LTCC雙頻帶通濾波器小型化設(shè)計(jì)與研究

劉 毅，戴永勝

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

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LTCC雙頻帶通濾波器小型化設(shè)計(jì)與研究

劉 毅，戴永勝

（南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094）

摘要:選擇用半集總結(jié)構(gòu)搭建兩個(gè)帶通濾波器，通過引入電感電容的方式構(gòu)建簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)，將兩個(gè)帶通濾波器組合成一個(gè)雙頻濾波器。在ADS軟件上對(duì)等效電路模型進(jìn)行仿真，再用仿真軟件HFSS搭建三維電感、電容模型，提取有效元件值進(jìn)行擬合優(yōu)化，最終達(dá)成預(yù)定技術(shù)指標(biāo)。本款LTCC雙頻濾波器第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，產(chǎn)品尺寸為3.2mm×6.5mm×2.3mm。

關(guān)鍵詞:雙頻帶通濾波器；低溫共燒陶瓷；半集總結(jié)構(gòu)；LC匹配網(wǎng)絡(luò)；小型化；HFSS

劉毅（1992－），男，江蘇泰州人，研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l與微波電路，E-mail:1473828087@qq.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:09:41 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.018.html

無線通信技術(shù)大爆炸的今天，通信系統(tǒng)對(duì)寬帶和大容量的要求越來越高，而單頻段通信系統(tǒng)僅能接收和處理單一頻段的部分信號(hào)，漸漸無法滿足日益嚴(yán)苛的通信容量需求。提高容量的最直接的方法便是設(shè)計(jì)能夠兼容多種頻段的雙頻甚至多頻通信系統(tǒng)[1]。采用兩套獨(dú)立的單頻段系統(tǒng)組合的傳統(tǒng)雙頻段通信系統(tǒng)雖然增大了容量，但存在著尺寸龐大、不易集成、增加基站費(fèi)用、系統(tǒng)互調(diào)影響等多種其他問題[2]。

新型雙頻系統(tǒng)通過整合可合并元器件，大大壓縮了系統(tǒng)體積，降低產(chǎn)品成本，而雙頻濾波器作為新型雙頻系統(tǒng)的重要元器件，其性能與尺寸是設(shè)計(jì)過程中最為關(guān)心的部分。雙頻濾波器[3]一般是指同時(shí)具備兩個(gè)通帶的濾波器，其性能指標(biāo)主要包括相距一定頻率范圍的兩個(gè)通帶特性和駐波比、兩個(gè)濾波器之間的隔離度以及上下阻帶的抑制度。本文創(chuàng)新性地選擇了半集總結(jié)構(gòu)濾波器進(jìn)行雙頻濾波器的搭建工作，布局采用上下結(jié)構(gòu)，縮小了產(chǎn)品尺寸。

先進(jìn)的LTCC (low temperature co-fired ceramics)[4]工藝不僅使得濾波器的尺寸大大縮小，而且具備成品率高、可靠性好、開發(fā)周期短、廢料生產(chǎn)少等諸多優(yōu)點(diǎn)。

本文研究的此款雙頻帶通濾波器第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，通帶插損小于2.5 dB，駐波比優(yōu)于1.5，尺寸僅為3.2mm×6.5mm×2.3mm。

1　 雙頻帶通濾波器理論設(shè)計(jì)

雙頻帶通濾波器的模型示意圖如圖1所示。由圖可知，此款雙頻帶通濾波器包含一個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，兩個(gè)帶通濾波器以及一套阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。

圖1 雙頻帶通濾波器模型Fig.1 Dual-band band-pass filter model

1.1 帶通濾波器原理分析

本款LTCC雙頻帶通濾波器包含兩個(gè)獨(dú)立帶通濾波器。為了縮小實(shí)物產(chǎn)品體積以及便于調(diào)試優(yōu)化，選擇半集總結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。兩款帶通濾波器的設(shè)計(jì)思路相似，均采用四個(gè)并聯(lián)諧振單元的方式，構(gòu)成基礎(chǔ)的帶通濾波。但是僅僅保證基礎(chǔ)的帶通濾波效果顯然無法滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品的技術(shù)要求，因此考慮通過交叉耦合的方式，引入傳輸零點(diǎn)，使得帶通濾波器的邊帶陡峭度更好。

為了使得帶通濾波器產(chǎn)生有限的傳輸零點(diǎn)，必須保證有多條的傳輸路徑，使得多路信號(hào)在某一或多個(gè)頻率點(diǎn)幅度一致而相位相反。選擇在半集總帶通濾波器的1、4級(jí)間搭建一條新的傳輸路徑，于通帶兩端分別引入傳輸零點(diǎn)[5]。最終，四階帶通濾波器等效電路圖如圖2所示。

圖2 四階帶通濾波器電路Fig.2 Four-order band-pass filter circuit

輸入端口接有輸入電感Lin，輸出端口接有輸出電感Lout，諧振單元1和2之間通過電感磁耦合進(jìn)行連接，同樣，諧振單元3和4也是通過電感磁耦合連接，而諧振單元2和3則是通過電容板實(shí)現(xiàn)磁耦合。用于交叉耦合的Z型電容C14在諧振單元1和4之間構(gòu)建起新的傳輸路徑，產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)極大提高了邊帶的陡峭度。

1.2 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

將兩個(gè)帶通濾波器以并聯(lián)的方式構(gòu)建雙頻帶通濾波器，兩個(gè)通帶的帶寬與中心頻率將直接取決于對(duì)應(yīng)的帶通濾波器。上文已考慮搭建出尺寸微小、性能佳、便于調(diào)試的兩款半集總帶通濾波器，下文將考慮兩個(gè)濾波器并聯(lián)后的影響與優(yōu)化匹配。

雖然并聯(lián)的方式便于分別調(diào)節(jié)通帶性能，但是直接并聯(lián)后的濾波器會(huì)帶來嚴(yán)重的阻抗失配問題。對(duì)兩個(gè)濾波器的史密斯圓圖簡(jiǎn)單分析便可得出，這是由于在各自中心頻率處并聯(lián)有一個(gè)額外的阻抗，使得原有的輸入輸出阻抗偏離50 ?，引起失配效應(yīng)。

因此考慮在兩個(gè)帶通濾波器的前后端各加一個(gè)匹配電路，使得在各自的中心頻率上都能回歸50 ?的阻抗匹配[6]。匹配網(wǎng)絡(luò)見圖3。4個(gè)電感和4個(gè)電容分別在兩個(gè)帶通濾波器的前后端構(gòu)成低通濾波和高通濾波效應(yīng)，使得在不影響同一支路帶通濾波器性能的前提下，盡可能抑制另外一條支路。

圖3 匹配網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Matching network

2　 LTCC三維實(shí)現(xiàn)

首先在HFSS中分別搭建LC電感電容元件，通過ADS一步步擬合，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單獨(dú)的半集總帶通濾波器。再搭建阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，初步實(shí)現(xiàn)阻抗匹配即可。最終在HFSS中綜合調(diào)節(jié)整體元件，并進(jìn)一步壓縮雙濾波器的體積，實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 雙頻帶通濾波器的三維實(shí)現(xiàn)Fig.4 3D model of dual-band band-pass filter

由圖4可知，兩個(gè)帶通濾波器通過共用一個(gè)屏蔽層，進(jìn)一步壓縮了體積，上層帶通濾波器通帶在1 400～1 800 MHz，匹配網(wǎng)絡(luò)接有高通濾波，下層帶通濾波器通帶在380～560 MHz，匹配網(wǎng)絡(luò)接有低通濾波，兩個(gè)帶通濾波器都接有Z形電容，用以增加傳輸零點(diǎn)，經(jīng)過多次優(yōu)化后，得出圖5仿真曲線圖。

圖5 LTCC濾波器仿真波形圖Fig.5 Simulated results of the LTCC filter

由仿真圖可知，此款雙頻濾波器的第一通帶為380～560 MHz，通帶插損≤1.5 dB，第二通帶為

1 400～1 800 MHz，通帶插損≤1.9 dB，駐波比優(yōu)于1.4。仿真結(jié)果給生產(chǎn)加工留有了足夠余量，允許投入生產(chǎn)，獲取實(shí)物測(cè)試結(jié)果。

3　 實(shí)物生產(chǎn)與測(cè)試

本款半集總LTCC帶通濾波器選用相對(duì)介電常數(shù)為9.0、Q值500的介質(zhì)填充，實(shí)際產(chǎn)品體積3.2mm×6.5mm×2.3mm。實(shí)物模型如圖6，測(cè)試曲線如圖7。

由測(cè)試曲線可知，電壓駐波比最大值為1.5；帶內(nèi)插損最大值為2.5 dB。根據(jù)實(shí)物模型和測(cè)試曲線可知，此款雙頻帶通濾波器不僅滿足小型化的發(fā)展需求，而且雙通帶性能優(yōu)良，駐波合格，兩個(gè)通帶間的隔離度很高，上下邊帶的陡峭程度也非常好。

4　 結(jié)論

本款基于LTCC技術(shù)的半集總雙頻帶通濾波器，第一通帶為380～560 MHz，第二通帶為1 400～1 800 MHz，插損小于2.5 dB，駐波比優(yōu)于1.5，實(shí)際尺寸僅為3.2mm×6.5mm×2.3mm。LTCC技術(shù)保障了濾波器的小型化，Z形電容引入傳輸零點(diǎn)，抑制邊帶，匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。綜上，此款半集總雙頻帶通濾波器，雙頻性能好、隔離度高、邊帶陡峭、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試優(yōu)化、實(shí)物通用性能好，是一款非常實(shí)用的雙頻帶通濾波器。

圖6 LTCC濾波器實(shí)物圖Fig.6 Physical map of the LTCC filter

圖7 LTCC濾波器測(cè)試波形圖Fig.7 Measured results of the LTCC filter

參考文獻(xiàn)：

[1] 官雪輝. 無線通信微波雙頻帶通濾波器研究 [D]. 上海:上海大學(xué), 2007.

[2] ZHAO L P, ZHAI X, WU B, et al. Novel design of dual-mode bandpass filter using rectangle structure [J]. Prog Electromagn Res B, 2008(3):131-141.

[3] HIROMITSU U, HIROTAKA K, KAZUYUKI T, et al. Dual-band-rejection filter for distortion reduction in RF transmitters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2004, 52(11):2550-5226.

[4] 李寶山. 邊帶陡峭LTCC濾波器的設(shè)計(jì)與研究 [D]. 南京:南京理工大學(xué),2007.

[5] 楊虹, 陳靜, 劉云龍, 等. 一種基于多模諧振器的超寬帶帶通濾波器設(shè)計(jì) [J]. 電子元件與材料, 2015, 34(6):61-65.

[6] 張杰. 微型LTCC雙頻濾波器的研究 [D]. 南京:南京理工大學(xué), 2010.

（編輯：陳渝生）

Research of dual-band band-pass filter with miniaturization based on LTCC technology

LIU Yi, DAI Yongsheng
(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:A dual-band band-pass filter was composed by choosing two semi-lumped structure band-pass filters and introducing inductor/capacitor to construct simple impedance matching net. Equivalent circuits were simulated by using the circuit simulation software ADS first, and then three-dimensional models of inductance and capacitance were made up by simulation software HFSS. Finally, the effective values of every element were extracted for simulation and optimization. The LTCC dual-band band-pass filter whose size is only 3.2mm×6.5mm×2.3mm, has the first pass-band of 380－560 MHz and the second pass-band of 1 400－1 800 MHz.

Key words:dual-band band-pass filter; LTCC; semi-lumped structure; LC matching network; miniaturization; HFSS

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.018

中圖分類號(hào):TN713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0085-03

收稿日期：2016-03-30 通訊作者：戴永勝

基金項(xiàng)目：“973”計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 2009CB320201）；國(guó)家國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助（No. 9140C1402021102）

作者簡(jiǎn)介：戴永勝（1956－），男，安徽安慶人，教授，主要研究方向?yàn)槲⒉ê撩撞呻娐返龋珽-mail:daiyongsheng1005@126.com ；