Ka波段并联电感销钉LTCC滤波器

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        1  引言

          Ka波段具有许多让人注目的特点，如高数据传输率和良好的保密性，这使得它吸引了大量工程技术人员的注意。因此大量Ka波段商用和军用的电路得以实现。但是，对低成本，结构紧凑和高性能的追求必然使新技术，新概念的应用成为必然。作为这些新技术中的一种，日益成熟的LTCC技术已经为实现具有3-D结构的电路和元件提供了可能，这当中包括带通滤波器，巴伦，过渡与连接，模块与子系统。虽然LTCC技术具有广阔的前景，但是也应该注意到其自身的问题，如在介质层间和不同信号通路间的电磁隔离，有源器件的散热，加工误差（共烧后介质基板的收缩和不可避免的介质层偏移等）。这些因素已经严重影响了电路性能，同时需要设计者的特别关注。
           
          本文应用LTCC技术设计一种性能相对稳定的并联电感销钉滤波器。在设计过程中，对一个或两个并联电感销钉结构进行了选择。为更进一步实现稳定的性能，对两种微带-SIW过渡结构进行了比较，最终选用微带-SIW渐变过渡。
           
        2  并联电感销钉滤波器设计

          并联电感销钉滤波器采用四层DuPont D943，其相对介电常数er7.4，损耗角 0.002，每层介质厚度为0.114mm（共烧后）。
          滤波器初值计算采用如下公式：
                        (1)
                       (2)
                  (3)
                    (4)
           
          其中 为滤波器相对带宽，k为并联电感销钉结构的耦合系数。为简化仿真过程，矩形金属波导被用来模拟SIW，其等效宽度计算公式为：
                 (5)
           
           耦合系数计算值与电感销钉物理结构有如下关系：
                              (6)
           
          不同的电感销钉数对应不同的变化范围：当销钉数为一时，耦合系数为最大；为二时，耦合系数适中；为三时，相邻两个谐振腔几乎无耦合,如图1所示。对于电感销钉数的选择应考虑到k的计算值。然后通过公式（7），（8）计算出相邻两排电感销钉的间距（ln）。
                         (7)
                    (8)
        滤波器的尺寸如图2（a），off1=off4=0.1mm，off2=off4=0.35mm，l2=1.75mm， l1=l3=1.58mm；滤波器仿真S参数如图2（b）。值得一提的是，当分别改变off1（=off4）或off2（=off3），滤波器仍然能够保持较好的滤波性能，如图3（a），（b）。
           

       

        图1  一到三个电感销钉偏心距与耦合系数的关系

       

        图2（a）电感销钉滤波器参数示意

       

        图2（b）电感销钉滤波器仿真S参数

       

        图3（a）改变off1（=off4）滤波器的插入损耗

       

        图3（b）改变off2（=off3）滤波器的插入损耗

       

        图4  微带-SIW渐变过渡的回波损耗

           
         
        3  微带-SIW过渡

          为连接微带与SIW，提出了两种微带-SIW过渡结构。其一为微带-SIW渐变过渡，其特点为，结构较简单，渐变结构能够较好的保证加工后性能，但四分之一波长的渐变线也占用较大的基片面积，其仿真结果如图4；另一种为微带-共面波导-SIW过渡，其特点为，采用共面波导结构很好的完成场结构匹配，结构紧凑，但是窄的开槽使加工难度增加，难以保证良好的实测结果，其仿真结果如图5。为保证滤波器性能，选用微带-SIW渐变过渡结构。滤波器（带过渡结构）仿真S参数结构如图6：中心频率35GHz，1dB相对带宽5.7%，插入损耗通带内最低0.45dB, 回波损耗优于21dB。
           

       

        图5  微带-共面波导-SIW过渡的回波损耗

       

        图6  电感销钉滤波器（及过渡结构）S参数

           
        4  结论

          本文提出了一种应用LTCC技术的并联电感销钉滤波器。对该滤波器的设计步骤进行了的说明。为连接滤波器与微带线，对比了两种微带到SIW的过渡结构（微带-SIW渐变过渡与微带-共面波导-SIW过渡）。滤波器与过渡结构表现了良好的仿真结果。