一种基于耦合线与枝节线的LTCC带通滤波器

杨非 王睿

摘 要：采用微带、带线等方式实现的平面滤波器由于体积较小并且便于集成，在射频微波系统中大量使用。但由于其Q值有限，在近端带外抑制要求很高时，常用的增大滤波器阶数方法不仅会导致整体插损增大，还会引起通带边缘插损急剧上升，恶化带内波动。本文介绍了一种基于耦合线和枝节线的LTCC带通滤波结构，采用该结构实现的带通滤波器与常见的一些滤波器结构相比，具有高带外抑制、高等效Q值的特点，适用于体积有限并且近端抑制较高的场合。

关键词：带通滤波器;LTCC;高带外陡度;高Q值

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0206-02

0 引言

采用微带、带线等方式实现的平面滤波器由于体积较小并且便于集成，在射频微波系统中大量使用。但由于这种实现方式下Q值非常有限，在要求很高的近端带外抑制时，增大滤波器阶数方法不仅会导致整体插损增大，还会引起通带边缘插损急剧上升，恶化带内波动。

本文介绍了一款基于耦合线和枝节线的LTCC带通滤波结构，采用该结构实现的带通滤波器与常见的一些滤波器结构相比，具有高带外抑制、高等效Q值的特点，适用于体积有限并且近端抑制较高的场合。该滤波器采用Q值较低的LTCC电路作为实现形式，通过串联耦合线与并联折叠阶梯阻抗枝节组合，能够实现低插损高带外抑制的滤波特性。

1 设计原理

1.1 串联平行耦合线的带通特性

由平行耦合线的等效电路[1，2]可知，其电路特性具有带通滤波特性。使用ADS对电长度为90°的串联耦合线进行建模仿真可以看出，平行耦合线在中心频率传输最大，在远离中心频率的两端逐渐减小，响应与带通滤波器类似。同时该传输曲线的相位特性在中心频率处为90°，等效为一个倒置器[3]。

1.2 并联折叠阶梯阻抗枝节线的传输特性

普通半波长开路枝节线与传输线的并联会在中心频率两侧0.5*f0与1.5*f0固定产生传输零点。阶梯阻抗枝节线能够减小这两个零点的频率比[4]，从而提高带外陡度。折叠阶梯阻抗枝节线能够进一步频率比，获得更高的带外抑制。这三种模型及传输特性分别如图1所示。

由曲线可以看出，并联枝节线的传输特性为中心频率两侧存在传输零点的带通特性。对比普通枝节线、阶梯阻抗枝节线、折叠阶梯阻抗枝节线，折叠阶梯阻抗枝节线具有更小的体积和更近的传输零点，因此能够实现更紧凑、抑制更高的滤波特性。

组合串联平行耦合线与并联枝节线构成带通滤波器。

由上所述，从普通枝节线带通滤波器的设计出发，将并联均匀传输线枝节用并联折叠阶梯阻抗枝节线替代，串联90°传输线用串联平行耦合线连接起来，能够得到完整的滤波器特性。下节将以实例说明其设计方法。

2 设计实例

本节应用以上提到的技术，设计一款具有较高带内平坦度与带外抑制能力的LTCC滤波器。

需设计的滤波器指标如下：通带插损：小于1dB@2.7-4.2GHz;带内平坦度小于1dB@2.7-4.2GHz;带外抑制：大于40dB@1-2.2GHz&5-5.5GHz;滤波器的实现方式为LTCC电路，生瓷材料为Dupont9K7（ε=7.1）。

首先在ADS中搭建滤波器电路模型，如图2所示，一共采用3段耦合线和2个并联折叠阶梯阻抗枝节来实现。经过电路仿真优化得到满足指标要求的各部件尺寸。

按照图2中电路仿真確定下来的尺寸在HFSS中建立电磁仿真模型，如图3所示。

对电磁仿真模型进行调谐优化，经过多次迭代，最终得到如图4所示中的仿真结果。

由结果可见，采用该方法实现的滤波器能够满足指标要求。同时带内插损与波动相比传统的交指线滤波器更优。缺点在于该滤波器远端抑制不足。

3 结语

本文介绍了一种利用串联耦合线与并联折叠阶梯阻抗枝节构造低插损高带外抑制LTCC滤波器的方法，利用该方法设计的滤波器能够采用低Q值的LTCC电路实现较低插损和较高高带外抑制，具有一定的实用价值。

参考文献

[1] 《微波滤波器阻抗匹配网络与耦合结构》，《微波滤波器》翻译组[M].科技情报通讯编译室，1972.

[2] 《微波工程》，David.M.Pozar[M].电子工业出版社，2008.

[3] J.S.Hong and M.J.Lancaster，Microstrip Filters for RF/Microwave Applications，2nd ed[M].New York：Wiley，2001.

[4] 《无线通信中的微波谐振器与滤波器：理论设计与应用》，M.Makimoto，S.Yamashita[M].国防工业出版社，2002.

A LTCC BPF Structure Based on Stub-line and Coupled-line SWIEE

YANG Fei， WANG Rui

（Southwest Institute of Electronic Equipment， Chengdu Sichuan  610000）

Abstract：Planar filters implemented in microstrip and striplines are widely used in RF and microwave systems for its compact size and easy-to-integrate. However， when high stop-band shape factor is required， commonly used method to increase the filter order not only improve the overall insertion loss， but also cause the corner insertion loss to fall abruptly， thus deteriorate the in-band ripple. In this article， a LTCC BPF structure is introduced， with high out-of-band rejection and high effective Quality factor， and is especially suitable for applications when sharp near rejection is required.

Key words：BPF; LTCC; Sharp stop-band ratio; High Q