L波段LTCC高抑制宽阻带低通滤波器

刘巍巍，江肖力，梁 栋，韩 威，贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

L波段LTCC高抑制宽阻带低通滤波器

刘巍巍，江肖力，梁 栋，韩 威，贾世旺

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对微波变频模块小型化需求，基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术，设计了一款高抑制度宽阻带的L频段低通滤波器。为增加滤波器高端的抑制度，以椭圆函数为原型，采用简化原理图中各元件值的方法并合理的设计元件外形和布局方式，有效利用结构内部的电磁耦合作用，使高端频段达到较高抑制度。实际加工制成的滤波器在3.4 GHz、5.65 GHz和8 GHz处阻带抑制分别达到了41 dB、59 dB和45 dB。在电路中利用该滤波器可有效地防止其他频段的信号干扰，增强电路的抗干扰能力。

集总元件；低通滤波器；宽阻带；基于低温共烧陶瓷技术

Abstract Based on Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC)technology,a high suppression wide band low-pass filter of L band is designed and fabricated,for the miniaturization demand of microwave conversion module.Such LPF with high stop-band suppression within a wide frequency range is obtained by using the elliptic function theory,simplifying the circuit element values,optimizing the multilayer circuit layouts,and utilizing the EM coupling effects in the LTCC structures.The filter is made and tested.The results show that the measured stop-band suppression is 41 dB,59 dB and 45 dB respectively at frequency of 3.4 GHz,5.65 GHz and 8 GHz.The designed LPF can provide improved stop-band suppression performance and effectively prevent the signal crosstalk in high frequency and with band applications.

Key words lumped-element;low-pass filter;wide stop-band;Low Temperature Co-fired Ceramic(LTCC) technology

0 引言

微波滤波器是微波无源元件的重要成员之一，在当前迅猛发展的微波毫米波技术中扮演着至关重要的角色，在微波系统中主要用来分开或组合不同频率信号。在雷达系统、卫星通信、微波中继通信、电子对抗及微波测量仪表中滤波器有着极其广泛的应用，滤波器性能的好坏直接决定了整个通信系统的质量。

现在很多文献描述了如何将滤波器小型化，如发夹谐振单元[1]、折叠带状线谐振单元[2]和螺旋谐振单元[3]等，这些理论和方法将谐振单元尺寸大大减小为原来的1/4波长，甚至减小到1/8波长[4]。但是在L波段中应用这些理论和方法不能有效减小谐振单元尺寸。利用三维结构中LTCC技术的优势，采用堆栈方式在Z方向上实现集总电容电感[5]，这样可以有效地减少微波滤波器的体积并且提高了LC滤波器的集成度、可靠性等[6-8]。小型化的LTCC LC滤波器[9-10]推动了民用、军用方面的电子产品朝着高可靠、微型化、高性能以及低成本的方向快速发展。

本文基于LTCC技术设计了一款体积较小、高端频率抑制度较高的低通滤波器[11-12]。理论具有零点的低通滤波器为最初原型，通过结构的合理变换获得高带外抑制度和宽阻带的滤波器，其体积仅为3.3 mm×2.2 mm×1.0 mm。

1 滤波器设计

所有元件选用介电常数为7.8、损耗角正切值为0.006的美国Dupont公司的Dupont951系列为LTCC原材料。

1.1 椭圆函数低通滤波器电路原型

选用椭圆函数滤波器结构，采用集总电感和电容元件构成LPF，设计9阶的低通滤波器，具体设计指标：截止频率Fr=2 200 MHz；带内回波损耗：≥15 dB；插入损耗：≤1.5 dB；带外3 400～8 000 MHz抑制≥35 dB。通过查低通滤波器中椭圆函数元件数值表可以得到各元件的初始g值，然后经过特征阻抗和截止频率2种变换[12]，得电感值为：

L1=2.335 nH,L2=4.332 nH,L3=3.465 nH,

L4=3.655 nH,L5=1.616 nH,L6=0.3186 nH,

L7=1.827 nH,L8=2.483 nH,L9=1.265 nH。

电容值为：

C1=1.662 pF,C2=1.305 pF,

C3=1.115 pF,C4=1.242 pF。

在Ansoft DESIGNER软件中建立相应的仿真电路，如图1所示。

图1 Ansoft Designer仿真电路

1.2 元件模型建立

1.2.1 三维电感模型

LTCC电感一般分为平面式、螺旋式以及位移式。3种结构中，在相同电感值的前提下，螺旋式具有较高的自谐振频率(SRF)和品质因数(Q)。由于螺旋式可以充分利用三维空间优势，因此具有更小的体积。本文中所采用的LTCC电感结构，如图2所示，为螺旋结构。

LTCC电感的有效电感值由散射参数[13]可表示为：

(1)

式中，Leff为电感有效值；f为自谐振频率；Y11为电感导纳值。电感值是2.723 nH HFSS三维电感模型如图2所示，电感中导体线宽为0.15 mm，在X轴方向尺寸为1.0 mm，在Y轴方向尺寸为0.5 mm，通过垂直通孔将不同层之间进行连接。为减小传输线的不连续性，通孔采用的直径与印刷导体的线宽基本相等。HFSS仿真得到有效电感值如图3所示。

图2 LTCC电感三维模型

图3 LTCC电感仿真的有效电感值

1.2.2 三维电容模型

L频段滤波器中电容值一般都较大，为充分利用LTCC三维空间优势，减小电容尺寸，本文滤波器的电容采用垂直插指型(VIC)结构。该结构较传统的MIM结构，有端电极面积小、电容量高等优点。电容的有效电容值由散射参数[14-15]表示为：

(2)

式中，Ceff为电容有效值；f为自谐振频率；Z11为电容阻抗值。图4中VIC为5层电容结构，电容尺寸为1.2 mm×0.6 mm，如图5所示电容的仿真结果，在1 GHz时有效电容值为1.249 pF。

图4 LTCC电容三维模型

图5 LTCC电容仿真的有效电容值

2 构建滤波器三维结构和电磁场仿真优化

根据电感和电容的模型，然后对滤波器中所有元器件进行三维建模并进行仿真优化。从电路原理图1中可以看出，一共有9个电感和4个电容，且电感和电容值都不同。13个变量给建立模型和优化过程带来很大难度。为便于建模和优化，本文采用对称的电路结构，以原理图6中3.083 nH为中心，两侧相同位置元件设为同一值，应用模型的对称性使得13个变量变为7个变量，有效地减少元件变量。原理图中变量减少，可以更方便地进行LTCC集成。最终变换后的电路原型如图6所示。结合电感电容模型和优化后的滤波器原理图，对LTCC低通滤波器进行三维建模。通过对电感电容在空间上灵活布局的仿真结果进行分析，对模型进行不断优化、调整，得到最优的仿真结果以及最终的滤波器模型。L频段低通滤波器在HFSS中的三维模型如图7所示，该低通滤波器仿真结果图如图8所示。

图6 最终L频段带通滤波器电路

图7 L频段低通滤波器三维模型

图8 L频段低通滤波器仿真结果

3 滤波器结果测试及分析

LTCC的生产过程极为复杂，主要有打孔、填孔、导体印刷、层压、热切、烧结、划片和后烧等多道工序。经过这些工序后，就完成了LTCC滤波器得生产加工，最终产品尺寸仅3.3 mm×2.2 mm×1.0 mm，L频段LTCC滤波器实物如图9所示。测试结果如图10所示，宽阻带滤波器的仿真结果与实际产品测试结果进行比较，两者数据大致吻合，特别在0～8 GHz频段内吻合得较好，而在8 GHz以上差别稍大。主要是由于高频条件下，元器件之间耦合作用增强并且分布参数效应增强所致。滤波器通带内的差损和回波损耗都满足指标要求，但是由于LTCC多层之间的耦合作用使得在3.4～6.5 GHz之间有2处凸起点，对阻带的性能产生一定影响。从整体测试数据可以看出，带内损耗小于1.2 dB，驻波比小于1.5，带外3.4 GHz、5.65 GHz和8 GHz抑制都达到39 dB以上，完全满足指标。

图9 L频段滤波器实物

图10 测试结果

4 结束语

主要介绍了一种多阶复杂的低通滤波器的设计及实现方法，该方法利用对称的思想，可以简化滤波器结构，降低仿真难度；同时，可以看出在实现滤波器小型化方面，LTCC技术具有很强的优势。从最终生产的产品测试结果可以看出，仿真与实测结果有很好的一致性。本文的设计方法可以为滤波器设计提供一种新的思路。

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An L Band Low-pass Filter with High Stop-band Suppression Based on LTCC Technology

LIU Wei-wei,JIANG Xiao-li,LIANG Dong,HAN Wei,JIA Shi-wang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.08.12

刘巍巍，江肖力，梁栋，等.L波段LTCC高抑制宽阻带低通滤波器[J].无线电工程,2017,47(8):48-51.[LIU Weiwei,JIANG Xiaoli,LIANG Dong,et al.An L Band Low-pass Filter with High Stop-band Suppression Based on LTCC Technology[J].Radio Engineering,2017,47(8):48-51.]

2016-11-16

国家自然科学基金资助项目(61404119)。

TP911

A

1003-3106(2017)08-0048-04

刘巍巍 男，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波射频电路与器件。

江肖力 男，(1964—)，研究员。主要研究方向：微波射频技术。