低损耗高抑制LTCC双工器设计与实现

贾冀洲，叶 强

(中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

随着全球信息化进程的不断加快，通讯行业迎来了迅猛的发展。通讯行业的高速发展及市场需求的日益加剧，对通讯设备提出了更高的要求。通讯设备的高性能，高集成度，高可靠性及低成本已成为其未来发展的必然趋势。

双工器作为无线信号通讯系统的核心器件，能够实现对两个异频信号的合路或对单个宽频信号的两路频段分割[1]，是通信系统接收端与发射端同时运作的关键器件。插入损耗与隔离度是衡量双工器性能的关键指标，为防止相邻频段的干扰以及实现信号的高保真传输，双工器需具备较高的隔离度及较低的插入损耗。因此，低损耗高抑制的双工器有广泛的市场及设备需求。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术自20世纪80年代提出以来，在微波无源器件的设计制作上得到了广泛的应用。与传统薄膜技术相比，LTCC技术的多层结构使模块的集成度更高，尺寸更小；用金、银、铜等高电导率材料作为印刷电路浆料，以降低模块功率损耗。LTCC技术因具有高品质因数(Q)值，高可靠性等特点，已大量应用于小型化电子设备的制作[2-3]。

本文针对现有双工器在L波段的产品较少，大部分双工器的两频段间隔较大，两较近频段的信号的隔离度较低，插入损耗高等问题，设计并制作了一款低损耗高抑制双工器。其在低端(0.95～1.35 GHz)时插入损耗小于2.5 dB，在高端(1.65～2.15 GHz)时插入损耗小于2.5 dB，且在1.65～2.15 GHz与0.95～1.35 GHz时抑制大于23 dB，弥补了现有双工器设计的不足。

全文分2个部分对双工器进行设计,即

1) 基于传输零点产生原理，采用模块化设计，借助ADS电磁仿真软件分别设计构成双工器的低、高通滤波器。

2) 对所设计的两个滤波器采用并联方式进行结合，组成双工器。通过ADS电磁仿真软件对电路中的电容、电感值进行调整，得到最优电路，并在三维仿真软件HFSS中进行三维模型搭建，优化后设计出所要求的低损耗高抑制的双工器。最后基于LTCC工艺加工制成双工器实物，对其性能进行测试。

1 分支滤波器设计与仿真

该双工器由集总元件低、高通滤波器组成，双工器原理图如图1所示。为得到所要求的抑制及更好的隔离度，在两个滤波器中采用引入传输零点的办法提高抑制效果。

图1 双工器工作原理图

1.1 传输零点产生原理

由于所设计的滤波器对抑制与插入损耗要求较高，故采用增加滤波器级数或引入带外零点的方法来提高滤波器的阻带抑制效果及隔离度[4]。采用增加滤波器级数的方法虽然会使衰减改善，但随着滤波器级数的增加，滤波器电路中的电容与电感数目也会相应增加，各元件间产生的寄生与耦合现象加剧，不利于信号的传输与器件的小型化。故本文采用引入传输零点法来增加双工器的抑制与减小插入损耗。

在LC滤波器设计中通常在原型电路添加由电感和电容构成的串、并联谐振来引入传输零点。图2(a)、(c)为产生传输零点的两种方式。图中，Lp、Cp分别为并联谐振电感和电容，Ls、Cs分别为串联谐振电感和电容。

图2 零点形成的两种谐振方式

图2(a)为Cp与Lp通过并联方式构成并联谐振，串联到原电路中。图2(c)为Cs与Ls通过串联方式构成串联谐振，并联到原电路中，一端通常与地相接[5-9]。其阻抗与导纳分别为

(1)

(2)

式中：ω为频率；jB(ω)为阻抗；jX(ω)为导纳。

若令jX(ω)=0时，则谐振频率

(3)

由式(3)可知，当到达f时该谐振形成开路(见图2(b))，阻隔信号传输。同理，若令jB(ω)=0时，则有

(4)

由式(4)可知，到达该f时谐振形成短路(见图2(d))，阻隔信号传输。

1.2 分支滤波器设计

设计的低通滤波器通带为0.95～1.35 GHz，且在1.65～2.15 GHz时，阻带抑制大于23 dB，因此，采用六阶集总元件切比雪夫型低通滤波器进行设计。由于其在1.65～2.15 GHz的抑制要求较高，故选择在电感支路并联电容构成并联谐振的方式引入传输零点。

根据传输零点产生的原理，在低通滤波器的电感L2处并联电容C12，在电感L3处并联电容C23，构成两个并联谐振，得到带双传输零点的低通滤波器原理图如图3所示。

图3 双传输零点低通滤波器原理图

由式(3)、(4)及ADS仿真软件优化后得到构成两个并联谐振的电容、电感值分别为：L2=3.9 nH，C12=2.3 pF，L3=5.26 nH，C23=0.72 pF。图4为引入传输零点前后S参数仿真曲线对比图。

图4 引入传输零点前后低通滤波器S参数对比图

由图4可知，引入传输零点后滤波器的阻带衰减有明显提高，增强了抑制效果，所设计的滤波器边带衰减较一般滤波器更陡峭，满足设计要求。

同低通分支滤波器设计方法类似，针对高通分支滤波器，采用构造串联谐振的方式引入传输零点，通过电容C4与电感L1，C5与L2，C6与L3构成3个串联谐振。所设计的带三零点高通滤波器原理图如图5所示。

图5 带三零点高通滤波器原理图

图6为经过ADS电磁仿真软件优化后得到的S参数仿真曲线。所设计的高通滤波器在1.65～2.15 GHz时，其插入损耗低于2.5 dB，且在0.95～1.35 GHz时，阻带抑制大于23 dB，满足设计要求。

图6 高通滤波器S参数仿真曲线

2 LTCC双工器整体设计

第1.2节已设计出了满足抑制及插入损耗要求的低、高通分支滤波器，将分支滤波器并联后组成的双工器电路图如图7所示。

图7 双工器原理图

由于双工器两通道间的相互影响，单纯地将滤波器通过并联方式进行连接并不能得到所要求的频率特性，因而需要对双工器电路进行整体微调，以满足设计要求。通过增大L1以减小高频信号对低通分支滤波器的影响，调整C4以加强其对低频信号的抑制能力，提高隔离度。调整构成串、并联谐振的电容与电感值来改变双工器传输零点位置，以满足阻带抑制与插入损耗的设计要求[10-11]。

经电磁仿真软件ADS进行优化，调整电子元件值，得到优化后的各个元件值为:L1=8.7 nH，L2=3.9 nH，L3=5.1 nH，L4=5.8 nH，L5=4.3 nH，L6=5.2 nH，C10=4.2 pF，C20=4.2 pF，C30=2.3 pF，C4=2.4 pF，C5=2.4 pF，C6=2.3 pF，C7=2.25 pF，C8=2.99 pF，C9=4.36 pF。仿真结果如图8所示。由图可知，所设计的双工器各项性能均优于设计要求，并留出一定余量。其目的是在三维结构的设计过程中由于寄生的因素，设计结果低于预期，因此，在理想的电路设计中需要达到更好的性能。

图8 双工器在公共端口上的仿真结果

按照图7所建立的等效电路，在三维仿真软件HFSS中进行模型搭建。电感采用多层螺旋型，电容采用垂直交叉型。采用HFSS软件建模得到的双工器三维模型如图9所示。

图9 HFSS中双工器仿真模型图

由图9可知，在高通滤波器中各个电感通过通孔的形式与电容连接构成串联谐振。谐振的电容则采用VIC型，其目的是在较小的空间得到尽可能大的电感、电容值，以实现元件小型化的需求。C5与C6则与谐振电容C8、C9共用极板，这样能减少多余的传输线，避免不必要的耦合与寄生现象产生。优化后的物理模型电磁仿真结果如图10所示。

图10 双工器三维物理模型仿真结果

对比图10与图8可知，三维模型的仿真结果与其等效电路在ADS中的仿真结果很接近，满足设计要求且有较高的隔离度。

3 LTCC双工器加工与测试

根据图9双工器三维模型结构，将LTCC粉制成厚度精密的生瓷带，利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出每层所需的电路图形，然后利用等静电压机器将生瓷带按模型电路叠压在一起，随后按模型对应尺寸进行切割。切割完的器件在900 ℃下烧结，再利用含钯银浆进行外电极端印，完成所设计的双工器制作。加工完成后的双工器如图11所示。双工器被包裹在介电常数为9.8的陶瓷体里，整体尺寸为2.5 mm×3.2 mm×1.2 mm。

图11 双工器成品图

通过安捷伦5071C网络测试仪测试后得到双工器仿真与实测结果对比图如图12所示。从图中可看出，实测结果与仿真结果较接近，在0.95～1.35 GHz间，插入损耗低于2.5 dB，阻带抑制大于23 dB；在1.65～2.15 GHz间，插入损耗低于2.5 dB，阻带抑制大于23 dB。根据实物与测试结果的对比，该双工器满足设计要求，且具有低损耗、高抑制的特点。

图12 双工器仿真与实测对比图

4 结束语

本文利用LTCC技术设计了一款低损耗高性能双工器。该双工器能够对L波段两接近频段(0.95～1.35 GHz和1.65～2.15 GHz)的信号有较高的隔离度，且插入损耗较低，弥补了现有双工器频段间隔较大，隔离度低等问题。该双工器采用低通滤波器与高通滤波器相结合的复合结构，两种滤波器均由集总参数形式的电容与电感组成。结果表明，在低、高通滤波器支路分别引入并联谐振与串联谐振，增加传输零点，可以提高滤波器的抑制效果及增加滤波器间的隔离度，以降低通带的插入损耗。两滤波器通过并联方式进行连接，由于两通道间的相互影响，需要对整体双工器电路进行微调，以满足设计要求。通过三维模型的建模，以共用极板的形式实现谐振电路与主电路电容间的耦合，减少了内埋极板的数目，避免了多余的耦合与寄生现象，实现了器件的小型化。实际生产的双工器的测试结果与电路原型及物理模型仿真结果相符，在通带内有较低的插入损耗和较高的阻带抑制。