1 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，對帶通濾波器（BPF）的要求不僅局限在低的插入損耗和高的帶外抑制上，并且要求其具有小的體積和輕的重量。有很多途徑可以實現(xiàn)濾波器小型化，LTCC技術就是其中一種很有吸引力的方法。LTCC技術是一種多層陶瓷共燒技術，它允許將無源器件植入層間，而將有源器件裱貼在表面層，充分利用空間優(yōu)勢，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、集成化。

交指帶通濾波器因為其緊湊的結構而廣泛應用在微波頻段，其單元諧振器的長度一般約為。目前大多數(shù)可行的LTCC濾波器都是利用增強單層諧振單元間的耦合來設計的。但是在整個濾波器尺寸中，單層諧振器的尺寸仍然是對濾波器小型化的一個主要限制。本文介紹了一種緊湊的LTCC交指帶通濾波器的設計。通過在LTCC兩層帶線諧振器間引入強的電容耦合，單元諧振器的長度減小到，從而使整個濾波器尺寸明顯減小。利用高頻仿真軟件HFSS仿真設計，該濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬25.2%，帶內插損小于0.6dB,回波損耗大于20dB，具用良好的帶外抑制。濾波器整體尺寸非常小，僅為12 mm×9 mm×1.32mm 。

2 諧振器結構

圖1顯示的是本文所設計的濾波器中的雙層耦合帶線諧振器結構。主要思路是在內部諧振器間引入強的容性加載效應來減小諧振器的長度。諧振器結構包括兩條耦合帶線，如圖1（a）所示。兩條帶線均是一端通過金屬化通孔接地短路，而另一端開路。由于容性耦合效應，在設計的頻率上，諧振器的總長度lr將遠小于/4。lr主要受以下3個因素影響：

1）兩條帶線的寬度ws；

2）帶線耦合（重疊）長度lc；

3)帶線間的垂直距離ds。

利用這3個因素選擇合適的尺寸，可以使諧振器的長度在設計的頻率上小于/8。

兩條帶線間的垂直距離ds必須是LTCC工藝中單層陶瓷厚度的整數(shù)倍。通常，為了得到到最強的耦合，進而使得尺寸盡量小，ds取最小值，即單層陶瓷厚度0.094mm。

圖1 雙層耦合帶線諧振器結構

(a) 三維圖形 (b)截面圖 (c) 側視圖

3 濾波器設計

本文設計的LTCC雙層帶線電容耦合交指濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬為25.2%，要求在高于2GHz和低于1GHz的阻帶范圍內實現(xiàn)大于40dB的阻帶抑制。采用六階切比雪夫低通原型設計可以滿足指標，通過對應的低通濾波器原型得到輸入/輸出的外部品質因數(shù)Qe和內部耦合系數(shù)K分別為：

Qein=Qeout=3.1，K12=K56=0.24,

K23=K45=0.17, K34=0.16

首先選取雙層帶線諧振單元。通過仿真確定每個雙層諧振單元的尺寸和位置，使其諧振頻率為1.51GHz。本文采用FerroA6介質基片，介電常數(shù)為5.7，每層厚度為0.094mm，共12層介質。通過3D電磁場仿真軟件HFSS仿真，初步選取諧振單元帶線線寬ws=0.5mm,長度ls=9.35mm,厚度t=0.01mm。兩層帶線垂直距離ds=0.094mm，分別位于LTCC介質第5層和第6層。

然后建立如圖2所示的模型來計算相鄰帶線諧振單元間的耦合系數(shù)k。內部耦合系數(shù)k由等式（1）得到：

（1）

其中f₁、f₂為由于相鄰帶線諧振器間相互作用而產生的兩個相鄰特征諧振頻率。圖3的曲線顯示了耦合系數(shù)k與兩諧振單元之間的間距s的關系。由仿真曲線可以得到s初值：

s12=s56=0.2mm

s23=s45=0.31mm,

s34=0.33mm

圖2 確定耦合系數(shù)的仿真結構

圖3 耦合系數(shù)k與間距s的關系

外部品質因數(shù)Qe的計算是通過等式（2）得到

（2）

其中為諧振角頻率，為對應諧振頻率下的群時延。圖4是確定外部品質因數(shù)Qe的仿真模型。圖5給出了外部品質因數(shù)隨輸入/輸出抽頭位置變化的曲線。由該曲線可確定抽頭的位置offset=7.07mm。

圖4 確定外部品質因數(shù)Qe的仿真結構

圖5 外部品質因數(shù)Qe隨抽頭位置變化的曲線

圖6 LTCC交指濾波器仿真模型

圖7 LTCC交指濾波器仿真曲線

圖6為LTCC交指濾波器HFSS仿真模型。通過仿真優(yōu)化，圖7給出了最優(yōu)的仿真曲線結果。由圖7可以看到，該濾波器中心頻率為1.51GHz，相對帶寬25.2%，帶內插損小于0.6dB,回波損耗大于20dB，具用良好的帶外抑制，完全滿足設計指標要求。

4 結論

本文通過利用LTCC雙層帶線諧振單元間的強容性耦合實現(xiàn)了LTCC交指濾波器的緊湊設計。與傳統(tǒng)的一層帶線/微帶線交指濾波器相比，該濾波器更為緊湊，其諧振單元長度小于，整體尺寸（12 mm×9 mm×1.32mm）得到了顯著的縮小。該濾波器非常適用于高性能、小型化的無線通信系統(tǒng)。