摘 要： 提出了一种基于LTCC级联技术的边带陡峭高阻带抑制多级带通滤波器的实现方法。该滤波器电路由两个谐振部分级联而成，每个部分均由电感耦合的四阶谐振腔组成。在一般抽头式梳状线滤波器设计的基础上，引入了交叉耦合，形成传输零点，并结合电路仿真以及三维电磁场仿真，辅之以DOE(Design Of Experiment)的设计方法，设计出一种尺寸小、频率选择性好、边带陡峭、阻带抑制高的滤波器。实际测试结果与仿真结果吻合较好，中心频率为3.25 GHz，其1 dB带宽为300 MHz，在1 GHz~2.86 GHz频率上的衰减均优于60 dB，在3.64 GHz~3.84 GHz频率上的衰减均优于80 dB，在4.08 GHz~5.8GHz频率上的衰减均优于60 dB，体积仅为6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

　　关键词： 高抑制；LTCC；带通滤波器；传输零点

0 引言

　　由于集成电路系统的复杂度升高，高抑制滤波器的微型化已经成为目前微波电路系统的主要研究方向。在越来越复杂的电路系统中，很多微波元器件需要有良好的电性能以及很小的物理尺寸，并且其工作稳定性也需要非常好。目前，具有高阻带抑制特性的微型化LTCC滤波器已经成为微波通信系统的研究重点 [1]。在生产制造方面，现阶段的LTCC技术具有较大的优势，它可以通过三维立体集成的方式进行加工制造，从而在微波器件的加工上运用非常广泛。基于LTCC的三维立体集成技术可以用于实现具有高阻带抑制的LTCC微型滤波器[2]。

　　带通滤波器在无线通信以及卫星通信系统中起着重要作用[3]。在这些系统中，需要用到多个相近频率的滤波器，每个滤波器相互之间会产生串扰。为了减小这种相互串扰，需要滤波器各自的阻带衰减非常高而且矩形系数非常好，并且需要滤波器的尺寸尽可能小，尤其是在一些国防尖端设备中，系统对滤波器性能和尺寸的要求越来越高[4-5]。

　　为了实现每个滤波器阻带内的高抑制特性，一般可以采用三种方法：一是用多个滤波器串接，二是增加滤波器内部的级数，三是在带外增加传输零点。然而，如果采用滤波器串接的方式，串联之后必会导致滤波器件整体尺寸扩大，这样将不利于系统的小型化，还会增加整个滤波器件的传输损耗，并且滤波器串接之后由于相互干扰和匹配等问题，导致整体滤波特性无法保证，很可能需要重新设计。而直接增加级数，例如八级滤波器，各谐振级之间的耦合参数很多，使得调试难度非常大，而调试四级滤波器的难度相对容易许多。所以在实现级联过程中，可以分为两个部分进行设计，设计单个部分时需要进行优化设计，尽量保证尺寸小以及传输损耗小，从而在级联过后，使得滤波器尺寸大幅度较小。通过交叉耦理论可以很好地实现在滤波器的设计中产生传输零点 [6-8]，此方法可以使滤波器通带内线性相位一致性高，也可以很好地改善信号在传输中产生的相位失真，而且可以使滤波器在阻带内的抑制非常高。

　　本文提出了一种通过设计一个四谐振级梳状线带通滤波器，运用内部级联的方式实现八级滤波器的方法。

1 四级滤波器电路设计

　　1.1 四级滤波器电路原理分析

　　图1是由四级梳状线结构实现的带通滤波器的电路结构图，该滤波器结构是基于四阶耦合谐振带通滤波器的原型来实现的[9]。

　　式中的中心频率f0由带状线的长度l和带状线宽度w决定，带状线两接地板之间的距离b和相邻两根带状线间距d决定滤波器的带宽，通过改变这些参数可以控制滤波器的各项指标。

　　1.2 交叉耦合传输零点分析

　　传输零点可以由不同方法来实现，其中微波信号通过不同的传输通路形成反相，可以产生传输零点 [10-12]。

　　图2是四级带通滤波器交叉耦合相位图。根据交叉耦合理论可知，微波信号通过磁场耦合产生的相移为-90°，通过电场耦合产生的相移为+90°，在谐振频率处的信号通过谐振器时不产生相位变化，即没有相移，低于谐振频率的微波信号产生的相移为+90°，高于谐振频率的微波信号产生的相移为-90°。根据理论分析并且结合图2计算相位：低于谐振频率的微波信号，主路信号产生-90°相位，交叉路信号产生+90°相位，主路信号和交叉路信号相互抵消，从而产生传输零点。对于高于谐振频率传输信号，主路信号产生-90°相位，交叉路信号产生+90°相位，主路信号和交叉路信号也相互抵消，从而产生传输零点，所以此结构在滤波器的通带两个边带均能产生相应的传输零点。

2 滤波器级联

　　图3是两个部分谐振单元级联的电路原理图。该滤波器的实现是基于两个四阶耦合谐振单元通过一段串联耦合电感进行级联的八级梳状线带通滤波器。

　　图3中，串联耦合电感L45两边的两部分四阶耦合谐振单元相同，第四谐振单元与第五谐振单元之间的串联耦合电感L45起到连接两部分谐振单元的作用。通过两部分四阶耦合谐振单元级联实现八级滤波器的滤波特性。

3 滤波器的三维实现

　　3.1 级联滤波器的设计流程

　　⑴根据要求的各项指标，选定合适的滤波器电路拓扑结构[13-14]；

　　⑵根据带状线计算公式和HFSS软件中的本征模求解方式，算出每一个谐振单元的大小；

　　⑶使用HFSS的双模提取法，确定各个谐振级之间的耦合系数，计算出各个谐振级之间的距离；

　　⑷运用交叉耦合理论，精确控制结构中各个零点的位置，使滤波器的带外抑制达到指标要求。在HFSS软件中进行三维仿真，得到性能较好的四级滤波器模型；

　　⑸在三维模型中运用串联耦合电感将设计好的两部分相同的四阶耦合谐振单元进行级联，运用DOE(Design Of Experiment)的方法对模型的整体结构进行最后调试，得到最终性能优异的八级级联滤波器的三维模型；

　　⑹提取八级滤波器的仿真数据，用LTCC工艺线进行加工，加工出的样品用矢量网络分析仪进行测试，并将测试结果与仿真曲线进行比较。

　　3.2 四级滤波器与八级滤波器的三维结构设计

　　图4是所设计的四级滤波器的三维立体结构示意图。滤波器的设计采用陶瓷介质，其介电常数为27，正切损耗角为0.002。滤波器的内部结构包括5层金属图形，其中第一层和第五层金属图形为接地板层。第二层金属图形为电容Cr层，第三层金属图形为电感电容LC层，第四层为交叉耦合电容层，通过Z字型交叉耦合带状线结构在第一级和第四级之间形成交叉耦合电容C14。

　　图5是所设计的八级级联LTCC滤波器三维立体结构示意图。该滤波器左右两部分结构与四级基本型LTCC滤波器基本相同，两部分四级谐振单元通过串联耦合电感L45级联。

4 模型仿真与测试结果比较

　　在完成整体模型后，通过DOE方法对整体模型进行微调，使其仿真性能满足指标要求并留有余量，然后将设计完成的滤波器模型在LTCC生产线上进行加工制造。

　　图6是该滤波器最终的仿真曲线与实物测试曲线的比较。从图6可以看出，三维仿真曲线和测试曲线的一致性很好。从测试结果可以看出，在通带3.1 GHz~3.4 GHz内插损均小于3.5 dB。低阻带1 GHz~2.86 GHz内的衰减都优于60 dB。高阻带3.64 GHz~3.84 GHz内的衰减均优于80 dB，4.08 GHz~5.8 GHz内的衰减均优于60 dB。

　　这种具有边带陡峭高阻带抑制的LTCC级联带通滤波器的尺寸仅为：6.1 mm×2.5 mm×1.5 mm。

5 结论

　　本文基于四阶耦合谐振带通滤波器原型，运用级联技术设计了一款具有边带陡峭高阻带抑制的LTCC级联带通滤波器。在四级带通滤波器的基础上，通过串联耦合电感对两部分四阶耦合谐振单元进行级联，并引入交叉耦合，使得高频端和低频端阻带各引入相应的传输零点，满足了滤波器阻带高抑制的要求。利用三维仿真软件HFSS搭建相应的三维模型。生产出的滤波器测试曲线与三维仿真曲线吻合很好。

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