C波段LTCC寬邊耦合疊層濾波器設(shè)計

程書博，趙祖軍

（中國電子科技集團公司第13研究所，石家莊 050051）

1 引言

C波段帶通濾波器的小型化一直是微波工程師的難點。C波段波長相對微波頻段來說較長，采取分布參數(shù)濾波器體積龐大。而C波段濾波器用L、C結(jié)構(gòu)因其Q值偏小而不合適。為此，利用LTCC多層陶瓷工藝特點，將諧振單元由分布參數(shù)帶線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，是一種可行的途徑。

通常對于寬帶耦合濾波器結(jié)構(gòu)來說，因耦合系數(shù)較大，窄邊耦合濾波器的縫隙太小，以常規(guī)的多層陶瓷厚膜工藝無法實現(xiàn)，為此，將濾波器諧振單元耦合方式采取寬邊耦合形式，大大降低了厚膜印刷工藝的難度，且實現(xiàn)的耦合系數(shù)大，很好地實現(xiàn)了所要實現(xiàn)的濾波器性能。

2 設(shè)計

電路指標(biāo)要求：

中心頻率f0：3 700 MHz

3 dB帶寬BW：1 400 MHz

通帶駐波比VSWR：≤1.5∶1

帶外抑制：40 dBc@DC～2.2 GHz，6 ～8.0 GHz

根據(jù)電路的要求設(shè)計7階， Chebyshev作為響應(yīng)函數(shù)，帶內(nèi)波紋為0.01 dB，其低通原型為：g1=g7=0.796 9，g2=g6=1.392 4，g3=g5=1.748 1，g4=1.633 1，g0=g8=1。根據(jù)下面公式計算原型值的耦合系數(shù)：

其中，F(xiàn)BW為相對中心頻率的歸一化帶寬。電路拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

模型的建立在相對介電常數(shù)εr為7.8、介質(zhì)損耗角為0.006的Dupont951材料體系上。設(shè)計中為了減小濾波器的尺寸，將濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計成類梳狀濾波器，諧振單元的長度設(shè)計成濾波器中心頻率的八分之一波長，端頭負(fù)載電容通過在上表面增加接地電容實現(xiàn)。這樣，八分之一波長諧振單元與負(fù)載電容一起組成了濾波器的諧振單元，如圖2所示。

圖2 諧振單元

通過提取其諧振頻率，優(yōu)化諧振單元的長寬，使得諧振頻率為3 700 MHz，如圖2所示。

而諧振器之間的耦合通過寬邊耦合，但因耦合系數(shù)在介質(zhì)介電常數(shù)較大時，耦合量又太大，為此，通過部分寬邊耦合來實現(xiàn)需要的耦合值k，如圖3所示。

圖3 寬邊耦合圖形及其截面

建立諧振單元耦合模型，諧振單元的諧振頻率將分為兩個非中心頻率fp1和fp2，在此兩個頻率處其S12參數(shù)將出現(xiàn)兩個傳輸尖峰，通過下式提取其相應(yīng)的耦合系數(shù)k。

圖4 諧振單元耦合傳輸系數(shù)

通過連續(xù)變化兩耦合諧振單元的距離，其fp1和fp2會不斷變化，得到相應(yīng)的耦合系數(shù)，如圖5所示。

圖5 耦合距離與耦合系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)所要求的諧振單元之間的耦合系數(shù)，建立濾波器整體諧振單元的模型。

再提取輸入輸出端口處外部Q因子，即Qe1、Qen。根據(jù)建立的模型：

其中，ω0為濾波器的諧振頻率，實際參數(shù)提取中發(fā)現(xiàn)在ω0處其相位并不等于0°，而有一個偏差。在計算時考慮相應(yīng)的偏差，即得到所需的Qe值。

圖6 S11相位及幅度曲線

連續(xù)調(diào)節(jié)抽頭位置，提取外部Qe值與位置的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 外部Qe與抽頭距離關(guān)系

最終，建立所需寬邊耦合濾波器模型。

圖8 電路的整體模型

利用多層LTCC濾波器加工工藝實現(xiàn)了實物，其具體工藝流程如圖9。

圖9 工藝流程圖

實物測試參數(shù)曲線與仿真曲線比較如圖10所示。

從仿真曲線及實物測試曲線可以看出有一些偏差，主要原因有以下幾個方面：

（1）帶內(nèi)插入損耗不一致，是因為導(dǎo)體的實際導(dǎo)電率與理想值有偏差；

（2）帶外抑制比仿真值要弱一些，是因為外部接地效果與理想地有偏差，導(dǎo)致帶外衰減本底不夠；

（3）帶內(nèi)回波損耗比仿真要差，也是因為加工工藝精度問題導(dǎo)致回波偏大。這些從加工工藝角度來看還是相對比較正常。最終實物體積為6.5 mm×7.5 mm×1.5 mm，結(jié)構(gòu)為表面貼裝形式，有效地減小了類似頻段濾波器的體積，滿足了此類濾波器的小型化及批量化需求。

圖10 仿真曲線與實物測試曲線

3 結(jié)論

通過直接提取諧振單元的耦合系數(shù)的方法，減小了此類頻段濾波器的體積，有效地促進了此類LTCC濾波器的開發(fā)。

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