C波段LTCC宽边耦合叠层滤波器设计

程书博，赵祖军

（中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051）

1 引言

C波段带通滤波器的小型化一直是微波工程师的难点。C波段波长相对微波频段来说较长，采取分布参数滤波器体积庞大。而C波段滤波器用L、C结构因其Q值偏小而不合适。为此，利用LTCC多层陶瓷工艺特点，将谐振单元由分布参数带线结构实现，是一种可行的途径。

通常对于宽带耦合滤波器结构来说，因耦合系数较大，窄边耦合滤波器的缝隙太小，以常规的多层陶瓷厚膜工艺无法实现，为此，将滤波器谐振单元耦合方式采取宽边耦合形式，大大降低了厚膜印刷工艺的难度，且实现的耦合系数大，很好地实现了所要实现的滤波器性能。

2 设计

电路指标要求：

中心频率f0：3 700 MHz

3 dB带宽BW：1 400 MHz

通带驻波比VSWR：≤1.5∶1

带外抑制：40 dBc@DC～2.2 GHz，6 ～8.0 GHz

根据电路的要求设计7阶， Chebyshev作为响应函数，带内波纹为0.01 dB，其低通原型为：g1=g7=0.796 9，g2=g6=1.392 4，g3=g5=1.748 1，g4=1.633 1，g0=g8=1。根据下面公式计算原型值的耦合系数：

其中，FBW为相对中心频率的归一化带宽。电路拓扑图如图1所示。

图1 电路的拓扑结构图

模型的建立在相对介电常数εr为7.8、介质损耗角为0.006的Dupont951材料体系上。设计中为了减小滤波器的尺寸，将滤波器结构设计成类梳状滤波器，谐振单元的长度设计成滤波器中心频率的八分之一波长，端头负载电容通过在上表面增加接地电容实现。这样，八分之一波长谐振单元与负载电容一起组成了滤波器的谐振单元，如图2所示。

图2 谐振单元

通过提取其谐振频率，优化谐振单元的长宽，使得谐振频率为3 700 MHz，如图2所示。

而谐振器之间的耦合通过宽边耦合，但因耦合系数在介质介电常数较大时，耦合量又太大，为此，通过部分宽边耦合来实现需要的耦合值k，如图3所示。

图3 宽边耦合图形及其截面

建立谐振单元耦合模型，谐振单元的谐振频率将分为两个非中心频率fp1和fp2，在此两个频率处其S12参数将出现两个传输尖峰，通过下式提取其相应的耦合系数k。

图4 谐振单元耦合传输系数

通过连续变化两耦合谐振单元的距离，其fp1和fp2会不断变化，得到相应的耦合系数，如图5所示。

图5 耦合距离与耦合系数的关系

根据所要求的谐振单元之间的耦合系数，建立滤波器整体谐振单元的模型。

再提取输入输出端口处外部Q因子，即Qe1、Qen。根据建立的模型：

其中，ω0为滤波器的谐振频率，实际参数提取中发现在ω0处其相位并不等于0°，而有一个偏差。在计算时考虑相应的偏差，即得到所需的Qe值。

图6 S11相位及幅度曲线

连续调节抽头位置，提取外部Qe值与位置的关系，如图7所示。

图7 外部Qe与抽头距离关系

最终，建立所需宽边耦合滤波器模型。

图8 电路的整体模型

利用多层LTCC滤波器加工工艺实现了实物，其具体工艺流程如图9。

图9 工艺流程图

实物测试参数曲线与仿真曲线比较如图10所示。

从仿真曲线及实物测试曲线可以看出有一些偏差，主要原因有以下几个方面：

（1）带内插入损耗不一致，是因为导体的实际导电率与理想值有偏差；

（2）带外抑制比仿真值要弱一些，是因为外部接地效果与理想地有偏差，导致带外衰减本底不够；

（3）带内回波损耗比仿真要差，也是因为加工工艺精度问题导致回波偏大。这些从加工工艺角度来看还是相对比较正常。最终实物体积为6.5 mm×7.5 mm×1.5 mm，结构为表面贴装形式，有效地减小了类似频段滤波器的体积，满足了此类滤波器的小型化及批量化需求。

图10 仿真曲线与实物测试曲线

3 结论

通过直接提取谐振单元的耦合系数的方法，减小了此类频段滤波器的体积，有效地促进了此类LTCC滤波器的开发。

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