合结构改进前后的比较Fig.4 The comparison between before and after the improvement of the cross-coupling structure

图5是基本型LTCC滤波器中第四层交叉耦合结构的改进前后S参数的比较。从图5可以看出,改进后的交叉耦合结构能够很好地抑制高次谐波,从而在不增加体积的情况下,实现谐波抑制的功能,满足小型化的要求。

图5 该滤波器S参数改进前后的比较Fig.5 The comparison between before and after the improvement of the filter′s S-parameters

4 仿真与测试结果分析

图6是该滤波器的三维仿真曲线与实物测试曲线的比较。我们在安捷伦的矢量网络分析仪上对该LTCC滤波器的S参数做了相应的测试,从图6可以看出,测试曲线与三维仿真曲线的一致性很好。从测试结果可以看出,在通带12.4～14.4 GHz内插损均小于2 dB。低阻带从5～11 GHz的衰减都优于30 dB。尤其在8.8 GHz处,由于低端引入的传输零点的作用,衰减达到50 dB。高阻带通过改进交叉耦合结构成功地引入了多个传输零点很好地抑制了高次谐波,从16～28 GHz内的衰减均优于30 dB,而且在35GHz处优于20 dB。成品率高达93%。

图6 该滤波器的三维仿真曲线与实物测试曲线的比较Fig.6 Comparison between the 3D simulated and measured curve of the filter

整体结构搭建完成后经过相应的微调使其性能满足要求,并在相应的LTCC生产线上完成制作,生产的滤波器成品的样品照片如图7所示。这种具有谐波抑制特性的LTCC微型带通滤波器的尺寸仅为3.2 mm×1.6 mm×1.2 mm。

图7 该滤波器的实物照片Fig.7 Photograph of the manufactured filter

5 结 论

本文基于四阶耦合谐振带通滤波器原型、抽头式梳状线结构设计了一款具有谐波抑制特性的微型LTCC滤波器。与现有技术的滤波器相比,该滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等优点;在性能上,该滤波器的中心频率在Ku频段,谐波能抑制到35 GHz;在体积不增大的前提下,利用LTCC三维布线的优势,采用创新的交叉耦合结构,实现了谐波抑制功能。实际测试结果与仿真结果吻合非常好,成品率高,设计方便,可广泛应用于放大器、振荡器和混频器等微波电路中。

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