Ka波段LTCC基片集成圆腔滤波器设计

吴 欢，陈建荣，贾文强，张晓阳

（空间电子信息技术研究院，陕西 西安 710100）



Ka波段LTCC基片集成圆腔滤波器设计

吴 欢，陈建荣，贾文强，张晓阳

（空间电子信息技术研究院，陕西 西安 710100）

摘要:将低温共烧陶瓷（LTCC）技术与基片集成波导圆腔（SICC）技术相结合，设计了一个Ka波段的四阶带通滤波器。该滤波器在28.25～30.25 GHz的通带内，插入损耗小于1.3 dB，回波损耗大于31 dB，LTCC多层基板布线的特性使得SICC谐振腔滤波器从二维平面走向三维立体，在保持滤波器高性能的同时大大缩小了尺寸，并且谐振模TM010模的选用以及共面波导探针形式的输入输出，进一步减小了滤波器的体积，最终尺寸仅为3.5mm×3.5mm×1.152mm，与传统同类型的平面滤波器相比较，所占基板面积减小了50%以上。

关键词:低温共烧陶瓷；基片集成圆腔；带通滤波器；TM010模；共面波导探针激励；Ka波段

吴欢（1990－），女，陕西西安人，研究生，研究方向为空间微波技术，E-mail:yimimomo@126.com 。

网络出版时间：2016-05-31 11:09:42 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.019.html

随着微波毫米波电路集成度的不断提高和各种新型多层电路技术的相继问世，仅仅使用传统的波导类或平面类传输线已经难以满足电路与系统小型化的发展需要。在此背景下，基片集成波导（SIW）这一新型传输结构提供了新的选择。SIW不仅继承了传统金属波导低损耗、低辐射、高品质因数、高功率容量等优点，而且集合了平面传输线易集成，质量小、易加工等优势[1]。近年，基于基片集成波导的谐振腔滤波器因其性能优异得到了广泛研究[2-6]，通常应用较多的为方波导，不过基片集成圆波导（SICC）在小型化、高Q值和设计灵活性方面更具潜力[7]。目前国内外关于SICC滤波器的研究逐渐展开[8-11]，法国的Potelo等[8]提出了一个平面的三腔SICC滤波器，他们利用在非相邻谐振腔间引入了磁性交叉耦合而在滤波器的高频端产生了一个传输零点。Potelo等[9]利用腔体表面金属层上的共面波导实现耦合从而设计出了一个Ku波段的三阶SICC滤波器。

这些设计多采用平面结构，相较于微带线、共面波导等传统平面类传输线实现的滤波器而言，它的尺寸仍然较大，因此小型化就成了亟待解决的问题，低温共烧陶瓷（LTCC）等新型多层电路结构为此提供了一个有效的解决方案。据此，本文提出了一个Ka波段四阶SICC带通滤波器，结合LTCC技术多层基板布线的特点，该滤波器采用了四个谐振腔体依次垂直放置的新型结构，使得SICC谐振腔滤波器从平面走向立体，不但提高了滤波器的性能，而且大大缩小了滤波器的体积，有效地解决了基片集成波导滤波器小型化的问题。

1　 耦合矩阵及外部Q值

所提出的滤波器设计指标为：中心频率29.25 GHz，带宽2 GHz，通带插入损耗小于2 dB，回波损耗大于20 dB，阻带衰减大于20 dB @（f0±3）GHz。

以切比雪夫低通原型为基础，综合得到直接耦合的四阶滤波器的耦合矩阵为

外部品质因数Qe=10.42。

2　 滤波器结构实现

本文所提出的滤波器模型见图1，采用Ferro-A6 M生瓷带材料，相对介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，每层生瓷带烧结后厚度为0.096mm。

图1 SICC带通滤波器模型Fig.1 Model of the proposed SICC bandpass filter

侧视图以及各谐振腔三维拆分结构如图2(a)、(b)所示，滤波器由四个基片集成圆形谐振腔构成，每个谐振腔由三层介质基片组成，这四个腔垂直依次放置，谐振腔1与2之间，3与4之间通过腔体公共金属面上的感性圆弧槽实现耦合，谐振腔2与3之间通过公共金属面中心的容性圆孔实现耦合。腔体的激励采用共面波导探针形式，此外，为了方便滤波器与其他电路元件相连以及测试，采用了微带线进行过渡。

2.1 工作模式选择及腔体尺寸确定

SICC腔体如图3（a）所示，d为金属孔的直径，p为孔间距，R为腔体半径。当腔体的高度H和半径R满足：H ＜ 2.1R时，TM010模是SICC谐振腔的主模，其电磁场分布如图3（b），电场只有z方向的分量，磁场只有j方向的分量，并且场量沿这两个方向均无变化，场结构简单稳定。其中，场分布沿z轴轴对称性的特性提高了基于SICC谐振腔的无源电路设计的灵活性。该模式的谐振波长只与腔体半径有关，而与腔体高度无关，因此在 LTCC多层电路中，可以根据需要自由调整谐振腔的高度，而不会因此影响谐振腔的性能，而且在相同的情况下，工作于TM010模的谐振腔体积最小[12]。其谐振频率为[13]：

当f0=29.25 GHz时，由上式可得SICC腔体半径R=1.625mm，可将其作为谐振腔半径初始值在仿真过程中进行微调，使腔体在中心频率上谐振，并且根据工艺所给金属通孔的直径确定组成谐振腔的通孔数目及其间距，本文所选通孔直径d=0.13mm，孔间距满足工艺要求的大于2.5倍孔直径。

图2 SICC带通滤波器结构Fig.2 Structure of the SICC bandpass filter

图3 SICC谐振腔Fig.3 SICC resonant cavity

2.2 腔间耦合结构尺寸确定

两个谐振腔间耦合会使单个腔体的谐振频率向原来的中心频率两侧分开，根据两个谐振峰的频率f1和f2可以得到腔体间的耦合系数Mij，关系如下[14]：

因此在三维电磁计算软件HFSS(High Frequency Structure Simulator)中建立腔体耦合模型，利用本征求解模式得到两个腔体的谐振频率f1和f2后，运用公式（3）即可提取腔体间的耦合系数。

根据滤波器结构可知四个谐振腔垂直依次放置，腔体间的耦合均为异面耦合。谐振腔1与2之间，3与4之间均是通过公共金属面上的感性圆弧槽实现耦合，两个圆弧槽呈对称结构，处于两谐振腔磁场都比较强的位置，这种耦合属于磁耦合。谐振腔之间的耦合强度取决于腔体间圆弧槽的位置和尺寸。感性圆弧槽位于腔体半径的0.77倍处，此处对于TM模的圆波导来说磁场最强。改变圆弧槽的长度Ls，可以得到腔体间耦合系数的变化曲线，如图4所示，根据已知的耦合矩阵中的M12，可以确定圆弧槽长度初始值Ls。

图4 耦合系数与感性圆弧槽尺寸Ls的变化曲线Fig.4 The coupling coefficient versus the inductive slot size Ls

谐振腔2和3之间是通过公共金属面中心的容性圆孔来实现耦合的，圆孔所处的位置是SICC谐振腔中TM010模电场最强的位置，所以此耦合是电耦合。改变圆孔的直径Dc，可以得到腔体间耦合系数的变化曲线，如图5所示，根据已知的耦合矩阵中的M23，可以确定圆孔直径初始值Dc。

2.3 激励结构尺寸确定

腔体的激励方式如图6，采用共面波导探针形式，为了方便滤波器与其他电路元件相连以及测试，采用了微带线进行过渡，并且设定共面波导中间金属的宽度Wo与50 Ω微带线的宽度相同，均为0.43mm。这种激励方式有两个优点：一是过渡性能好，插损小；二是相对于微带渐变线过渡形式可以有效减小电路尺寸。探针与谐振腔之间的耦合强度由参数Lp和Gp来控制，该尺寸将决定谐振腔的外部品质因数。

图5 耦合系数与容性圆孔尺寸Dc的变化曲线Fig.5 The coupling coefficient versus the capacitive hole size Dc

图6 滤波器的激励方式Fig.6 The excitation method of the filter

外部品质因数可以根据以下公式提取[14]：

式中：w0为单端加载时谐振腔的谐振频率；是相对于w0而言，S11的相位分别移动正负90°时的相对频率跨度。因此由已知的滤波器外部品质因数，可以确定激励结构的初始尺寸。

3　 优化及仿真结果

初始模型经过优化后得到的最终满足设计指标的滤波器尺寸如图7所示，除去测试引线，其大小为3.5mm×3.5mm×1.152mm，基板面积较文献[2]中所提出的中心频率为35 GHz的四阶SIW滤波器小54.6%，较文献[3]提出的35 GHz采用LTCC工艺的SIW滤波器小68.7%。

图7 滤波器的几何尺寸Fig.7 Geometric dimension of the filter

优化所得滤波器的仿真结果如图8所示，在通带28.25～30.25 GHz内，插损小于1.3 dB，回波损耗大于31 dB，在频率小于26.74 GHz和大于32.03 GHz的阻带范围内衰减大于20 dB，符合设计要求。

图8 滤波器的仿真S参数Fig.8 Simulated S-parameters of the filter

为了事先预知工艺误差对设计的影响大小，容差分析显示出了其重要作用。在线宽容差±0.01mm，通孔对位精度±0.05mm的加工容差下，多次统计仿真来进行容差分析，结果如图9所示，在通带内，插损小于1.5 dB，回波损耗大于19 dB。

4　 结论

提出了一个Ka波段的四阶带通滤波器，采用LTCC工艺将四个SICC谐振腔垂直依次放置，谐振腔间分别通过感性圆弧槽或者容性圆孔实现异面耦合，从而使得滤波器从二维平面走向三维立体，大大减小了谐振腔滤波器尺寸。该滤波器中心频率为29.25 GHz，在2 GHz的通带内，插入损耗小于1.3 dB，回波损耗大于31 dB，兼顾了滤波器小型化和高性能的要求。

图9 容差分析图Fig.9 Tolerance analysis graph

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（编辑：陈渝生）

Design of Ka-band substrate integrated circular cavities filter in LTCC

WU Huan, CHEN Jianrong, JIA Wenqiang, ZHANG Xiaoyang
(Institute of Space Radio Technology, Xi’an 710100, China)

Abstract:A Ka band fourth-order bandpass filter was designed by combining the low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and substrate integrated circular cavities (SICC) technology, whose insertion loss was less than 1.3 dB and return loss was greater than 31 dB at 28.25－30.25 GHz. The structure of this SICC filter is tuned from 2D to 3D benefited from the characteristics of LTCC multilayer substrate wiring, while the filter maintains high performance and the size is reduced greatly. The selection of TM010mode and the input / output of CPW（coplanar waveguide）probe help to further reduce the filter’s volume. The final size is only 3.5mm×3.5mm×1.152mm. Comparing with the convention same type planar filters, the substrate area of the proposed filter is reduced by more than 50%.

Key words:LTCC; substrate integrated circular cavities; bandpass filter; TM010mode; CPW probe excitation; Ka-band

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.019

中图分类号:TN713

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0088-04

收稿日期：2016-04-06 通讯作者：吴欢

作者简介：陈建荣（1960－），男，陕西宝鸡人，研究员，主要从事空间微波技术研究，E-mail:cjrchenjianrong@sina.com ；