具有两个传输零点的高温陶瓷梳型带状线滤波器

朱彦源，陆清源，秦 伟，陈建新

(1.南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226019；2.南通大学 杏林学院，江苏 南通 226000)

具有两个传输零点的高温陶瓷梳型带状线滤波器

朱彦源1，陆清源2，秦 伟1，陈建新1

(1.南通大学 电子信息学院，江苏 南通 226019；2.南通大学 杏林学院，江苏 南通 226000)

提出一种具有2个传输零点的高温陶瓷梳型带状线滤波器。该设计的新颖性在于提出了矩形金属化孔代替传统矩形杆状的带状线结构。在利用这种结构设计的四分之一波长谐振器中，通过增加其矩形金属化孔的厚度,能够有效地增强其无载品质因数,从而降低滤波器的插入损耗。研究发现，矩形金属化孔结构设计的滤波器相比传统带状线结构具有较低的差损。同时滤波器的高阻带能够产生2个零点，增加阻带抑制和通带选择性。为了验证所提出的结构，设计了一款二阶滤波器，其测试与仿真结果较吻合。测试结果表明，滤波器具有低插损和小尺寸的特点。

带通滤波器；矩形金属化孔；带状线；无载品质因数；高温陶瓷；传输零点

0 引 言

随着无线通信的发展，无线通信设备的小型化技术在不断地进步，为了适应现代无线通信对于滤波器越来越高的要求，小型化的滤波器，尤其是小型化带通滤波器(bandpass filter，BPF)成为了无线通信系统中必不可少的选频元件[1-2]。目前，已经有许多小型化的BPF生产工艺被开发和研究。最近，由于一种低温共烧陶瓷技术(low temperature co-fired ceramic ，LTCC)具有良好的三维多层结构，因此，广泛地被运用在小型化滤波器之中。但是，由于工艺的限制，利用LTCC技术设计的谐振器普遍存在自身无载品质因数Q值低的问题，从而导致相应滤波器的插入损耗较大[3-4]。使用一种高介电常数的高温共烧陶瓷(high temperature ceramic ，HTC)技术是另外一种有效减少电路尺寸的方法[5]。因为HTC材料的损耗角仅有LTCC材料的1/5，所以，较LTCC谐振器相比，设计的HTC谐振器能够得到更高的Q值[6]。同时，HTC还能通过改变内部结构进一步提高谐振器的Q值。但是，相较于LTCC技术，由于HTC技术不能对多个金属层进行共烧，导致了其生产的滤波器存在设计灵活度不高的问题。另外，为了提高性能，增强BPF的选择性，增加谐振器的数量已经在早期HTC BPF中被广泛使用，这种方式会不可避免地增加设计电路的尺寸。针对这个问题，可以通过在特定频率引入传输零点(transmission zero，TZ)来满足所需的阻带抑制，以提高BPF的选择性。

本文提出了一种二阶梳型带状线HTC BPF。通过在高阻带产生2个TZ 来显著改善BPF的通带选择性。其测试结果与仿真一致。测试结果表明，该滤波器结构简单，具有低插损、小尺寸和高选择性的特点。

1 HTC谐振器设计

随着高介电常数材料在小型化滤波器中应用的不断发展和进步，越来越多结构复杂的滤波器被设计，然而其中大多数滤波器往往是以增大损耗为代价来换取某些方面的性能的。本文中设计的四分之一波长HTC矩形金属化孔谐振器具有结构简单、Q值高和良好的性能等优点，在实际生产和应用中具有很大的优势，其结构如图1所示。

这种谐振器主要由3个介质材料层组成。顶层和底层使用的都是介电常数为38，损耗角为0.000 1的HTC材料。中间使用厚度为0.1 mm的介质胶将上下2个HTC介质层连接在一起。由图1可见，顶部介质层刻有一个狭窄的槽线，其与中间的胶水层相连接，形成了一个矩形空孔。考虑到趋肤效应的存在，在这个矩形空孔的周围涂上厚度为0.01 mm的银，构成了一个HTC矩形金属化孔谐振器以替代传统的矩形杆带状线的结构[7]，而对于这种HTC谐振器的分析也与传统的矩形杆带状线完全一致。图2为四分之一波长HTC谐振器的等效模型，其中，输入导纳Yin可以表示为

(1)

(1)式中：Z0和l分别为HTC带状线谐振器的特性阻抗和物理长度；β为传播常数。当Yin=0时，满足谐振条件。另外，谐振器是由高介电常数的材料组成的，因此，谐振器的物理长度得到明显的缩短(对应于谐振器工作频率的四分之一波长)。同时，这种谐振器结构可以通过增加矩形金属化孔的厚度T来提高无载Q值，如图3所示。其中，B=2 mm,W1=0.8 mm,W=3 mm,L=7.2 mm。

图1 HTC四分之一波长谐振器结构图Fig.1 Structure of the HTC quarter-wavelength resonator

图2 HTC四分之一波长谐振器等效模型Fig.2 Equivalent model of the HTC quarter-wavelength resonator

图3 无载Q值与厚度T之间的关系Fig.3 Extract unloaded-Q versus the thickness T of the rectangular-bar stripline

2 HTC滤波器设计

基于上述分析的矩形金属化孔的谐振器结构，本文旨在设计一款二阶HTC BPF，其中心频率为1.6 GHz，目标插入损耗小于0.5 dB，相对带宽为10.5%。基于上述条件，本文设计了一款在高端具有2个传输零点的滤波器，其结构如图4所示。图4b中的馈线是一层与胶水层(图1)一体成型的银，通过它实现了谐振器与端口1或2的直接馈电。通过提取2个谐振器之间的耦合系数和外部品质因数Qe的传统方法对滤波器进行了进一步的分析。2个谐振器平行耦合的梳状结构中存在电磁的混合耦合。因此，耦合系数k可以表示为[8]

(2)

(2)式中，ke和km分别表示电容耦合和电感耦合。

显然，通过改变谐振器之间的耦合距离S可以控制耦合系数k，在这种结构的HTC滤波器中电容耦合ke占主导，而电感耦合km表现为交叉耦合，即k<0。因此，在高阻带可以得到一个额外的传输零点TZ1，如图5所示。而滤波器的Qe的大小可以通过调整馈线的位置来决定，即在谐振器物理长度(L=l1+l2)不变的条件下，调整l2/l1的比值。同时，当l1对应一个特定频率的四分之一波长时，可以得到第2个传输零点TZ2。TZ2的位置可以通过改变l1的大小进行调整，而TZ1的位置几乎不发生改变。

经过进一步的优化，使通带的回波损耗小于-20 dB，图4中设计的滤波器尺寸被确定为L=6.98 mm,W=5 mm,B=2.4 mm,S=0.8 mm,l1=5.93 mm,l2=1.05 mm,W1=0.5 mm,T=0.5 mm,h=0.1 mm.

图4 二阶BPF设计Fig.4 Designed second-order BPF

图5 不同l1条件下，HTC BPF频率响应的 仿真结果(L固定不变)Fig.5 Simulated frequency response of the HTC BPF against l1 (L is fixed)

本设计中分别使用了Ansoft HFSS 和 Agilent E8363C网络分析仪进行了仿真和测试，滤波器的仿真与测试结果如图6所示。由于加工误差以及SMA转接头损耗的影响，使得测试与仿真结果有一定的误差。设计滤波器的通带中心频率为1.6 GHz，且其3 dB相对带宽为10.6%。通过测试结果可以发现，HTC BPF的回波损耗大于15 dB，同时插入损耗仅有0.5 dB。另外，分别在1.912 GHz和2.224 GHz产生的2个传输零点能够显著地提高通带高端的阻带抑制。整个HTC BPF 的尺寸仅仅只有6.98 mm×5 mm×2.4 mm。

图6 仿真和测试结果(插图为加工实物)Fig.6 Simulated and measured results (the inset is the photograph of the fabricated HTC BPF)

表1给出了本文设计的矩形金属化孔带状线滤波器与其他带状线滤波器的性能对比。由表1可以看出，在传统的带状线谐振器中，带状线中间大多采用厚度较薄的金属导体结构，这种结构的谐振器无法获得较高Q值，最终导致利用这种结构设计的滤波器插入损耗较大。本文中采用的矩形金属化孔结构，有效地改善了谐振器的Q值，从而降低了设计滤波器的插入损耗。此外，本文滤波器设计结构简单，结构紧凑，设计方法遵循传统耦合谐振器理论，易于实现。

表1 本设计与其他带状线滤波器性能比较Tab.1 Performance comparisons between this design and other stripline filters

3 结束语

本文设计了一种新颖的高性能梳型带状线滤波器，其具有很高的性能表现。由于特殊的矩形金属化孔结构具有较高的Q值，因此，利用这种结构设计的滤波器具有较低的插入损耗。另外，高阻带上产生的2个传输零点有效的提高了阻带抑制，而2个传输零点的产生已经在文中进行了详细的分析。滤波器的仿真和测试数据得到了很好地吻合。因此，针对通带高端阻带抑制有较高要求的设备，本文设计的小型化滤波器结构为其提供了新的思路。

[1] 马润波, 闫建国, 陈新伟, 等. 一种新型小型化交叉耦合带通滤波器的设计[J]. 测试技术学报, 2016, 30 (1):69-73.

MA Runbo, YAN Jianguo, CHEN Xinwei, et al. Design of the Novel Miniaturized Cross-Coupled Band-Pass Filter [J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2016, 30(1):69-73.

[2] LI J, HUANG Y J, WEN G J, et al. Compact and high-selectivity microstrip bandpass filter using two-stage twist-modified asymmetric split-ring resonators [J]. Electronics Letters, 2015, 51(8):635-637.

[3] CHEN, J X, SHAO C, LU Q Y, et al. Compact LTCC balanced bandpass filter using distributed-element resonator [J]. Electronics Letters, 2013, 49(5): 354-356.

[4] ARABI E, LAHTI M, VAHA-HEIKKILA T, et al. A 3-D miniaturized high selectivity bandpass filter in LTCC technology[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2014, 24(1): 8-10.

[5] REN X, JIANG T, WANG Y, et al. Characterization of high-temperature ceramic materials at microwave frequencies for MEMS applications[C]//IEEE Wireless and Microwave Technology Conference. Clearwater, USA: IEEE, 2009: 1- 4.

[6] BECHTOLD F. A comprehensive overview on today’s ceramic substrate technologies[C]//European Microelectronics and Packaging Conference. Rimini, Italy: IEEE, 2009: 1-12.

[7] MATTHAEI G,YOUNG L,JONES E M.Microwave filters,impedance-matching networks and coupling structures[M].New York:McGraw-Hill Book Company,1964.

[8] CHU Q X, WANG H. A compact open-loop filter with mixed electric and magnetic coupling [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, 54(3): 1113-1119.

[9] KENNERLEY A J, HUNTER I C. Surface mount RF and microwave filters using high dielectric constant ceramics[C]//IEEE Colloquium on Radio Frequency Design in Mobile Radio Transceivers. London:IET,1994:2/1-2/5.

[10] 牟亚妮,马哲旺.一种新型交指-发夹型多层带状线带通滤波器[J].电子学报, 2006, 34(12):2238-2241.

MU Yani, MA Zhewang. A novel interdigital-hairpin bandpass filter using multilayered stripline structure [J]. ACTA ELECRONICA SINlCA, 2006, 34(12): 2238-2241.

[11] 陈凯,宋长宝,蒋勤升,等.一种新的微带线梳状滤波器设计方法研究[J]. 微电子学, 2012, 42(5):646-650.

CHEN Kail, SONG Changba, JIANG Qinshen, et al. Study of a New Method for Designing Microstrip Combline Bandpass Filter [J]. Microelectronics, 2012, 42(5):646-650.

[12] 赵宝林,石玉,秦巍巍,等.基于LTCC的小型化短波宽调谐电调带通滤波器设计[J]. 磁性材料及器件, 2014, 45(3):32-35.

ZHAO Baolin, SHI Yu, QIN Weiwei, et al. Design of miniaturized short wave tunable bandpass filter with wide tuning range based on LTCC technology [J]. Magn Mater Devices, 2014, 45(3):32-35.

s：The National Natural Science Foundation of China (61501263); The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20161281); The Nantong Application Research Technology Program (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

Hightemperatureceramiccomb-striplinebandpassfilterwithtwotransmissionzeros

ZHU Yanyuan1, LU Qingyuan2, QIN Wei1, CHEN Jianxin1

1.School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, P.R. China;2.Xinglin College, Nantong University, Nantong 226000, P.R. China)

In this paper, a novel high temperature ceramic comb-stripline bandpass filter (BPF) with two transmission zeros is proposed. The novelty of this design lies in constructing a rectangular metalized hollow instead of the traditional rectangular-bar stripline structure. Its unloaded quality factor can be effectively improved by increasing the thickness of the quarter-wavelength resonator using the proposed structure, resulting in a reduced insertion loss. Investigation shows that rectangular metalized hollow filter owns lower insertion loss than the traditional stripline filters. Two transmission zeros in the upper stopband are produced to improve stopband rejection and passband selectivity. For demonstration, a second-order BPF is designed. Good agreement can be obtained between simulated and measured results, showcasing the advantages of low loss and compact size.

bandpass filter; rectangular metalized hollow via; stripline; unloaded quality factor; high temperature ceramic; transmission zero

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.008

2016-12-06

2017-05-10

秦 伟 waiky.w.qin@hotmail.com

国家自然科学基金 (61501263)；江苏省自然科学基金 (BK20161281); 江苏省南通市市级科技计划项目 (GY12016013，CP22014005，AA2014013)

TN913.5

A

1673-825X(2017)06-0758-05

朱彦源(1992 -)，男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:yanyuanzhu@outlook.com。

陆清源(1987 -)，男，江苏人，助教，硕士，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:qingyuanlu@hotmail.com。

秦 伟(1984 -)，男，江苏人，副教授，博士，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:waiky.w.qin@hotmail.com。

陈建新(1979 -)，男，江苏人，教授，博士，主要研究方向为电磁场与微波技术。E-mail:jjxchen@hotmail.com。

(编辑：刘 勇)