引言

近年來， 無論是軍用電子整機、通信設備還是民用消費類的電子產品都迅速向小型化、復雜化、輕量化、多功能化和高可靠性的方向發展。

而以LTCC (低溫共燒陶瓷， Low Temperature CofiredCeramic) 為基礎的結構設計可有效減小器件體積， 是實現元器件向小型化、片式化、高可靠性和低成本方向發展的有效途徑。濾波器是決定通信系統性能的重要元器件。為此， 許多論文都提出通過在阻帶內加入傳輸零點來提高濾波器的阻帶衰減性能， 從而獲得陡峭過渡帶。

本文給出的設計方法涉及三個方面： 第一是通過設計一種濾波器結構來提高阻帶性能。該濾波器采用諧振單元耦合， 并在輸入輸出端引入并聯反饋電容來在阻帶內引入傳輸零點。傳輸零點的個數與位置可以通過耦合電容和電感控制。

第二是通過濾波器結構等效集總電路來寫出導納矩陣， 再用圖解和數學方法解釋傳輸零點情況。這對快速設計這類濾波器具有指引作用。

第三是通過仿真濾波器來證明理論的正確性。

1 LTCC濾波器的物理布局

本設計給出的濾波器的空間拓撲結構如圖1所示， 其中圖1 (a)、(b) 分別為不同角度觀察的濾波器三維圖， 其中介質為Rogers RT/duroid5880， 介電常數為εr=2.2， 損耗角正切為0.0009，介質為4層， 每層為500μm， 水平面積為3mm×18mm， 導體材料采用銀。金屬層從下至上分別為1至5層， 其中最下層和最上層為接地金屬層(為使結構圖更清楚， 圖1中隱藏了最上層金屬層)， 中間三層為電路拓撲， 其端口饋電在第三層上， 為電容饋電方式， 可與第二層和第四層電容板形成接入電容C3和C4， 調節饋電板的邊長C_w1， 可以改變電容C3與C4。加長接入和接出電容板， 可使兩塊電容板靠近， 并引入耦合電容C6， 電容板的間距為len， 未加長時， 兩電容板的間距為2400μm。通過在左右兩個諧振腔的電容板之間加入耦合電容板， 可以引入電容C5， 調節電容板邊長C_w2可控制耦合電容C5的大小。

電感在第三層， 由一根金屬線構成， 可通過半徑為50μm的通孔接地， 金屬線的寬度為200μm，調節金屬線的長度L_len可改變電感L1與L2的大小。曲線形金屬線在濾波器第二層， 為電感L3。

電容為第四層和第二層電容板與上下地形成的接地電容， 第四層與第二層電容板通過通孔相連，一個正方形電容板的面積為3mm×3mm。為使結構更加簡單和便于調試， 該結構的所有電容板都采用正方形結構。

2 集總電路設計原理

本設計的濾波器等效電路如圖2所示， 通過圖2可以看出， 該電路可分為上下兩個子網絡，其濾波器的導納矩陣為：

其中， y11′， y12′， y21′， y22′是濾波器沒有反饋電容C6的導納矩陣元素。通過導納矩陣Y可知，形成傳輸零點的位置可由下列方程確定：

其中， c1′=c1+c3 c2′=c2+c4由方程(7) 可知， 左右兩曲線的交點即為通帶兩邊傳輸零點的位置。

為了解釋該理論， 本文設計的帶通濾波器中心頻率為f0=2.45 GHz。設計可用插入損耗法， 并采用通帶波紋0.2 dB的二階切比雪夫低通原型。

通過阻抗變換公式可以得到圖1中各元件值： L1=L2=1.1nH， C1=C2 =3.78 pF， C3=C4 =1.34 pF， l3=5.87 nH， 反饋電容C的取值可通過圖3所示的傳輸零點位置來確定， 本設計中取C=0.06 pF。通過電路仿真軟件可以得到圖4所示的S參數仿真圖。

由圖3所示可以看出， 反饋電容C6=0.06 pF時， 兩個導納曲線相交于1.45 GHz和3.70 GHz處，表明濾波器在這兩個頻率處形成了傳輸零點， 圖4中圈線為未引入反饋電容C6時的二階切比雪夫帶通濾波器的傳輸特性S曲線， 實細曲線為引入反饋電容(C=0.06 pF) 后在通帶兩邊形成的一對傳輸零點的傳輸特性S曲線， 可見， S曲線傳輸零點的位置與導納方程的解符合的很好。

3 濾波器的實現與仿真結果

在沒有引入耦合電容C6時， 其接入接出電容板間距為2400 μm， 設計時可將兩電容板加長并靠近。圖5為兩電容板間距從2000 μm減小至1600μm時的S參數仿真圖， 從圖5中可以看到， 兩電容板越近， 耦合電容C6越大， 兩傳輸零點距中心頻率越近， 而對通帶則影響不大， 通帶情況幾乎沒有變化， 這與第二部分的理論一致。

通過改變矩形金屬線電感長度L_len所得到的S參數仿真圖如圖6所示。從圖6中可以看到，增大L_len， 中心頻率與兩傳輸零點均向低頻偏移， 插入損耗減小， 濾波器相對帶寬變寬， 通帶內兩諧振頻率點相距越遠， 波紋也越大。

由于濾波器（凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器）結構中的所有電容板邊長相同，都為3000 μm (用C_w表示)， 故可得到圖7所示的改變C_w的S參數仿真圖。由圖可見減小電容板邊長對濾波器的影響與增大直線形金屬線電感長度對濾波器的影響完全一致。

4 結束語

本文給出了一種小型化的新型電容耦合式LTCC帶通濾波器的設計方法。仿真結果顯示，在中心頻率處， 通帶內的插入損耗小于1.0 dB，回波損耗大于20 dB。通過多階頻率方程可以有效地得出傳輸零點的位置， 而且仿真結果與理論分析一致。