毫米波段LTCC滤波器的小型化设计

丁 勇，刘玲玲

(1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京210094;2.中国电子科技集团第十六研究所，合肥230043)

滤波器在现代射频、微波系统中是不可缺少的元件，而随着通信系统对滤波器小型化、高性能的要求，LTCC技术应运而生［1］。平面平行耦合线微带带通滤波器采用窄边耦合，虽然容易制作，但占用面积较大［2-4］，随着LTCC工艺的日益成熟，利用LTCC技术使得耦合线向Z维度(采用宽边耦合)集成能大大减小其占用面积［5-6］，但又由于采用宽边耦合，耦合强度较大适合做宽带滤波器［7］，若设计窄带滤波器，为减小层与层之间的耦合，则不得不增加层与层之间的间距，使得Z维度较大，反而增大了滤波器的体积，而实际上LTCC的工艺可以使层间距可以做到很小。为充分利用LTCC工艺的优点，缩小Z维度上的大小是有必要的。为此，我们提出新型宽边耦合LTCC结构单元。

1 结构单元及奇偶模分析

1.1 新型宽边耦合LTCC结构单元

由此我们提出了一种使用类共面波导结构来设计的LTCC带通滤波器以减小Z方向的大小。通过在带状线两侧铺上接地板，该结构是改进型带状线结构，带状线和两侧的地也产生了电容，增加了耦合传输线和地之间的电容，同时可有效减弱电磁串扰，新型耦合传输线LTCC单元结构如下图1所示。

图1 提出的新型耦合线LTCC单元结构

1.2 奇偶模分析

耦合传输线的理论已经相当成熟，该新型耦合线LTCC单元结构的奇偶模分析可采用经典的分析方式［8］，奇模激励下电场分布和等效电容网络分别如下图2(a)、图2(b)所示。

图2 新型耦合传输线LTCC单元结构的奇模激励

C12代表带状线导体之间的电容，C11和C22分别表示两带状线和地之间的电容(包括上下地和左右地之间的电容)。

分析时假设带状线的尺寸相等，且它们相对于接地导体之间的位置是相等的，即C11=C22;并假设该结构传输TEM波，则奇偶模的相速度是相等的。对于奇模的特性阻抗是:

现考虑偶模激励，偶模激励下电场分布如图3(a)所示，等效电容网络如图3(b)所示。

图3 新型耦合传输线LTCC单元结构的偶模激励

同样假设这两个带状线导体在尺寸上和位置上

相同，则偶模的特征阻抗是:

2 单元结构具有较小的Z维度论证

2.1 理论分析

耦合传输线之间的耦合系数［9］

比较传统带状耦合传输线和该新型耦合传输线知，若它们耦合传输线尺寸一样，之间的距离也一样，则带状线导体之间的电容也即C12=C'12(带“撇”的表示传统带状耦合传输线参量)，又由于该新型耦合传输线与地之间的距离相比传统耦合带状线大大缩小，再加上和两侧地之间形成的电容，则C11=C22＞C'11=C'22，则kij＜k'ij。即同样层与层之间的距离，该新型耦合传输线耦合系数更小。考虑到对某耦合线，耦合系数越大和层与层之间的距离越小，因此，实现同样的耦合强度，新型耦合传输线使用的距离将大大缩小，即减小了Z维度上的大小。

另一方面耦合线特性阻抗［8］:

在耦合线两侧加地后，Ce不变，由于和两侧地之间的电容，Co将变大，特性阻抗Z0将变小，为保证50 Ω的特性可行的方式是减少耦合线的宽度，这样耦合线之间的容性耦合强度减小，事实上也能够减小Z方向上的大小。

2.2 HFSS仿真验证

其他条件不变下，通过增加两侧的接地面以及缩小带状线与两侧地之间的距离来减小带状线之间的耦合系数。耦合传输线之间的距离保持不变，如图4(a)，耦合系数随两侧地与带状线之间距离(有无)变化，w表示带状线和地之间的距离(其中w=0.9时表示两侧没有地)，h表示层之间的距离。

可以图4(b)看出，当h一定时，通过在带状线两侧有地时，随着带状线和地之间的距离w减小，耦合系数k大大减小，即当两侧地距带状线的距离越近，耦合系数越小，且该距离越近，减小得越快。另外，w带状线和地之间的距离一定时，当层高h增大时，耦合系数也是减小的，这与理论推导是一致的。所以为减小耦合系数k，又要不增加滤波器Z-维度上的体积，应尽量缩小两侧地距带状线的距离。

举例说明，采用传统带状线实现滤波器，即带状线两侧没有地，对应图4(b)即w=0.9 mm，若用层高h=0.25 mm实现耦合，耦合系数k=0.34;若耦合带状线两侧加地，若采用层高h=0.15 mm，则w=0.35 mm，亦可实现耦合系数k=0.34，但层高h只有0.15 mm，Z方向上的维度减少了57%，且滤波器是基于耦合矩阵的，所以滤波器性能并没有变，却大大降低了Z维度的大小，若按照现有的加工工艺，w最小可取0.1 mm，因此这个层高h还可以减少。

图4 新型耦合线LTCC单元结构

通过宽边耦合制作窄带滤波器需要较小的耦合系数，因而层高h较大，两测加地可大大减小层高h，因此该新型耦合线单元结构使用在窄带滤波器比宽带滤波器更具有明显的效果。

由于可以通过改变带状线和地之间的距离w来控制耦合系数，比原来仅能通过改变层高h和错位方式改变耦合系数k增加了设计维度，提高了设计灵活性。

但由于LTCC工艺限制，这个距离不可能无限小，根据不同的加工工艺，应尽可能小，达到最大程度减小Z方向上的电路尺寸的目的。

3 设计实例

设计了7级耦合传输线结构，中间一级四分之一波长短路线的目的是方便进行LTCC立体拓扑结构的设计，其平面拓扑结构如下图5所示。

利用电磁场仿真软件Ansoft HFSS可得到上文设计的新型耦合线带通滤波器，尺寸如下:从下到上的高度依次是h1=h6=0.09 mm，h2=h5=0.24 mm，h3=h4=0.35 mm，所有耦合线长度L=1 mm，宽度w=0.1 mm，厚度T=0.01 mm，介电常数为4.5，介质损耗角正切为0.002，带状线和两侧地之间的距离w=0.1 mm，滤波器体积仅为 4 mm×1.4 mm×0.4 mm。从图6(b)中可以清楚地看到，由于交叉耦合，新型滤波器的频率响应仿真曲线在10 GHz和53 GHz处分别出现一个传输零点，3 dB带宽1.2 GHz，插入损耗2.5 dB，且衰减可达到70 dB以上，回波损耗S11＜-15dB。由此可见，新型滤波器在减小体积的同时，也获得了较好的频率选择特性，如下图6所示。

图5 平面拓扑结构

图6 HFSS模型及仿真结果

4 结论

本文提出了一种宽边耦合LTCC结构单元，并进行了多级LTCC带状线带通滤波器的设计，仿真结果较好。新型LTCC滤波器结构单元在有效减小滤波器体积的同时，由于采用多层结构引入交叉耦合在通带两侧各产生一个传输零点，获得了更加优越的频率选择特性。新型滤波器无论在体积上、还是在性能上都优于传统滤波器。

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