具有三阶谐振腔的S波段LTCC带通滤波器设计

杨海峰，邢孟江

(1.宝鸡文理学院物理与信息技术系，陕西宝鸡 721016;2.西安电子科技大学微电子学院，西安 710071)

随着无线通信的快速发展，移动终端向小型化、轻便型方向发展。滤波器作为射频组件的重要组成部分，在无线通信领域有广泛的应用［1］。高性能的滤波器对无线通信的品质往往有很大的提升。

滤波器的性能主要取决于通带中的衰减程度以及带外的衰减速度。在采用插入损耗法设计滤波器过程中用巴特沃兹多项式或切比雪夫多项式逼近插入损耗函数时，带外衰减速度随多项式阶数的增加而增加，但是滤波器的阶数越多插入损耗会增加，同时器件的体积和制作的难度也会增加，所以在设计滤波器时要考虑系统指标要求及封装要求。

应用低温共烧陶瓷技术(LTCC)制作滤波器等无源器件有无可比拟的优势:①采用叠层工艺，有效地减小器件体积;②可以使用导电系数高的金属，使得材料传输损耗小，频率特性好;③ 可以混合集成模拟、数字、射频等器件及电阻、电容、电感等元件组成多功能组件;④成本相对较少，产品设计周期短等。所以应用低温共烧陶瓷技术在射频组件的设计方面已有广泛的应用［2］。

本文采用低温共烧陶瓷技术，设计出了一个中心频率为2.4 GHz，相对带宽为10.4%的三阶带通滤波器，体积仅为3 mm×2 mm×1 mm，在无线局域网和蓝牙等无线通信中有广泛的用途。

1 滤波器设计

首先根据对滤波器指标的要求设计出了具有切比雪夫特性的三阶带通滤波器。此种滤波器为电容性耦合，由3个并联谐振腔组成。电路原型的求解过程:首先求出低通滤波器的原型，再由导纳变换器和并联谐振器把低通原型转化为电容耦合的并联谐振器。需要注意的是在这种变换中采用的导纳变换器如图1所示，即实现了用电容耦合［3］。

也可用ADS等射频电路设计软件进行综合，快速得到电路原型，如图2所示。其中的元件值C1=C3=2.58 pF，C2=2.81 pF，C4=C7=0.95 pF，C5=C6=0.40 pF，L1、L2及 L3的值均为1.23 nH。

得到电路原型之后，完成了设计的第1步。下面必须考虑如何利用低温共烧陶瓷技术来实现上述电路的模型结构，这时必须考虑到此器件的工作频段、各个元件值的大小和制作电路工艺线的条件等因素。考虑到此次设计的滤波器工作在S波段，而且各个元件值不是很大，所以考虑使用集总参数的元件来完成设计。

应用集中元件来实现射频段的电感和电容，可以采用很多方法［4－6］，结合本次设计的滤波器电路的具体参数，对于电容值较小的C4和C7采用较简单的平板电容，如图3(a)所示，而对于电容值较大的C1、C2和C3采用垂直指插电容，如图3(b)所示。

图3 电容示结构

设计的重点是如何实现C5和C6电容，当然也可以采用平板电容这种最简单的结构，但是也可根据 K.Rambabu 和 Jens Bornemann［7］提出的耦合方法实现小电容。本文正是采用这种方法，利用了C1、C2和C3这3个大电容之间耦合效应，产生2个小的电容值即C5和C6。采用这样的方法可以有效地减小器件的尺寸，提高元件的集成度，但是提高了器件的设计难度。

对于电感L1、L2和L3，由于它们的电感值不大，所以很容易用一段传输线来等效［8］。最后，根据工艺条件要求，采用Ferro A6M作为低温共烧陶瓷的介质材料。此种介质的相对介电常数为5.9，每一层的介质厚度为84.5 μm，采用金属银作为共烧金属材料，金属厚度为12 μm。在HFSS中建立的器件模型如图4所示，共包含10层介质和11层金属。

图4 滤波器三维模型

2 仿真分析

分别利用Agilent ADS和HFSS对电路原型(图2)和三维立体模型(图4)进行仿真，对仿真结果进行对比，如图5所示。可以发现建立起的三维立体器件模型在预设的通带中较好地实现了滤波器的功能，通带中 S11大于20 dB，S21小于1.5 dB，较好地实现了带通滤波器的功能。

但是在高频阻带，三维立体模型和电路模型仿真显著不同，HFSS仿真结果在高频阻带产生了一个传输零点，这是电路原型所没有的。在带外产生传输零点是由于集总参数元件的寄生效应。

图5 滤波器电路和三维电磁仿真对比

通过分析，寄生效应来源于垂直指插大电容C1、C2和C3，这是由于多层金属结构和共地面产生了寄生电感。正是由于寄生电感的存在，产生了带外零点。考虑寄生效应后的电路如图6所示。

图6 增加寄生电感的电路

此电路的阻抗矩阵是由图2所示电路的阻抗矩阵和电感L的阻抗矩阵之和，即

当Z21=0时，表明信号不会由端口1传输到端口2。根据Z矩阵和S矩阵的关系，此时S21也为零，即表明产生了传输零点。所以可以由传输零点的位置反推出电感L4的大小，通过计算为0.21 nH。

最后，对比增加寄生电感的电路和三维立体器件模型。如图7所示，在通带中和带外仿真结果都比较吻合，从而验证了此款带通滤波器的三维立体模型和电路模型功能一致。

图7 考虑寄生电感的电路和三维电磁的仿真结果

3 结束语

本文提出的具有切比雪夫特性的三阶带通滤波器，在用低温共烧陶瓷实现时有效地利用了耦合电容，使器件结构比较紧凑，体积仅为3 mm×2 mm×1 mm，中心频率 2.4 GHz插入损耗为1.1 dB，回波损耗为23 dB，相对带宽为10.4%，带外2.0 GHz和 2.8 GHz处插入损耗分别达到35 dB和40 dB。以上数据表明，该滤波器比同类型的滤波器有较优越的性能。

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