一種LTCC毫米波折疊形端耦合帶通濾波器

　　1 引言

　　毫米波頻段是目前軍事電子技術(shù)發(fā)展的主要頻段，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)，通信，精確制導(dǎo)，電子對(duì)抗和測(cè)試技術(shù)等方面。在寬帶及超寬帶信道化收發(fā)組件中，濾波器作為必不可少的組成部分，其性能的好壞將直接影響到整個(gè)收發(fā)組件的性能。傳統(tǒng)的端耦合濾波器受微波印制板加工工藝限制，耦合縫隙不能做得很小，因此帶寬不能做到較寬。采用懸置微帶結(jié)構(gòu)可以增大帶寬，但不利于平面集成。而采用多層結(jié)構(gòu)的濾波器則可以很好的解決以上問題。近年來興起的LTCC技術(shù)是設(shè)計(jì)多層濾波器的一種有效手段。另一方面，端耦合濾波器的諧振單元均是半波長(zhǎng)，級(jí)數(shù)較少時(shí)其阻帶抑制較差，增加級(jí)數(shù)可以提高阻帶抑制但無(wú)疑會(huì)增大濾波器尺寸。

　　本文介紹了一種折疊形端耦合帶通濾波器。它從傳統(tǒng)端耦合濾波器出發(fā)，通過采用LTCC多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需的緊耦合，又通過將傳統(tǒng)的端耦合濾波器中的諧振單元折疊放置，在1、3級(jí)諧振器間引入交叉耦合，從而在帶外高端引入了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，在不增加濾波器級(jí)數(shù)的情況下增加了阻帶抑制度。此濾波器全部埋入LTCC基板中，可以節(jié)省出更多的表面安裝有源芯片，實(shí)現(xiàn)了電路尺寸的緊湊設(shè)計(jì)。

　　2 基本原理

　　端耦合帶通濾波器屬于電容間隙直接耦合半波長(zhǎng)濾波器。它利用半波長(zhǎng)傳輸線作為并聯(lián)諧振器，端電容為耦合結(jié)構(gòu)。本文中的折疊形端耦合濾波器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，等效電路圖如圖2。通過折疊放置諧振單元，在1、3級(jí)兩個(gè)并聯(lián)諧振單元之間引入了一個(gè)互感，進(jìn)而等效為一個(gè)電感

　　下面以耦合相位關(guān)系來說明通過引入交叉耦合在濾波器帶外高端產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)。我們一般認(rèn)為串聯(lián)電感引入-90度相差，串聯(lián)電容引入+90度相差，并聯(lián)諧振器在諧振點(diǎn)處相移為零，在諧振頻率低端呈現(xiàn)+90度相差而在諧振頻率高端呈現(xiàn)-90度相差。交叉耦合越強(qiáng)，傳輸零點(diǎn)離通帶越近。

　　圖1 折疊形端耦合帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2 折疊形端耦合帶通濾波器等效電路圖

　　用圖3示意該濾波器的傳輸相位關(guān)系。主傳輸路徑為input—①—②—③—output，交叉耦合傳輸路徑為input—①—②—output。當(dāng)

　　圖3 濾波器傳輸相位示意圖

　　3 濾波器設(shè)計(jì)及結(jié)果

　　設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)端耦合濾波器出發(fā)。選取帶內(nèi)波紋為0.1dB的3級(jí)切比雪夫低通原型，原型值為g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2 =1.1474。采用耦合系數(shù)法設(shè)計(jì)帶通濾波器，設(shè)計(jì)公式為：

　　計(jì)算可得Qei=Qeo= 5.1321，M12=M23=0.1848。電路結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù)K和外部Q值的提取可以借助三維電磁仿真軟件完成。而在設(shè)計(jì)好的傳統(tǒng)型端耦合濾波器基礎(chǔ)上，通過折疊放置諧振單元，即是本文介紹的折疊形端耦合濾波器。兩種濾波器均采用FerroA6M陶瓷基板，相對(duì)介電常數(shù)為5.7，介質(zhì)損耗角正切為0.002，每層厚度為0.094mm，金屬厚度0.01mm。導(dǎo)體和通孔材料均采用銀。考慮到LTCC加工工藝要求選取基板層數(shù)為10，這樣在不同的兩層的50歐姆帶狀線寬度為0.32mm和0.3mm，諧振單元長(zhǎng)度理論上為中心頻率的半個(gè)波長(zhǎng)，但由于兩端的電容加載，尺寸應(yīng)適當(dāng)縮小。另外為避免信號(hào)間的串?dāng)_和能量泄露，還加入了屏蔽通孔。兩種濾波器的結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖5。

　　圖4 傳統(tǒng)端耦合濾波器

　　圖5 折疊形端耦合濾波器

　　利用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行仿真，通過調(diào)整各級(jí)諧振器長(zhǎng)度和諧振器間距及輸入輸出與諧振器間距，可得到滿意的響應(yīng)曲線。折疊形端耦合結(jié)構(gòu)中傳輸零點(diǎn)的位置可以通過調(diào)節(jié)1、3級(jí)諧振器間間距來調(diào)整。兩種結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對(duì)比如下：

　　圖6 仿真結(jié)果比較

　　從仿真結(jié)果可以看出，折疊形端耦合濾波器在不增加級(jí)數(shù)的情況下明顯增加了阻帶抑制度。折疊形濾波器最終設(shè)計(jì)參數(shù)為：各級(jí)諧振器長(zhǎng)度分別為l1=l3=1.49mm, l2=1.55mm，輸入輸出端與1、3級(jí)諧振器間距為-0.29mm(負(fù)數(shù)表示有覆蓋區(qū)域)，諧振器間距為0.08mm。

　　4 結(jié)論

　　本文對(duì)傳統(tǒng)的端耦合濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過將諧振單元折疊放置，在帶外高端引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，在不增加濾波器級(jí)數(shù)的情況下增加了阻帶抑制度。采用LTCC多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了諧振器間的緊耦合。仿真結(jié)果表明，在32-36GHz范圍內(nèi)插入損耗小于0.6dB，回波損耗大于20dB。