高性能LTCC双工器的研究与设计

乔冬春，戴永胜



高性能LTCC双工器的研究与设计

乔冬春，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）

提出一种基于LTCC技术的双工器的设计与实现方法。根据指标设计出相应频段的分支滤波器，再利用T型结将两滤波器的输入端相连接，构成双工器的输入端，最后将它们一体封装。该设计具有结构简单、尺寸小、隔离度高等优点。根据项目需要，设计了一款通带分别为3.45~3.85 GHz和4.9~5.9 GHz的双工器，并利用LTCC技术加工制造，通带的插入损耗小于2 dB，回波损耗优于–15 dB，尺寸仅为4 mm×10 mm×2 mm。

双工器；滤波器；小型化；低温共烧陶瓷；插入损耗；T型结

双工器或多工器是一种广泛应用于无线电接收机的重要微波器件。两者均以滤波器设计理论为基础，能实现对多个异频信号的合路或单个宽频信号的多路频段分割。不同之处在于，双工器处理的路数较少，只有两路，多工器则可以存在多路[1]。

一个好的微波双工器需要有好的隔离度以及低的插入损耗。对于低插入损耗可以采用高温超导技术或者波导、腔体结构来实现；为了使得双工器具有好的隔离度，构成双工器中的滤波器应该具有高的频率选择特性以抑制不需要信号的元件。滤波器中谐振器之间的交叉耦合可以在其通带附近产生传输零点，从而使得滤波器的频率响应具有高的选择特性[2]。

低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic）是1982年开始发展起来的令人瞩目的整合组件技术，已经成为无源器件集成的主流技术。利用LTCC制备片式无源集成器件和模块具有许多优点：布线密度高，其布线层数没有限制；材料高频特性优异，气密性理想，热稳定性良好；可以采用高电导率的金、银或铜导体；内部可以埋置无源元件；可以制作空腔；形成非常规形状集成封装等。

本文针对具体项目需求，设计了一款通带为3.45 ~3.85 GHz及4.9~5.9 GHz的双工器，通过加载对地电容及采用级间交叉耦合，减小了双工器体积，提高了输出端口间隔离度，最后通过LTCC技术加工制造。

1 分支滤波器设计

1.1 电容加载谐振器

传输线谐振器由TEM（Transverse Electric and Magnetic Field）传输线构成，主要分为1/4波长短路型和1/2波长开路型等，当频率较低时，其线长较长，不利于系统的小型化，本节将讨论加载对地电容对1/4波长短路型谐振器的小型化作用[3]。

如图1所示，谐振器1特性阻抗为0，电长度为1，谐振器2特性阻抗为0，电长度为2，加载电容的电纳值为，根据传输线理论可得，谐振器1、2的输入阻抗：

in1=j0tan1

1.2 交叉耦合理论

为了提高双工器两输出端口之间的隔离度，必须使得分支滤波器的带外衰减足够陡峭，最有效的办法便是在通带两端添加零点。根据滤波器传输零点的产生机理，要使得滤波器产生有限传输零点，就要为信号在滤波器中的传输设置多条传输路径，使多路信号在某一个或多个频率点相位相反幅度相同[4]。

如图2所示，以四级滤波器为例，通过引入一、四级交叉电耦合，对不同传输路径信号相移进行分析,低于谐振频率时，主传输通道（S-R1-R2-R3-R4-L）相移+90°–90°+90°–90°+90°–90°+90°=90°；交叉耦合通道（S-R1-R4-L）相移+90°+90°+90°=270°；两者相位差为180°，会在通带低端产生一个传输零点。高于谐振频率，主传输通道（S-R1-R2-R3-R4-L）信号相移–90°–90°–90°–90°–90°–90°–90°=–630°；耦合传输通道相移–90°+90°–90°=–90°；主副传输通道信号相位差为–540°等效为180°，信号相位相反，相互抵消，形成一个零点。在本文分支滤波器中，引入了交叉电耦合，构建了一条新的信号传输路径，在通带两端产生两个传输零点，从而实现了通带阻带的陡峭过渡[5]。

图2 谐振器间交叉耦合特性图

1.3 滤波器结构分析与仿真

如图3所示，本文双工器中的分支滤波器采用四级谐振结构，导体层包括五个金属层，第一层为交叉耦合电容层，第二、第四层为加载电容层，第三层为主谐振级层，第五级为公共地层。图中共四个谐振级，加上第一层的Z形所带来的交叉电耦合，在通带两端生成两个传输零点。其参数曲线如图4及图5，两个滤波器在通带两侧均有传输零点，边带衰减较一般滤波器陡峭许多。

图4 滤波器1的S参数曲线

图5 滤波器2的S参数曲线

2 双工器设计

2.1 T型结阻抗变换

T型结不仅起到功率分配的作用，同时为了使两个滤波器不互相影响，在分支带通滤波器前还需要串联一段长度为/4（为另一分支滤波器中心频率对应的导波波长），特性阻抗为50W的传输线变换后接到公共输入端口，由阻抗变换公式可知，在另一滤波器通带，1→0，则，此时该分支滤波器近似开路，对另一分支滤波器影响降到最低[6]，另一滤波器接法类似。其具体操作可以如下：将分支滤波器在HFSS（High Frequency Structure Simulation）中的仿真结果导出为S2P文件，利用ADS（Advanced Design System）中的LineCalc工具计算出对应的匹配支节长度与宽度，之后利用optim控件对T型结长度、宽度进行优化，如图6所示，在得到最优化结果后在HFSS中建模。

2.2 双工器仿真与测试

在对T型结优化完成之后，在HFSS中将其与两个滤波器共同建模，并封装于一陶瓷介质中，最终双工器采取T形端口分布，即输入端口位于双工器中央，两个输出端口位于双工器两侧，其模型如图7所示。由于ADS中仿真是基于矩量法，其在三维结构中准确性会受到影响，因此还必须对三维模型进行优化，其最终结果如图8所示。

图8 双工器的S参数仿真

总体设计完成后，采用相对介电常数13.3，损耗角0.002的陶瓷作为介质，厚度为10 mm的银作为导体，该双工器成功地在生产线制造出来如图9所示，尺寸仅为4 mm×10 mm×2 mm。图10为经过LTCC工艺加工制造样品的参数曲线，测试采用Agilent 8719ET矢量网络分析仪，由图10可见，传输函数曲线与图8仿真曲线基本吻合，通带3.45~3.85 GHz及4.9~5.9 GHz插入损耗小于–2 dB，回波损耗优于–15 dB，符合项目需求。

图9 样品照片

图10 双工器的S参数测试曲线

3 结论

提出了一种双工器的设计与实现方法，并通过LTCC工艺加工实现，通过加载接地电容，减小了双工器的体积，引入级间交叉耦合，提高了输出端口间的隔离度，同时运用T型结阻抗变换，最终实现了该双工器的设计，经测试验证，本设计方法科学规范，具有广泛的实际应用价值。

[1] 马延爽. 微波双工器和多工器的设计[J]. 无线电通信技术, 1997(4): 17-21.

[2] 陈世勇, 雷剑梅, 胡旭, 等. 一种具有传输零点的Hairpin带通 滤波器设计[J]. 电路与系统学报, 2005, 10(4): 145-147.

[3] 甘本袯, 吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京: 科学出版社, 1972.

[4] 李雁, 戴永胜. 一种基于LTCC技术的UHF波段高性能带通滤波器[J]. 固体电子学研究与进展, 2014, 34(4): 367-380.

[5] 王正伟, 补世荣, 罗正祥. 一种识别雷达用半集总参数LTCC双工器[J]. 微波学报, 2011, 27(6): 81-83.

[6] 田歌, 杨瑾屏, 史生才, 等. 三端口T型接头建模研究及高性能分支线耦合器设计[J]. 电子学报, 2014, 42(1): 199-203.

（编辑：曾革）

Research and design of a high-performance LTCC diplexer

QIAO Dongchun, DAI Yongsheng

(School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A method of designing and implementing LTCC diplexer was proposed. Two branch filters were designed according to the pass bands and technical indexes, then the input ports of the two filters were connected with T junction to make up the common input port, finally, they were packaged them into a single ceramic block. This kind of design has the advantages of simple structure, small size and high isolation. According to the requirement of current project, a diplexer with pass band of 3.45－3.85 GHz and 4.9－5.9 GHz is designed, the insertion loss is less than –2 dB, the return loss is better than –15 dB and the size is only 4 mm×10 mm×2 mm.

diplexer; filter; miniaturization; LTCC; insertion loss; T junction

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.011

TN713

A

1001-2028（2016）07-0046-03

2016-04-11

戴永胜

国家重点基础研究发展973计划资助（No. 2009CB320201）；国家国防重点实验室基金资助（No. 9140C1402021102）

戴永胜（1956－），男，安徽安庆人，教授，主要研究方向为MMIC、微型LTCC微波器件设计等，E-mail: daiyongsheng1005@126.com；

乔冬春（1990－），男，江苏扬州人，研究生，主要研究方向为射频与微波电路，E-mail: qiaodongchun@163.com。

2016-07-01 10:47:59

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1047.010.html