Ka波段LTCC基片集成圓腔濾波器設(shè)計(jì)

吳 歡，陳建榮，賈文強(qiáng)，張曉陽(yáng)

（空間電子信息技術(shù)研究院，陜西 西安 710100）

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Ka波段LTCC基片集成圓腔濾波器設(shè)計(jì)

吳 歡，陳建榮，賈文強(qiáng)，張曉陽(yáng)

（空間電子信息技術(shù)研究院，陜西 西安 710100）

摘要:將低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)與基片集成波導(dǎo)圓腔（SICC）技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)Ka波段的四階帶通濾波器。該濾波器在28.25～30.25 GHz的通帶內(nèi)，插入損耗小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，LTCC多層基板布線的特性使得SICC諧振腔濾波器從二維平面走向三維立體，在保持濾波器高性能的同時(shí)大大縮小了尺寸，并且諧振模TM010模的選用以及共面波導(dǎo)探針形式的輸入輸出，進(jìn)一步減小了濾波器的體積，最終尺寸僅為3.5mm×3.5mm×1.152mm，與傳統(tǒng)同類型的平面濾波器相比較，所占基板面積減小了50%以上。

關(guān)鍵詞:低溫共燒陶瓷；基片集成圓腔；帶通濾波器；TM010模；共面波導(dǎo)探針激勵(lì)；Ka波段

吳歡（1990－），女，陜西西安人，研究生，研究方向?yàn)榭臻g微波技術(shù)，E-mail:yimimomo@126.com 。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:09:42 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.019.html

隨著微波毫米波電路集成度的不斷提高和各種新型多層電路技術(shù)的相繼問(wèn)世，僅僅使用傳統(tǒng)的波導(dǎo)類或平面類傳輸線已經(jīng)難以滿足電路與系統(tǒng)小型化的發(fā)展需要。在此背景下，基片集成波導(dǎo)（SIW）這一新型傳輸結(jié)構(gòu)提供了新的選擇。SIW不僅繼承了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)低損耗、低輻射、高品質(zhì)因數(shù)、高功率容量等優(yōu)點(diǎn)，而且集合了平面?zhèn)鬏斁€易集成，質(zhì)量小、易加工等優(yōu)勢(shì)[1]。近年，基于基片集成波導(dǎo)的諧振腔濾波器因其性能優(yōu)異得到了廣泛研究[2-6]，通常應(yīng)用較多的為方波導(dǎo)，不過(guò)基片集成圓波導(dǎo)（SICC）在小型化、高Q值和設(shè)計(jì)靈活性方面更具潛力[7]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于SICC濾波器的研究逐漸展開(kāi)[8-11]，法國(guó)的Potelo等[8]提出了一個(gè)平面的三腔SICC濾波器，他們利用在非相鄰諧振腔間引入了磁性交叉耦合而在濾波器的高頻端產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。Potelo等[9]利用腔體表面金屬層上的共面波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)耦合從而設(shè)計(jì)出了一個(gè)Ku波段的三階SICC濾波器。

這些設(shè)計(jì)多采用平面結(jié)構(gòu)，相較于微帶線、共面波導(dǎo)等傳統(tǒng)平面類傳輸線實(shí)現(xiàn)的濾波器而言，它的尺寸仍然較大，因此小型化就成了亟待解決的問(wèn)題，低溫共燒陶瓷（LTCC）等新型多層電路結(jié)構(gòu)為此提供了一個(gè)有效的解決方案。據(jù)此，本文提出了一個(gè)Ka波段四階SICC帶通濾波器，結(jié)合LTCC技術(shù)多層基板布線的特點(diǎn)，該濾波器采用了四個(gè)諧振腔體依次垂直放置的新型結(jié)構(gòu)，使得SICC諧振腔濾波器從平面走向立體，不但提高了濾波器的性能，而且大大縮小了濾波器的體積，有效地解決了基片集成波導(dǎo)濾波器小型化的問(wèn)題。

1　 耦合矩陣及外部Q值

所提出的濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)為：中心頻率29.25 GHz，帶寬2 GHz，通帶插入損耗小于2 dB，回波損耗大于20 dB，阻帶衰減大于20 dB @（f0±3）GHz。

以切比雪夫低通原型為基礎(chǔ)，綜合得到直接耦合的四階濾波器的耦合矩陣為

外部品質(zhì)因數(shù)Qe=10.42。

2　 濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

本文所提出的濾波器模型見(jiàn)圖1，采用Ferro-A6 M生瓷帶材料，相對(duì)介電常數(shù)為5.9，損耗角正切為0.002，每層生瓷帶燒結(jié)后厚度為0.096mm。

圖1 SICC帶通濾波器模型Fig.1 Model of the proposed SICC bandpass filter

側(cè)視圖以及各諧振腔三維拆分結(jié)構(gòu)如圖2(a)、(b)所示，濾波器由四個(gè)基片集成圓形諧振腔構(gòu)成，每個(gè)諧振腔由三層介質(zhì)基片組成，這四個(gè)腔垂直依次放置，諧振腔1與2之間，3與4之間通過(guò)腔體公共金屬面上的感性圓弧槽實(shí)現(xiàn)耦合，諧振腔2與3之間通過(guò)公共金屬面中心的容性圓孔實(shí)現(xiàn)耦合。腔體的激勵(lì)采用共面波導(dǎo)探針形式，此外，為了方便濾波器與其他電路元件相連以及測(cè)試，采用了微帶線進(jìn)行過(guò)渡。

2.1 工作模式選擇及腔體尺寸確定

SICC腔體如圖3（a）所示，d為金屬孔的直徑，p為孔間距，R為腔體半徑。當(dāng)腔體的高度H和半徑R滿足：H ＜ 2.1R時(shí)，TM010模是SICC諧振腔的主模，其電磁場(chǎng)分布如圖3（b），電場(chǎng)只有z方向的分量，磁場(chǎng)只有j方向的分量，并且場(chǎng)量沿這兩個(gè)方向均無(wú)變化，場(chǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定。其中，場(chǎng)分布沿z軸軸對(duì)稱性的特性提高了基于SICC諧振腔的無(wú)源電路設(shè)計(jì)的靈活性。該模式的諧振波長(zhǎng)只與腔體半徑有關(guān)，而與腔體高度無(wú)關(guān)，因此在 LTCC多層電路中，可以根據(jù)需要自由調(diào)整諧振腔的高度，而不會(huì)因此影響諧振腔的性能，而且在相同的情況下，工作于TM010模的諧振腔體積最小[12]。其諧振頻率為[13]：

當(dāng)f0=29.25 GHz時(shí)，由上式可得SICC腔體半徑R=1.625mm，可將其作為諧振腔半徑初始值在仿真過(guò)程中進(jìn)行微調(diào)，使腔體在中心頻率上諧振，并且根據(jù)工藝所給金屬通孔的直徑確定組成諧振腔的通孔數(shù)目及其間距，本文所選通孔直徑d=0.13mm，孔間距滿足工藝要求的大于2.5倍孔直徑。

圖2 SICC帶通濾波器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the SICC bandpass filter

圖3 SICC諧振腔Fig.3 SICC resonant cavity

2.2 腔間耦合結(jié)構(gòu)尺寸確定

兩個(gè)諧振腔間耦合會(huì)使單個(gè)腔體的諧振頻率向原來(lái)的中心頻率兩側(cè)分開(kāi)，根據(jù)兩個(gè)諧振峰的頻率f1和f2可以得到腔體間的耦合系數(shù)Mij，關(guān)系如下[14]：

因此在三維電磁計(jì)算軟件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中建立腔體耦合模型，利用本征求解模式得到兩個(gè)腔體的諧振頻率f1和f2后，運(yùn)用公式（3）即可提取腔體間的耦合系數(shù)。

根據(jù)濾波器結(jié)構(gòu)可知四個(gè)諧振腔垂直依次放置，腔體間的耦合均為異面耦合。諧振腔1與2之間，3與4之間均是通過(guò)公共金屬面上的感性圓弧槽實(shí)現(xiàn)耦合，兩個(gè)圓弧槽呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，處于兩諧振腔磁場(chǎng)都比較強(qiáng)的位置，這種耦合屬于磁耦合。諧振腔之間的耦合強(qiáng)度取決于腔體間圓弧槽的位置和尺寸。感性圓弧槽位于腔體半徑的0.77倍處，此處對(duì)于TM模的圓波導(dǎo)來(lái)說(shuō)磁場(chǎng)最強(qiáng)。改變圓弧槽的長(zhǎng)度Ls，可以得到腔體間耦合系數(shù)的變化曲線，如圖4所示，根據(jù)已知的耦合矩陣中的M12，可以確定圓弧槽長(zhǎng)度初始值Ls。

圖4 耦合系數(shù)與感性圓弧槽尺寸Ls的變化曲線Fig.4 The coupling coefficient versus the inductive slot size Ls

諧振腔2和3之間是通過(guò)公共金屬面中心的容性圓孔來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合的，圓孔所處的位置是SICC諧振腔中TM010模電場(chǎng)最強(qiáng)的位置，所以此耦合是電耦合。改變圓孔的直徑Dc，可以得到腔體間耦合系數(shù)的變化曲線，如圖5所示，根據(jù)已知的耦合矩陣中的M23，可以確定圓孔直徑初始值Dc。

2.3 激勵(lì)結(jié)構(gòu)尺寸確定

腔體的激勵(lì)方式如圖6，采用共面波導(dǎo)探針形式，為了方便濾波器與其他電路元件相連以及測(cè)試，采用了微帶線進(jìn)行過(guò)渡，并且設(shè)定共面波導(dǎo)中間金屬的寬度Wo與50 ?微帶線的寬度相同，均為0.43mm。這種激勵(lì)方式有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是過(guò)渡性能好，插損??；二是相對(duì)于微帶漸變線過(guò)渡形式可以有效減小電路尺寸。探針與諧振腔之間的耦合強(qiáng)度由參數(shù)Lp和Gp來(lái)控制，該尺寸將決定諧振腔的外部品質(zhì)因數(shù)。

圖5 耦合系數(shù)與容性圓孔尺寸Dc的變化曲線Fig.5 The coupling coefficient versus the capacitive hole size Dc

圖6 濾波器的激勵(lì)方式Fig.6 The excitation method of the filter

外部品質(zhì)因數(shù)可以根據(jù)以下公式提取[14]：

式中：w0為單端加載時(shí)諧振腔的諧振頻率；是相對(duì)于w0而言，S11的相位分別移動(dòng)正負(fù)90°時(shí)的相對(duì)頻率跨度。因此由已知的濾波器外部品質(zhì)因數(shù)，可以確定激勵(lì)結(jié)構(gòu)的初始尺寸。

3　 優(yōu)化及仿真結(jié)果

初始模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化后得到的最終滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的濾波器尺寸如圖7所示，除去測(cè)試引線，其大小為3.5mm×3.5mm×1.152mm，基板面積較文獻(xiàn)[2]中所提出的中心頻率為35 GHz的四階SIW濾波器小54.6%，較文獻(xiàn)[3]提出的35 GHz采用LTCC工藝的SIW濾波器小68.7%。

圖7 濾波器的幾何尺寸Fig.7 Geometric dimension of the filter

優(yōu)化所得濾波器的仿真結(jié)果如圖8所示，在通帶28.25～30.25 GHz內(nèi)，插損小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，在頻率小于26.74 GHz和大于32.03 GHz的阻帶范圍內(nèi)衰減大于20 dB，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 濾波器的仿真S參數(shù)Fig.8 Simulated S-parameters of the filter

為了事先預(yù)知工藝誤差對(duì)設(shè)計(jì)的影響大小，容差分析顯示出了其重要作用。在線寬容差±0.01mm，通孔對(duì)位精度±0.05mm的加工容差下，多次統(tǒng)計(jì)仿真來(lái)進(jìn)行容差分析，結(jié)果如圖9所示，在通帶內(nèi)，插損小于1.5 dB，回波損耗大于19 dB。

4　 結(jié)論

提出了一個(gè)Ka波段的四階帶通濾波器，采用LTCC工藝將四個(gè)SICC諧振腔垂直依次放置，諧振腔間分別通過(guò)感性圓弧槽或者容性圓孔實(shí)現(xiàn)異面耦合，從而使得濾波器從二維平面走向三維立體，大大減小了諧振腔濾波器尺寸。該濾波器中心頻率為29.25 GHz，在2 GHz的通帶內(nèi)，插入損耗小于1.3 dB，回波損耗大于31 dB，兼顧了濾波器小型化和高性能的要求。

圖9 容差分析圖Fig.9 Tolerance analysis graph

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（編輯：陳渝生）

Design of Ka-band substrate integrated circular cavities filter in LTCC

WU Huan, CHEN Jianrong, JIA Wenqiang, ZHANG Xiaoyang
(Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

Abstract:A Ka band fourth-order bandpass filter was designed by combining the low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and substrate integrated circular cavities (SICC) technology, whose insertion loss was less than 1.3 dB and return loss was greater than 31 dB at 28.25－30.25 GHz. The structure of this SICC filter is tuned from 2D to 3D benefited from the characteristics of LTCC multilayer substrate wiring, while the filter maintains high performance and the size is reduced greatly. The selection of TM010mode and the input / output of CPW（coplanar waveguide）probe help to further reduce the filter’s volume. The final size is only 3.5mm×3.5mm×1.152mm. Comparing with the convention same type planar filters, the substrate area of the proposed filter is reduced by more than 50%.

Key words:LTCC; substrate integrated circular cavities; bandpass filter; TM010mode; CPW probe excitation; Ka-band

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.019

中圖分類號(hào):TN713

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0088-04

收稿日期：2016-04-06 通訊作者：吳歡

作者簡(jiǎn)介：陳建榮（1960－），男，陜西寶雞人，研究員，主要從事空間微波技術(shù)研究，E-mail:cjrchenjianrong@sina.com ；