附加传输零点的层叠式LTCC带通滤波器设计

0 引 言
    军、民通信的日益发展，特别是移动通信市场迅速扩张，对微波元器件集成度、高性能、小型化的要求不断提高。为了减小微波器件的体积，适应通信系统的小型化、易集成、性能好、可靠性高、设计灵活等要求，LTCC层叠式微波器件如滤波器、双工器和天线模块等研究开发日趋活跃，并在GPRS、CDMA、网络无线接入、卫星定位系统等航空航天领域具有非常广阔的应用前景。
    在众多的微波介质板材之中，LTCC具有较多优势。LTCC采用叠层工艺，用低电阻率的金、银、钯银、铜等金属作导电介质，能够充分利用三维空间，在基板内多层埋置各类无源器件以及有源器件，集成度高、尺寸小、射频性能优良。结合LTCC工艺，国外目前已经有众多文献涉及LTCC滤波器器的设计，并利用Hfss仿真，仿真结果和实测结果有很好的吻合。
    在此结合LTCC设计工艺，利用Ansoft Designer和Ansoft Hfss软件协同设计LTCC层叠式带通滤波器。滤波器采用集总元件设计(电容C和电感L)而成，通过Hfss进行仿真验证，最终仿真结果显示滤波器实现相对带宽40％，通带插入损耗小于2 dB，回波损耗大于20 dB，通过引入带外传输零点使带外抑制特性有了显著提高。

1 滤波器设计原理
    本文LTCC滤波器的电路设计采用切比雪夫函数逼近，其低通衰减函数为：

   
式中：Tn(ω')是n阶第一类切比雪夫多项式，即：

   
    设在阻带频率ωs'上，阻带衰减为LAS，则有：

   
    图1给出LTCC滤波器设计等效原理图，电路结构主要由两个串联谐振电路和一个并联谐振电路组成。各电感元件大小：L1=L2=10 nH，L3=2．73 nH，L4=170 nH；各电容值大小为：C1=C2=1．69 pF，C3=6．18 pF，C4=0．36 pF。当串联谐振电路和并联谐振电路协调在同一谐振频率时，信号频率为谐振频率时，串联谐振电路呈短路状态，并联谐振电路呈开路状态。在此基础上，通过加载电感L4引入耦合，在阻带低端产生一个传输零点；进一步通过加载电容C4引入耦合，从而在阻带高端产生一个传输零点。图2为等效原理图仿真得到的S11,S21参数特性曲线。

    根据图1所示等效电路，下文利用Designer设计LTCC层叠式带通滤波器立体模型，并将模型导入Hf-ss进行微调和优化，最终通过三维仿真验证，保证设计模型的精确性。

2 协同设计流程
    Ansoft结合业界最新的仿真技术，利用软件Desiger和Hfss为LTCC微波元器件设计提供了一体化的协同设计流程。图3给出LTCC设计流程。

    由图3可知，Designer完成的设计步骤有系统结构设计、LTCC电路设计、物理拓扑结构设计共三个步骤，实现对LTCC电路结构和物理结构的设计；Hfss完成的设计步骤有3D协调和优化、3D仿真验证，其主要作用是利用Hfss软件仿真精确性好的优点，对LTCC设计模型进行三维仿真验证，保证模型仿真结果的准确性。根据图1所示LTCC滤波器等效电路图，设计LTCC电路图，其LTCC电路结构见图4。

    最终设计完成的物理拓扑结构见图5。将物理拓扑结构导入Hfss进行三维验证，其三维模型见图6。通过优化，图7给出三维验证最终得到的仿真结果，其相对带宽40 ％，通带插入损耗小于2 dB，回波损耗大于20 dB，带外衰减因为带外传输零点的引入得到了很好的抑制。

3 模型结构和测试结果
    图8给出了最终设计完成的LTCC层叠式带通滤波器的立体模型。
    由图8知，LTCC滤波器共八层，端口1和2位于第一层，z方向坐标为1．2 mm；电容C1，C2占用第二、三层，下层z方向坐标为0．9 mm，上层z方向坐标为1．0 mm；电感L1，L2和L3占用第四、五层，下层z方向坐标为0．7 mm，上层z方向坐标为0．8 mm；电容C3占用第六、七层，下层z方向坐标为0．2 mm，上层z方向坐标为0．3 mm；接地板占用第八层，z方向坐标为0 mm；每个电感和电容元器件之间用传输线连接，不同层的连接用打孔来实现。
    滤波器采用Ferro陶瓷材料，其介电常数ε=5．9±0．2，损耗系数δ<0．2；滤波器尺寸大小20 mm×8 mm×1．2 mm。
    图9和图10分别给出了实际滤波器样品和相应的实测S21结果。比较图7和图10知，在1．25 GHz±1 GHz的频带内，滤波器的S21参数的理论值与实际值吻合得非常好。

4 结 语
    这里结合LTCC工艺，利用软件Ansoft Designer和Ansoft Hfss，对LTCC层叠式带通滤波器进行了仿真设计。滤波器的设计采用集总电容元件C和集总电感元件L，并在各谐振电路单元之间形成耦合以产生带外传输零点。
    从滤波器LTCC电路设计到物理拓扑结构的导出，最后到三维仿真验证，Designer和Hfss的协同一体化LTCC设计流程，有效减少了LTCC带通滤波器的设计时间。本文设计的LTCC带通滤波器有效保证了体积的小型化，并与加工实物的实测结果有很好的一致性。