多层耦合短路带状线谐振单元的设计研究

杨翠娥

(太原工业学院，山西 太原 030008)

0 引言

随着现代无线通信及网络技术的飞速发展，各类相关电子产品及网络设备通过无线方式接入无线网络进行通信成为现实，而这一切得以实现依赖于至关重要的射频微波模块和射频元器件。为了实现产品的小型化，微波射频元器件的小型化成为关键。巴伦(平衡不平衡转换器)滤波器是一种集巴伦、滤波器和阻抗匹配网络为一体的新型小型化射频元件，在现代电子产品中应用广泛[1]。传统的巴伦滤波器的设计方法是分别对巴伦和滤波器进行设计，然后通过匹配网络把巴伦和滤波器连接起来组合成一个元件。不仅体积大，而且设计复杂。采用基于LTCC工艺技术的多层耦合短路带状线谐振单元的设计应用，可以在一定程度上提高和改善巴伦滤波器的性能。

1 不同层次耦合短路带状线谐振单元设计

根据耦合传输线理论[2]，图1给出了两种耦合短路带状线谐振单元的HFSS模型。当耦合短路带状线的电长度为θ=π/2(对应响应的中心频率)时，相邻短路带状线的开路端之间存在180°相位差，因此通过匹配网络可从相邻短路带状线的开路端口分别输出两路相位差为180°的信号实现巴伦特性。

以三层耦合短路带状线谐振单元为例，图2给出了相应的LC并联谐振器等效电路。

图1 宽边耦合短路带状线谐振单元HFSS模型

图2 耦合短路带状线谐振单元等效电路

(1)

(2)

谐振频率为：

(3)

由此可以计算出多层耦合短路带状线谐振单元的初步尺寸。在实际的谐振单元设计中可以借助HFSS仿真软件根据计算的初步尺寸对谐振单元进行三维建模和仿真优化，并获得所需的谐振频率及其相关特性。

2 HFSS软件仿真分析

以图1(a)中的两层耦合短路带状线谐振单元为例，对两层耦合短路带状线谐振单元进行HFSS仿真分析，得到如图3(a)所示的S参数曲线和图3(b)所示的两层带状线的开路端相位差曲线。谐振单元的物理尺寸为：上下两层带状线的线宽分别为w1=0.21 mm，w2=0.24 mm，屏蔽层间距b=1.2 mm，两带状线间距d=0.03 mm，线长l=3.6 mm，相对介电常数εr=9.4 mm。

图3 两层耦合短路带状线谐振单元仿真分析

由图3(a)可知两层耦合短路带状线的谐振频率为2.3 GHz，谐振单元实现了很好的滤波特性。作为谐振器，品质因数Q越大，选频就越精确，但是带宽就越小。反之，品质因数Q越小，带宽就越大，但是抗干扰能力也越差。由图3(b)可知两层耦合短路带状线的开路端在谐振频率点处的相位差为180°。当信号频率低于谐振频率时，谐振单元呈电容性，当信号频率高于谐振频率时，谐振单元呈电感性。仿真结果表明，耦合短路带状线谐振单元具有良好的谐振、选频特性。

同样，对图1(b)中的三层耦合短路带状线谐振单元也可以进行HFSS仿真分析，分析结果表明，随着短路带状线层数的增加，谐振单元的谐振频率变小，由2.3 GHz变成了1.86 GHz；相位差曲线的180°相位点也会跟着谐振频率发生同样的变化。短路带状线的层数并不是越多越好，层数越多，损耗越大。因此，实际中需要根据设计指标需求选择合适的短路带状线的层数得以实现小型化、低损耗的巴伦滤波器的设计。

3 结束语

本文基于LTCC工艺技术，采用多层耦合短路带状线结构形成谐振级，能够同时实现巴伦和滤波器的功能，与传统方法设计的巴伦滤波器相比，这种巴伦滤波器不仅尺寸小、而且可以很方便地通过多级级联改善滤波器参数，获得更好的滤波特性。