一种基于LTCC 的吸收式低通滤波器的设计*

景玉明，邢孟江，张 磊，李小珍，徐 珊

（1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650504；2.昆明学院信息技术学院，云南 昆明 650214）

0 引 言

传统滤波器中的阻带“衰减”信号会被反射到信号源，然而这些反射信号可能会对整个RF 系统产生不利的影响。例如，混频器对其任何端口上的带外终端都极为敏感，然而滤波器又是混频器的前端和后端经常出现的器件。滤波器衰减的互调产物被反射回混频器可能产生不需要的谐波，这些谐波会造成系统不稳定[1]。

为了改善传统滤波器的不足，一类吸收式滤波器受到国内外学者的关注[2-6]。2010 年，陈晓凡利用一种互补滤波器的方法设计了一种用于FM 调频发射机的吸收式低通滤波器，虽然达到了带外吸收的效果，但是其3 dB 截止频率3 倍频处才获得了12 dB 的反射信号吸收，而且利用的元件较多，造成工作频带内插损较大[2]。2015 年，美国摩根提出了利用互偶性来构造吸收式低通滤波器，但由于所用的电感值必须全部相同，电容值也全部相同，极大限制了电路设计的自由度，导致带外抑制峰值低于15 dB，阻带抑制差[3]。2017 年，伊朗科技大学的Mohammad Khalaj-Amirhosseini 等人提出了一个由两个互补电路构成的双重电路被引入作为具有逆切比雪夫响应的吸收式低通滤波器，在阻带中具有任意衰减，但是三阶时的带外抑制也只能达到20 dB[4]。

上面所述的低通都是以集总参数形式出现的。当电路的工作频率比较高（大约300 MHz 以上）时，电路的寄生参数（如电容器引脚产生的寄生电感）值不可忽视，甚至占主导作用，并且随着频率的升高，利用集总元件设计的滤波器的物理尺寸和工作波长相接近，元器件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。当频率高于4 GHz 时，滤波器的性能急剧下降，集总参数元件不再适于构造高频电路，而应该用分布参数元件取而代之[7]。

低温共烧陶瓷（LTCC）工艺具有集成度高，稳定性好，封装一体化容易，布局灵活，成本低等特点[8]。本文基于国内成熟的LTCC 工艺利用三维电磁场仿真软件HFSS 设计了一款3 dB 截止频率为2.5 GHz 的半集总半分布式的吸收低通滤波器，通过利用上下极板电容的寄生电感，来达到减小传统集总参数滤波器在高频所带来的不希望的寄生效应。该款滤波器在带外6 倍截止频率处的回波损耗大于12 dB，在8 ～17.5 GHz 频带内的带外抑制能达到25 dB 以上，达到本设计的初衷。

1 原理与设计

1.1 吸收式低通滤波器的原理

本设计采用传统3 阶T 型切比雪夫低通和高通滤波器的组合形式，通过在低通单元支路阻带、高通单元主路通带添加衰减电阻来实现吸收式滤波器。为了解决过渡带及阻带中近端频点信号吸收效果差的问题，在电路中将三个电阻朝向接地的端口相连并与接地电容连接，以达到多阶组合衰减的效果。同时，在低通单元中的电容和电阻之间加入接地电感，进而在过渡带和通带之间引入谐振通带零点。最终设计的吸收式滤波器集总电路如图1 所示，低通与高通单元的截止频率相同且两个高通单元对应的元件值相同，整个滤波器网络满足互易性。

图1 吸收式低通滤波器集总电路

1.2 吸收式低通滤波器的设计

选用的LTCC 介质材料的相对介电常数εr=5.1，滤波器具体指标如表1 所示。

表1 吸收式低通滤波器具体指标

根据设计指标要求，通过优化设计，得到图1 中 各 元 件 参 数 为：L1=1.25 nH，C1=0.385 pF，L2=0.995 nH，C2=1.38 pF。通 过Ansoft Designer 软件对图1 所示电路进行仿真，其仿真曲线如图2 所示，可以看出引入谐振通带零点后解决了过渡带和通带之间的上翘问题。

图2 吸收式低通滤波器电路仿真曲线

1.3 吸收式低通滤波器的半分布式结构

存在寄生电感的电容，其电路等效为电容和寄生电感串联，如图3（a）所示。存在寄生电容的电感，其电路等效为电感和寄生电容并联，如图3（b）所示。本设计利用了阻带高通单元主路电容中的寄生电感，一方面增大接地电感的电感量，另一方面电容与寄生电感形成串联谐振，使带外产生一个抑制零点；同时还利用了接地电容的寄生电感使带外产生另一个抑制零点，在满足带外吸收的条件下，提升了整个电路的性能[9]。考虑到LTCC 制备工艺及空间利用，半分布式结构如图4 所示，具体模型将在第2 小节中提到。

图3 电容电感的相互寄生

图4 吸收式低通滤波器的半分布式结构

2 基于LTCC 工艺的三维模型实现

首先通过Ansoft Designer 软件进行实际模型中寄生的拟合，在HFSS中搭建图4所示的分布式结构，搭建出所需要的具有寄生电感的电容和具有寄生电容的电感，最后通过逐步优化，得到最终的LTCC模型图如图5 所示。

由图5 可知，低通的通带部分和阻带吸收部分放置在不同层，减小了模型的整体体积。黑色电阻与输入输出端放置在了同一侧，使阻带中电容的Q值最大化。给阻带接地电感一定的宽度，使之具有并联的寄生电容，牺牲一定的带外远端吸收来达到更好的带外抑制。经过多次优化，得到图6 所示的S 参数仿真图和图7 所示的电压驻波比曲线图。

图5 吸收式低通滤波器的三维模型

图6 LTCC 滤波器S 曲线仿真

图7 LTCC 滤波器电压驻波比

由图6 可知，此款滤波器的通带频率截止到2 GHz，3dB 截止频率fc=2.5 GHz，6fc处的带外吸收能达到12 dB，在8 ～17.5 GHz 频段内的带外抑制大于25 dB。通过调节电容电感的比例，能把S21曲线的带外抑制峰值点处的抑制度调到30 dB。图7 的电压驻波比图代表着此模型的带外反射信号吸收情况，由回波损耗与驻波比对照表可知，图中16.5 GHz 频率处的电压驻波比是2.83，对应回波损耗6.5 dB 左右，即带外吸收6.5 dB。可见，本文设计的LTCC 滤波器在2fc处带外吸收能力大于17 dB，3fc处大于19 dB，6fc处大于12 dB，有很好的带外吸收能力。

3 结 语

本文设计的基于LTCC 工艺的半分布式吸收低通滤波器，其3 dB 截止频率为2.5 GHz，在8 ～17.5 GHz频段内的带外抑制大于25 dB，具有很好的带外抑制；在2fc处带外吸收能力大于17 dB，3fc处大于19 dB，6fc处大于12 dB，有不错的带外反射信号吸收能力，模型尺寸仅为4.8mm×3.6mm×1.43mm。本模型不仅继承了LTCC 工艺的稳定性强，易于封装一体化，布局灵活，成本低等优点，而且便于调节优化，结构简单，具有很好的吸收式滤波器性能，符合设计初衷。