LTCC双频带通滤波器小型化设计与研究

刘 毅，戴永胜

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）



LTCC双频带通滤波器小型化设计与研究

刘 毅，戴永胜

（南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094）

摘要:选择用半集总结构搭建两个带通滤波器，通过引入电感电容的方式构建简单的匹配网络，将两个带通滤波器组合成一个双频滤波器。在ADS软件上对等效电路模型进行仿真，再用仿真软件HFSS搭建三维电感、电容模型，提取有效元件值进行拟合优化，最终达成预定技术指标。本款LTCC双频滤波器第一通带为380～560 MHz，第二通带为1 400～1 800 MHz，产品尺寸为3.2mm×6.5mm×2.3mm。

关键词:双频带通滤波器；低温共烧陶瓷；半集总结构；LC匹配网络；小型化；HFSS

刘毅（1992－），男，江苏泰州人，研究生，主要研究方向为射频与微波电路，E-mail:1473828087@qq.com 。

网络出版时间：2016-05-31 11:09:41 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.018.html

无线通信技术大爆炸的今天，通信系统对宽带和大容量的要求越来越高，而单频段通信系统仅能接收和处理单一频段的部分信号，渐渐无法满足日益严苛的通信容量需求。提高容量的最直接的方法便是设计能够兼容多种频段的双频甚至多频通信系统[1]。采用两套独立的单频段系统组合的传统双频段通信系统虽然增大了容量，但存在着尺寸庞大、不易集成、增加基站费用、系统互调影响等多种其他问题[2]。

新型双频系统通过整合可合并元器件，大大压缩了系统体积，降低产品成本，而双频滤波器作为新型双频系统的重要元器件，其性能与尺寸是设计过程中最为关心的部分。双频滤波器[3]一般是指同时具备两个通带的滤波器，其性能指标主要包括相距一定频率范围的两个通带特性和驻波比、两个滤波器之间的隔离度以及上下阻带的抑制度。本文创新性地选择了半集总结构滤波器进行双频滤波器的搭建工作，布局采用上下结构，缩小了产品尺寸。

先进的LTCC (low temperature co-fired ceramics)[4]工艺不仅使得滤波器的尺寸大大缩小，而且具备成品率高、可靠性好、开发周期短、废料生产少等诸多优点。

本文研究的此款双频带通滤波器第一通带为380～560 MHz，第二通带为1 400～1 800 MHz，通带插损小于2.5 dB，驻波比优于1.5，尺寸仅为3.2mm×6.5mm×2.3mm。

1　 双频带通滤波器理论设计

双频带通滤波器的模型示意图如图1所示。由图可知，此款双频带通滤波器包含一个输入端，一个输出端，两个带通滤波器以及一套阻抗匹配网络。

图1 双频带通滤波器模型Fig.1 Dual-band band-pass filter model

1.1 带通滤波器原理分析

本款LTCC双频带通滤波器包含两个独立带通滤波器。为了缩小实物产品体积以及便于调试优化，选择半集总结构进行搭建。两款带通滤波器的设计思路相似，均采用四个并联谐振单元的方式，构成基础的带通滤波。但是仅仅保证基础的带通滤波效果显然无法满足现代电子产品的技术要求，因此考虑通过交叉耦合的方式，引入传输零点，使得带通滤波器的边带陡峭度更好。

为了使得带通滤波器产生有限的传输零点，必须保证有多条的传输路径，使得多路信号在某一或多个频率点幅度一致而相位相反。选择在半集总带通滤波器的1、4级间搭建一条新的传输路径，于通带两端分别引入传输零点[5]。最终，四阶带通滤波器等效电路图如图2所示。

图2 四阶带通滤波器电路Fig.2 Four-order band-pass filter circuit

输入端口接有输入电感Lin，输出端口接有输出电感Lout，谐振单元1和2之间通过电感磁耦合进行连接，同样，谐振单元3和4也是通过电感磁耦合连接，而谐振单元2和3则是通过电容板实现磁耦合。用于交叉耦合的Z型电容C14在谐振单元1和4之间构建起新的传输路径，产生的传输零点极大提高了边带的陡峭度。

1.2 阻抗匹配网络

将两个带通滤波器以并联的方式构建双频带通滤波器，两个通带的带宽与中心频率将直接取决于对应的带通滤波器。上文已考虑搭建出尺寸微小、性能佳、便于调试的两款半集总带通滤波器，下文将考虑两个滤波器并联后的影响与优化匹配。

虽然并联的方式便于分别调节通带性能，但是直接并联后的滤波器会带来严重的阻抗失配问题。对两个滤波器的史密斯圆图简单分析便可得出，这是由于在各自中心频率处并联有一个额外的阻抗，使得原有的输入输出阻抗偏离50 Ω，引起失配效应。

因此考虑在两个带通滤波器的前后端各加一个匹配电路，使得在各自的中心频率上都能回归50 Ω的阻抗匹配[6]。匹配网络见图3。4个电感和4个电容分别在两个带通滤波器的前后端构成低通滤波和高通滤波效应，使得在不影响同一支路带通滤波器性能的前提下，尽可能抑制另外一条支路。

图3 匹配网络Fig.3 Matching network

2　 LTCC三维实现

首先在HFSS中分别搭建LC电感电容元件，通过ADS一步步拟合，实现两个单独的半集总带通滤波器。再搭建阻抗匹配网络，初步实现阻抗匹配即可。最终在HFSS中综合调节整体元件，并进一步压缩双滤波器的体积，实现最终的产品设计，如图4所示。

图4 双频带通滤波器的三维实现Fig.4 3D model of dual-band band-pass filter

由图4可知，两个带通滤波器通过共用一个屏蔽层，进一步压缩了体积，上层带通滤波器通带在1 400～1 800 MHz，匹配网络接有高通滤波，下层带通滤波器通带在380～560 MHz，匹配网络接有低通滤波，两个带通滤波器都接有Z形电容，用以增加传输零点，经过多次优化后，得出图5仿真曲线图。

图5 LTCC滤波器仿真波形图Fig.5 Simulated results of the LTCC filter

由仿真图可知，此款双频滤波器的第一通带为380～560 MHz，通带插损≤1.5 dB，第二通带为

1 400～1 800 MHz，通带插损≤1.9 dB，驻波比优于1.4。仿真结果给生产加工留有了足够余量，允许投入生产，获取实物测试结果。

3　 实物生产与测试

本款半集总LTCC带通滤波器选用相对介电常数为9.0、Q值500的介质填充，实际产品体积3.2mm×6.5mm×2.3mm。实物模型如图6，测试曲线如图7。

由测试曲线可知，电压驻波比最大值为1.5；带内插损最大值为2.5 dB。根据实物模型和测试曲线可知，此款双频带通滤波器不仅满足小型化的发展需求，而且双通带性能优良，驻波合格，两个通带间的隔离度很高，上下边带的陡峭程度也非常好。

4　 结论

本款基于LTCC技术的半集总双频带通滤波器，第一通带为380～560 MHz，第二通带为1 400～1 800 MHz，插损小于2.5 dB，驻波比优于1.5，实际尺寸仅为3.2mm×6.5mm×2.3mm。LTCC技术保障了滤波器的小型化，Z形电容引入传输零点，抑制边带，匹配网络实现阻抗匹配。综上，此款半集总双频带通滤波器，双频性能好、隔离度高、边带陡峭、体积小、质量小、结构简单、易于调试优化、实物通用性能好，是一款非常实用的双频带通滤波器。

图6 LTCC滤波器实物图Fig.6 Physical map of the LTCC filter

图7 LTCC滤波器测试波形图Fig.7 Measured results of the LTCC filter

参考文献：

[1] 官雪辉. 无线通信微波双频带通滤波器研究 [D]. 上海:上海大学, 2007.

[2] ZHAO L P, ZHAI X, WU B, et al. Novel design of dual-mode bandpass filter using rectangle structure [J]. Prog Electromagn Res B, 2008(3):131-141.

[3] HIROMITSU U, HIROTAKA K, KAZUYUKI T, et al. Dual-band-rejection filter for distortion reduction in RF transmitters [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2004, 52(11):2550-5226.

[4] 李宝山. 边带陡峭LTCC滤波器的设计与研究 [D]. 南京:南京理工大学,2007.

[5] 杨虹, 陈静, 刘云龙, 等. 一种基于多模谐振器的超宽带带通滤波器设计 [J]. 电子元件与材料, 2015, 34(6):61-65.

[6] 张杰. 微型LTCC双频滤波器的研究 [D]. 南京:南京理工大学, 2010.

（编辑：陈渝生）

Research of dual-band band-pass filter with miniaturization based on LTCC technology

LIU Yi, DAI Yongsheng
(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:A dual-band band-pass filter was composed by choosing two semi-lumped structure band-pass filters and introducing inductor/capacitor to construct simple impedance matching net. Equivalent circuits were simulated by using the circuit simulation software ADS first, and then three-dimensional models of inductance and capacitance were made up by simulation software HFSS. Finally, the effective values of every element were extracted for simulation and optimization. The LTCC dual-band band-pass filter whose size is only 3.2mm×6.5mm×2.3mm, has the first pass-band of 380－560 MHz and the second pass-band of 1 400－1 800 MHz.

Key words:dual-band band-pass filter; LTCC; semi-lumped structure; LC matching network; miniaturization; HFSS

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.018

中图分类号:TN713

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0085-03

收稿日期：2016-03-30 通讯作者：戴永胜

基金项目：“973”计划项目资助（No. 2009CB320201）；国家国防重点实验室基金项目资助（No. 9140C1402021102）

作者简介：戴永胜（1956－），男，安徽安庆人，教授，主要研究方向为微波毫米波集成电路等，E-mail:daiyongsheng1005@126.com ；