基于LTCC工艺的小型化可调频带通滤波器的设计

王尔凡，杨晓东，邢孟江

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

基于LTCC工艺的小型化可调频带通滤波器的设计

王尔凡，杨晓东，邢孟江

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

设计了一款基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的小型化带通滤波器。采用两谐振器之间的耦合效应，减小了器件的尺寸。在HFSS中建立滤波器模型并仿真，滤波器的中心频率为1.07 GHz，带宽为428 MHz，回波损耗大于22 dB，2 f0处抑制大于45 dB，整体尺寸仅为6.5 mm×4 mm×0.9 mm。在此滤波器上模拟表贴变容二极管来调节两个谐振器中的电容实现中心频率可调。结果表明，滤波器的中心频率在1.05～1.23 GHz内连续变化，在中心频率变化过程中插损始终小于1 dB，回波损耗始终大于15 dB，2f0处抑制大于45 dB。

小型化滤波器；连续可调频；变容二极管；低温共烧陶瓷；传输零点；电感

当今高性能、高稳定、低成本和小型化成为现代无线通信设备的基本要求。在无线通信系统中滤波器扮演着系统信号选择的重要角色。其性能的好坏影响整个系统运行的质量，滤波器的尺寸大小也决定着通信系统的大小和可携带性。因此小型化、高性能的滤波器成为现代通信设备的主要发展趋势。

目前，低温共烧陶瓷技术（LTCC）已经成为射频无源器件小型化、高集成度设计的一个有效手段。基于 LTCC技术的滤波器成为现代滤波器设计的主流[1]。在民用通信和军事通信中，可调滤波器得到了广泛的运用。在民用通信中，部分收发器是在较大的频段内有选择性地工作，而在传统的固定滤波器中要达到这一目的一般是多个不同频段的滤波器组合在一起，这样不仅使收发器的体积增加，也增加了其成本和功耗，这不符合现代通信系统对设备小型化、低成本的要求，用小型化的可调谐滤波器取代传统滤波器组成为现在的趋势。此外，在军事上的电子战雷达系统中，雷达系统为避免不被敌方截获、干扰，要求接收机和发射机的中心频率在任何时候能够迅速改变，当采用可调谐滤波器时，由于其中心频率能够随时改变，很难被敌方截获。因此，基于可调谐滤波器在民用通信与军事雷达系统中的重要应用，对可调谐滤波器的研究有着重要的意义与工程价值[2]。

2009年Hoppenjans等[3]提出了在LTCC工艺基础上采用新型的环形电感实现 VHF频段电调滤波器，Q值能达到 70以上并且其体积为 35 mm×20 mm×1.15 mm，2013年Inoue等[4]运用LTCC工艺制出在中心频率从1.4 GHz到2.7 GHz变化的、插入损耗小于3的可调滤波器，其面积为3.3 mm×3.8 mm，2015年Eyad等[5]基于LTCC技术，制作了调频幅度4%、插入损耗2.3 dB的可调带通滤波器，该器件体积为5 mm×5 mm×1.1 mm。在国内，本文首次提出基于LTCC技术设计一款小型化的电感耦合可调带通滤波器，仿真结果表明，滤波器的中心频率在1.05～1.23 GHz内连续变化，在中心频率变化过程中插损始终小于1 dB，回波损耗始终大于15 dB，2 fo处抑制大于45 dB，整体尺寸仅为6.5 mm×4 mm×0.9 mm。

1 设计与分析

带通滤波器的设计流程是根据低通滤波器的原型加入导纳（或阻抗）倒相器，再根据频率变换公式而来，每一级的级联方式都一样，简化了电路的结构。低通滤波器电路原型转化为带通滤波器电路的公式为：

式中：ω0为带通滤波器的中心角频率；ω1与 ω2分别是通带的高低端的截止角频率。

由于采用的 LTCC具有多层结构，原件体积比较小，分布紧凑，并且都是工作在高频的环境下，相邻谐振腔的电感就会形成电磁耦合，恶化电路结构。本文则利用此电感耦合来连接两个谐振器，缩小了滤波器的体积，达到小型化的目的。为使电路在带外产生有限传输零点，必须保证有多条传输路径，使得多路信号在某一或多个频率点幅度一致而相位相反，则选择在输入输出间加入反馈电容成为一条新的路径，在下边带引入零点增加高频区的抑制[6]，滤波器的电路结构如图1。

图1 电感耦合带通滤波器原理图Fig.1 Schematic diagrams of an inductive coupling bandpass filter

电感L1与L2耦合后的各个电感值可通过如下公式计算[7]：

式中：M为耦合系数。

采用Ansoft designer电路仿真软件得到各个元件的初始值为 C1=C3=4.62 pF，L1=L3=6.52 nH，L13=4.8 nH，C2=0.8 pF，并仿真了有无反馈电容时的电路，得到图2的仿真结果，结果表明由于反馈电容的存在增加了一个带外零点。

2 滤波器的物理结构

在LTCC工艺中采用的是多层结构，笔者采用LC集总方式在HFSS建立滤波器模型，电感选择三层螺旋电感，电容采用MIM（金属-绝缘介质-金属）电容，采用Ferro A6M 作为介质材料，相对介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，75 μm金属银作为导体，滤波器的整体尺寸为6.5 mm×4 mm×0.9 mm。滤波器的三维模型如图3所示。

图2 电路模型仿真结果Fig.2 Simulation results of circuit model

图3 带通滤波器三维结构Fig.3 Three - dimensional structure of band-pass filter

在此三维结构中电感 L1与 L3采用三层螺旋电感，为得到高 Q值，分别使用两个通孔柱 θ1和 θ2与接地金属板连接，C1与C3由两片金属板与接地层构成，反馈电容C2接在输入输出端，由两层金属板形成平板式电容。L1与L3通过电磁耦合连接，通过调节两个通孔柱θ1与θ2的距离来调节两电感之间的耦合量大小。分别用ADS和HFSS对带通滤波器电路图和三维结构仿真，得到的回波损耗（S11）与插入损耗（S21）如图4所示，可以看出此滤波器器模型基本符合要求，造成偏差的原因是由于电感电容的寄生效应，滤波器的中心频率为 1.07 GHz，带宽为 364 MHz，回波损耗大于30 dB，2fo处抑制大于45 dB。

图4 带通滤波器仿真结果图Fig.4 Diagram of bandpass filter simulation results

3 可调滤波器的模型及仿真

图5 外接变容二极管等效模型图Fig.5 Equivalent model with external variable capacitance diode

在三维模型中，将C4与C5并联在C1与C3两端，增加原来电容的容值，在初始模型中，滤波器的C1与C3为定值。调节可变电容C4与C5的大小，可改变两个谐振器电容的大小，滤波器的中心频率也会发生改变。将两电容板的面积由零逐渐增大得到在HFSS中的仿真结果如图6所示。

图6 接入变容二极管后滤波器的仿真结果图Fig.6 Diagram of the filter simulation results with external variable capacitance diodes

由图6看出，当两电容板的有效面积逐渐增大时，滤波器的中心频率逐渐减小，带内抑制逐渐减弱，在图6中最左边的曲线可以看出此时的带内插损已经大于与1 dB。用此来当做其调频的极限值，此时滤波器的中心频率为1.05 GHz，带内插损约为1 dB，带内抑制大于15 dB，带宽为346 MHz。2f0处带外抑制大于 45 dB。原始滤波器的中心频率为1.23 GHz，带宽为428 MHz，带内抑制大于22 dB，插入损耗小于1 dB，2f0处带外抑制大于45 dB。

此仿真结果表明，由于电感电容的寄生效应，可调滤波器的起始频率发生偏移，由1.07 GHz变化成1.23 GHz。当随着变容二极管的容值逐渐增大时，滤波器的中心频率发生改变，直到中心频率变化至1.05 GHz，将此时的C4与C5电容值当成变容二极管的最大容值，结合实际情况，当外接变容二极管由最大容值逐渐变化至零时，滤波器的中心频率能实现由 1.05～1.23 GHz的连续变化，变化范围为 180 MHz，带宽由363 MHz增大到428 MHz，插入损耗始终小于1 dB，带内抑制由15 dB增加到22 dB，其2f0处带外抑制始终大于45 dB。

4 结论

基于 LTCC技术设计了一款二阶电感耦合的小型化带通滤波器，滤波器的中心频率为1.07 GHz，带宽为428 MHz，带内抑制大于22 dB，插入损耗小于1 dB，2f0处带外抑制大于45 dB。以此滤波器为原型，提出了外接变容二极管的可调带通滤波器模型，实现了带通滤波器中心频率1.05～1.23 GHz的连续可调。通过一个二阶电感耦合小型化带通滤波器，验证了基于 LTCC技术在滤波器上表贴变容二极管实现中心频率可调的方法。

[1] 郭绪跃, 邢孟江, 王维, 等. 具有两个传输零点的六级SIR耦合谐振带通滤波器 [J]. 电子元件与材料, 2016,35(7): 64-67.

[2] 窦艳. 微带可调滤波器的研究与设计 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[3] HOPPENJANS E E, CHAPPELL W J. The use of high Q toroid inductors for LTCC integrated tunable VHF filters[C]//IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. NY, USA: IEEE, 2009: 905-908.

[4] INOUE H, MI X Y. A novel tunable filter enabling both center frequency and bandwidth tunability [C]//2012 42nd European Microwave Conference. NY, USA: IEEE, 2012:269-272.

[5] EYAD A, FARHAN A G, ATIF S, et al. Tunable bandpass filter based on partially magnetized ferrite LTCC with embedded windings for SoP applications [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2015, 25(1): 16-18.

[6] 刘毅, 戴永胜. LTCC双频带通滤波器小型化设计与研究[J]. 电子元件与材料, 2016, 35(6): 85-87.

[7] YEUNG L K, WU K L. A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2003, 51: 337-341.

[8] M M 拉德马内斯. Radio frequency and microwave electronics illustrated [M]. 顾继慧, 李鸣, 译. 北京: 科学出版社, 2006: 509-511.

[9] 黄晓国. 电可调射频滤波器件研究 [D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

（编辑：陈渝生）

Design of miniaturized tunable band-pass filter based on LTCC process

WANG Erfan, YANG Xiaodong, XING Mengjiang
(Faculty of Infrmation Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500,China)

A miniaturized two-order inductive coupling band-pass filter was designed based on low temperature co-firing ceramic (LTCC) technology, through the coupling inductance between the two resonators, which were connected to achieve the purpose of miniaturization. The filter model was established and simulated by HFSS. The center frequency of the filter is 1.07 GHz, the bandwidth is 428 MHz, the return loss is more than 22 dB, the attenuation at the 2 f0is greater than 45 dB, and the overall size is 6.5 mm×4 mm×0.9 mm. To simulate the surface paste varactor diode to adjust the capacitance of two resonators, the center frequency of the filter is adjustable. The results show that the center frequency of the filter is continuously changed from 1.05 GHz to 1.23 GHz. The insertion loss is always less than 1dB during the change of the center frequency, the return loss is always greater than 15 dB, and the suppression at the 2f0is greater than 45 dB.

miniaturized filter; continuous tunable frequency; variable capacitance diode; LTCC; transmission zero pole; inductance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.014

TN713

A

1001-2028（2017）07-0071-04

2017-04-17

邢孟江

云南省人才基金项目资助（No. KKSY201403006）；国家自然科学基金项目资助（No. 61564005）

王尔凡（1994－），男，四川巴中人，研究生，主要研究方向为无源器件的研究与设计，E-mall: 609115591@qq.com 。

时间：2017-06-29 10:24

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.014.html