一种LTCC毫米波折叠形端耦合带通滤波器

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                1  引言

                         毫米波频段是目前军事电子技术发展的主要频段，广泛应用于雷达，通信，精确制导，电子对抗和测试技术等方面。在宽带及超宽带信道化收发组件中，滤波器作为必不可少的组成部分，其性能的好坏将直接影响到整个收发组件的性能。传统的端耦合滤波器受微波印制板加工工艺限制，耦合缝隙不能做得很小，因此带宽不能做到较宽。采用悬置微带结构可以增大带宽，但不利于平面集成。而采用多层结构的滤波器则可以很好的解决以上问题。近年来兴起的LTCC技术是设计多层滤波器的一种有效手段。另一方面，端耦合滤波器的谐振单元均是半波长，级数较少时其阻带抑制较差，增加级数可以提高阻带抑制但无疑会增大滤波器尺寸。
                          
                         本文介绍了一种折叠形端耦合带通滤波器。它从传统端耦合滤波器出发，通过采用LTCC多层结构实现所需的紧耦合，又通过将传统的端耦合滤波器中的谐振单元折叠放置，在1、3级谐振器间引入交叉耦合，从而在带外高端引入了一个传输零点，在不增加滤波器级数的情况下增加了阻带抑制度。此滤波器全部埋入LTCC基板中，可以节省出更多的表面安装有源芯片，实现了电路尺寸的紧凑设计。
                          
                        2  基本原理

                         端耦合带通滤波器属于电容间隙直接耦合半波长滤波器。它利用半波长传输线作为并联谐振器，端电容为耦合结构。本文中的折叠形端耦合滤波器结构示意图如图1，等效电路图如图2。通过折叠放置谐振单元，在1、3级两个并联谐振单元之间引入了一个互感，进而等效为一个电感 形网络，最后得到图2的等效电路。
                          
                         下面以耦合相位关系来说明通过引入交叉耦合在滤波器带外高端产生了传输零点。我们一般认为串联电感引入-90度相差，串联电容引入+90度相差，并联谐振器在谐振点处相移为零，在谐振频率低端呈现+90度相差而在谐振频率高端呈现-90度相差。交叉耦合越强，传输零点离通带越近。
                          
       

               

       

                图1  折叠形端耦合带通滤波器结构示意图

       

               

       

                图2  折叠形端耦合带通滤波器等效电路图

                          
                         用图3示意该滤波器的传输相位关系。主传输路径为input—①—②—③—output，交叉耦合传输路径为input—①—②—output。当 时，主传输路径相移为7*90=630度，交叉耦合传输路径相移为4*90+(-90)=270度=-90度，两传输路径信号同相，故不能形成传输零点；当 时，主传输路径相移为4*90+3*(-90)=90度，交叉耦合传输路径相移为2*90+3*(-90)=-90度，两传输路径信号反相，故形成传输零点。
                          
       

               

       

                图3  滤波器传输相位示意图

                 
                        3  滤波器设计及结果

                         设计从传统端耦合滤波器出发。选取带内波纹为0.1dB的3级切比雪夫低通原型，原型值为g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2 =1.1474。采用耦合系数法设计带通滤波器，设计公式为：
                                             (1)
                             (2)
                          
                         计算可得Qei=Qeo= 5.1321，M12=M23=0.1848。电路结构的耦合系数K和外部Q值的提取可以借助三维电磁仿真软件完成。而在设计好的传统型端耦合滤波器基础上，通过折叠放置谐振单元，即是本文介绍的折叠形端耦合滤波器。两种滤波器均采用FerroA6M陶瓷基板，相对介电常数为5.7，介质损耗角正切为0.002，每层厚度为0.094mm，金属厚度0.01mm。导体和通孔材料均采用银。考虑到LTCC加工工艺要求选取基板层数为10，这样在不同的两层的50欧姆带状线宽度为0.32mm和0.3mm，谐振单元长度理论上为中心频率的半个波长，但由于两端的电容加载，尺寸应适当缩小。另外为避免信号间的串扰和能量泄露，还加入了屏蔽通孔。两种滤波器的结构分别如图4和图5。
                          
       

               

       

                图4  传统端耦合滤波器

       

               

       

                图5  折叠形端耦合滤波器

                          
                         利用三维电磁仿真软件HFSS进行仿真，通过调整各级谐振器长度和谐振器间距及输入输出与谐振器间距，可得到满意的响应曲线。折叠形端耦合结构中传输零点的位置可以通过调节1、3级谐振器间间距来调整。两种结构的仿真结果对比如下：
                          
       

               

       

                图6  仿真结果比较

                          
                         从仿真结果可以看出，折叠形端耦合滤波器在不增加级数的情况下明显增加了阻带抑制度。折叠形滤波器最终设计参数为：各级谐振器长度分别为l1=l3=1.49mm, l2=1.55mm，输入输出端与1、3级谐振器间距为-0.29mm(负数表示有覆盖区域)，谐振器间距为0.08mm。
                          
                        4  结论

                         本文对传统的端耦合滤波器结构进行改进，通过将谐振单元折叠放置，在带外高端引入一个传输零点，在不增加滤波器级数的情况下增加了阻带抑制度。采用LTCC多层结构实现了谐振器间的紧耦合。仿真结果表明，在32-36GHz范围内插入损耗小于0.6dB，回波损耗大于20dB。