基于LTCC技术的S波段双工器的设计

吴宝东，雷长春

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)



基于LTCC技术的S波段双工器的设计

吴宝东，雷长春

(中国船舶重工集团公司第723研究所,扬州 225001)

借助低温陶瓷共烧(LTCC)技术和三维叠层结构的设计方法，设计了有限传输零点的带通滤波器(BPF)，然后通过匹配网络设计了一种S波段双工器，利用HFSS仿真软件对其对其参数进行了仿真优化。该双工器尺寸为18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，在2.06 GHz和2.21 GHz处的插损小于-3.72 dB，在1.87 GHz和2.32 GHz处衰减大于-55 dB，在1.51 GHz到2.52 GHz处隔离度小于-12 dB,达到了双工器设计指标要求和小型化的目的。

低温陶瓷共烧技术;传输零点;双工器;小型化

0 引 言

当今通信领域中由于各个微波频段中各种系统的频率拥挤及多信道实时双向通信的要求，使得双工器成为现代通信设备中必不可少的组成部分。如何实现小体积、高性能和低成本的双工器已经成为双工器设计的关键问题。低温陶瓷共烧(LTCC)技术具有高集成度、高性能和高可靠性等特点[1]，可将二维电路的布局变为三维电路布局，成为多层无源器件和电路设计的主流，对微波无源器件的小型化起到了极大的推动作用。因此，利用LTCC技术可实现双工器的小型化设计和集成化设计。

本文借助LTCC材料和三维层叠结构的方法，设计出了一种带有限传输零点的S波段双工器，其尺寸为18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，收发频率分别为2.06 GHz和2.21 GHz,带宽为60 MHz，达到了高性能和小型化设计要求。

1 设计原理

双工器设计的一个重要环节就是收发用的带通滤波器设计，要求设计的带通滤波器在阻带内插损大，以便抑制设备不需要的频率，通带内插损耗小，便于设备需要的信号无损通过。为了达到上述目的，本文采用了有限零点带通滤波器设计的方法。传输零点理论指的是滤波器传输函数等于零，即在这一频点上能量不能通过网络，因而起到完全隔离的作用。通常带通滤波器在无限远频点处的传输函数是趋于零的，称之为无限传输零点，但由于是无限远，因此没有实际意义。在实际设计的带通滤波器中为了使通带外有较大的抑制，就需要在一些特定的频点处引入传输零点，这便是有限传输零点。滤波器作为二端口网络，只要在网络端口某频率点处的传输阻抗为无穷大(导纳为零)或者与地之间的传输阻抗为零(导纳为无穷大)，就可以实现传输零点[2]。在网络的串联支路中有并联谐振或并联支路中有串联谐振时，都能在产生谐振的频率点处产生传输零点。图1为最基本的串、并联谐振支路，可根据电路设计需要衍生出更多的电路，产生多个频率点上的传输零点，从而满足不同的设计需求。

图1 并、串联电路中的串、并联谐振

设计的2个带通滤波器分别调谐于收频和发频，分别通过 “T”型匹配网络相连，从而满足两端口之间的隔离度。为使电路中总的输入导纳在2个带通滤波器的通带里为一恒定实常数，将两个带通滤波器通过λ/4传输线变换后接到天线段。在工作频段内每个带通滤波器输入端相对另一个带通滤波器为短路，两个滤波器之间的相互影响较小。

2 滤波器设计

采用二阶巴特沃滋滤波器电路作为原型，在此核心电路基础上加上输入、输出匹配电容CI和CO，等效电路如图2所示，此电路可产生一个传输零点。

图2 单传输零点带通滤波器的集总参数电路原型

为求得电路中各个元件的数值，对图2中的L1和L2之间的互感电路进行等效转换[3]，如图3所示。转换公式如下:

LL1=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L2-M)

(1)

LL2=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L1-M)

(2)

MM=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/M

(3)

图3 互感等效网络构

互感等效网络结构转换后的等效电路如图4所示。

图4 单传输零点带通滤波器的等效电路图

利用图4可以解释分析此滤波器的工作原理，但图4中的电感L(即MM)较大，使得实现结构复杂。图2中的互感M比较小，便于缩小尺寸。因此，利用LTCC技术实现滤波器时还是以图2中电路为佳[4]。

利用公式(1)～(12)计算图2中各个元件的值[5]，CS=0.38 pF，CR=2.1 pF，CI=CO=0.28 pF，L1=L2=1.8 nH，M=0.26 nH。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

镜像频率ωc[5-6]计算如下:

(11)

式中：wz为传输零点频率;w0为通带中心频率;Z0为终端阻抗;BW为3 dB带宽;α为设计变量[7]。

在电磁仿真软件中设计LTCC布局，为了有效利用电感之间的互感，构造出如图5所示的结构。使用的介质材料为Ferro-A6型LTCC材料，损耗角正切值为0.002，相对介电常数为5.9，层厚为0.1 mm。从图5可清楚地看出，电路分为5层。最下层为第1层用金属覆盖作为地。第1、2层的电极之间形成了CR，第3、4层形成了CS，第4、5层为U型金属条形成了电感L1和L2，它们之间的耦合形成了互感M，当这两个电感的距离越近时，互感M越大。第4、5层上的其它金属间的容性耦合形成了电容CI和CO。利用LTCC实现的带传输零点的带通滤波器结构尺寸为4.6 mm×2.8 mm×0.6 mm。

图5 利用LTCC实现带传输零点的带通滤波器

利用AnsoftHFSS电磁仿真软件进行了S参数仿真，仿真结果如图6所示。

图6 带传输零点的带通滤波器仿真S参数

同理可设计出中心频率w0=2.21GHz, 需要抑制的本振镜像频率wz=2.32GHz,WB=60 MHz的滤波器。

3 双工器的设计

将2个带通滤波器分别通过λ/4传输线进行阻抗变换，并通过T型网络进行连接，形成的双工器如图7所示，尺寸为18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm。

图7 利用带传输零点的带通滤波器实现的S波段双工器

利用AnsoftHFSS电磁仿真软件进行了S参数仿真，仿真结果如图8所示。

图8 基于LTCC的S波段双工器仿真结果

4 结束语

结合LTCC技术设计了一个收、发频分别为2.06 GHz和2.21 GHz的双工器，尺寸小巧，并利用传输零点有效实现了对带外信号的抑制，为工程设计提供了有益的探索。

[1] Bruce A,Kopp A.Shaun Francomacaro.Miniaturized strip line circuitry utilizing low temperature cofired ceramic (LTCC) technology[A].IEEE MTT-S International Microwave Symposium[C],1992:1513-1516.

[2] 魏宇哲.低温共烧陶瓷中无源滤波器的分析与设计[D].南京:南京理工大学,2003.

[3] Pozar David M.Microwave Engineering[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007.

[4] Lap Kun Yeung,Ke-Li Wu.A compact second-order LTCC band-pass filter with two finite transmission zeros[J].Microwave Theory and Techniques,2003,51(337)： 223-231.

[5] Sutono A,Laskar J,Smith W R.Design of miniature multilayer on package integrated image-reject filters[J].Microwave Theory and Techniques,IEEE Transactions,2003(3):156-162.

[6] Sutono A,Laskar J,Smith W R.Development of integrated three dimensional Bluetooth image reject filter[A].Microwave Symposium Digest IEEE MTT-S International[C],2000:339-342.

[7] 任辉.低温共烧陶瓷多层微波无源滤波器技术研究[D].成都:电子科技大学,2006.

Design of S-band Diplexer Based on LTCC Technology

WU Bao-dong，LEI Chang-chun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a band-pass filter (BPF) with a limited transmission zero by using low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and 3-demension overlap structure design method,then designs an S-band diplexer through matching network,and uses HFSS simulation software to simulate and optimize the parameters.The diplexer dimension is 18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm,the measured insertion loss is less than -3.72 dB at the frequency of 2.06 GHz and 2.21 GHz,and the decay at 1.87 GHz and 2.32 GHz is larger than -55 dB,the isolation between the frequency 1.51 GHz and 2.52 GHz is less than -12 dB,which satisfies the requirement of diplexer design index and miniaturization purpose.

low temperature co-fired ceramic technology;transmission zero;diplexer;miniaturization

2014-11-16

TN713

B

CN32-1413(2015)02-0105-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.027