一种紧凑的LTCC交指带通滤波器的设计

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                1  引言

                         随着无线通信系统的高速发展，对带通滤波器（BPF）的要求不仅局限在低的插入损耗和高的带外抑制上，并且要求其具有小的体积和轻的重量。有很多途径可以实现滤波器小型化，LTCC技术就是其中一种很有吸引力的方法。LTCC技术是一种多层陶瓷共烧技术，它允许将无源器件植入层间，而将有源器件裱贴在表面层，充分利用空间优势，实现系统的小型化、集成化。
                          
                         交指带通滤波器因为其紧凑的结构而广泛应用在微波频段，其单元谐振器的长度一般约为 。目前大多数可行的LTCC滤波器都是利用增强单层谐振单元间的耦合来设计的。但是在整个滤波器尺寸中，单层谐振器的尺寸仍然是对滤波器小型化的一个主要限制。本文介绍了一种紧凑的LTCC交指带通滤波器的设计。通过在LTCC两层带线谐振器间引入强的电容耦合，单元谐振器的长度减小到 ，从而使整个滤波器尺寸明显减小。利用高频仿真软件HFSS仿真设计，该滤波器中心频率为1.51GHz，相对带宽25.2%，带内插损小于0.6dB,回波损耗大于20dB，具用良好的带外抑制。滤波器整体尺寸非常小，仅为12 mm×9 mm×1.32mm 。
                          
                        2  谐振器结构

                         图1显示的是本文所设计的滤波器中的双层耦合带线谐振器结构。主要思路是在内部谐振器间引入强的容性加载效应来减小谐振器的长度。谐振器结构包括两条耦合带线，如图1（a）所示。两条带线均是一端通过金属化通孔接地短路，而另一端开路。由于容性耦合效应，在设计的频率上，谐振器的总长度lr将远小于 /4。lr主要受以下3个因素影响：
                         1）两条带线的宽度ws；
                         2）带线耦合（重叠）长度lc；
                         3)带线间的垂直距离ds。
                         利用这3个因素选择合适的尺寸，可以使谐振器的长度在设计的频率上小于/8。
                          
                         两条带线间的垂直距离ds必须是LTCC工艺中单层陶瓷厚度的整数倍。通常，为了得到到最强的耦合，进而使得尺寸尽量小，ds取最小值，即单层陶瓷厚度0.094mm。
                          
       

               

       

                图1  双层耦合带线谐振器结构

       

                 (a) 三维图形      (b)截面图      (c) 侧视图

                          
                        3  滤波器设计

                         本文设计的LTCC双层带线电容耦合交指滤波器中心频率为1.51GHz，相对带宽为25.2%，要求在高于2GHz和低于1GHz的阻带范围内实现大于40dB的阻带抑制。采用六阶切比雪夫低通原型设计可以满足指标，通过对应的低通滤波器原型得到输入/输出的外部品质因数Qe和内部耦合系数K分别为：
                         Qein=Qeout=3.1，K12=K56=0.24,
                         K23=K45=0.17,   K34=0.16
                         首先选取双层带线谐振单元。通过仿真确定每个双层谐振单元的尺寸和位置，使其谐振频率为1.51GHz。本文采用FerroA6介质基片，介电常数为5.7，每层厚度为0.094mm，共12层介质。通过3D电磁场仿真软件HFSS仿真，初步选取谐振单元带线线宽ws=0.5mm,长度ls=9.35mm,厚度t=0.01mm。两层带线垂直距离ds=0.094mm，分别位于LTCC介质第5层和第6层。
                          
                         然后建立如图2所示的模型来计算相邻带线谐振单元间的耦合系数k。内部耦合系数k由等式（1）得到：
                                     （1）
                 
                         其中f1、f2为由于相邻带线谐振器间相互作用而产生的两个相邻特征谐振频率。图3的曲线显示了耦合系数k与两谐振单元之间的间距s的关系。由仿真曲线可以得到s初值：
                          
                         s12=s56=0.2mm
                         s23=s45=0.31mm,
                         s34=0.33mm
                          
       

               

       

                图2  确定耦合系数的仿真结构

       

               

       

                图3  耦合系数k与间距s的关系

                          
                         外部品质因数Qe的计算是通过等式（2）得到
                                        （2）
                         其中 为谐振角频率， 为对应谐振频率下的群时延。图4是确定外部品质因数Qe的仿真模型。图5给出了外部品质因数随输入/输出抽头位置变化的曲线。由该曲线可确定抽头的位置offset=7.07mm。
       

                 

       

               

       

                图4  确定外部品质因数Qe的仿真结构

       

               

       

                图5  外部品质因数Qe随抽头位置变化的曲线

       

               

       

                图6  LTCC交指滤波器仿真模型

       

               

       

                图7  LTCC交指滤波器仿真曲线

                          
                         图6为LTCC交指滤波器HFSS仿真模型。通过仿真优化，图7给出了最优的仿真曲线结果。由图7可以看到，该滤波器中心频率为1.51GHz，相对带宽25.2%，带内插损小于0.6dB,回波损耗大于20dB，具用良好的带外抑制，完全满足设计指标要求。
                          
                        4  结论

                         本文通过利用LTCC双层带线谐振单元间的强容性耦合实现了LTCC交指滤波器的紧凑设计。与传统的一层带线/微带线交指滤波器相比，该滤波器更为紧凑，其谐振单元长度小于 ，整体尺寸（12 mm×9 mm×1.32mm）得到了显著的缩小。该滤波器非常适用于高性能、小型化的无线通信系统。