基于LTCC工艺的小型化可调频带通滤波器的设计

第 36 卷 第 7 期 2017 年 7 月电 子 元 件 与 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALSVol.36 No.7 Jul. 2017研究与试制基于 LTCC 工艺的小型化可调频带通滤波器的设计王尔凡，杨晓东，邢孟江（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）摘要: 设计了一款基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的小型化带通滤波器。

采用两谐振器之间的耦合效应，减 小了器件的尺寸。

在 HFSS 中建立滤波器模型并仿真，滤波器的中心频率为 1.07 GHz，带宽为 428 MHz，回波损 耗大于 22 dB，2 f0 处抑制大于 45 dB，整体尺寸仅为 6.5 mm×4 mm×0.9 mm。

在此滤波器上模拟表贴变容二极管 来调节两个谐振器中的电容实现中心频率可调。

结果表明，滤波器的中心频率在 1.05~1.23 GHz 内连续变化，在 中心频率变化过程中插损始终小于 1 dB，回波损耗始终大于 15 dB，2f0 处抑制大于 45 dB。

关键词: 小型化滤波器；连续可调频；变容二极管；低温共烧陶瓷；传输零点；电感 doi: 10.14106/ki.1001-2028.2017.07.014 中图分类号: TN713 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2017）07-0071-04Design of miniaturized tunable band-pass filter based on LTCC processWANG Erfan, YANG Xiaodong, XING Mengjiang(Faculty of Infrmation Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China) Abstract: A miniaturized two-order inductive coupling band-pass filter was designed based on low temperature co-firing ceramic (LTCC) technology, through the coupling inductance between the two resonators, which were connected to achieve the purpose of miniaturization. The filter model was established and simulated by HFSS. The center frequency of the filter is 1.07 GHz, the bandwidth is 428 MHz, the return loss is more than 22 dB, the attenuation at the 2 f0 is greater than 45 dB, and the overall size is 6.5 mm×4 mm×0.9 mm. To simulate the surface paste varactor diode to adjust the capacitance of two resonators, the center frequency of the filter is adjustable. The results show that the center frequency of the filter is continuously changed from 1.05 GHz to 1.23 GHz. The insertion loss is always less than 1dB during the change of the center frequency, the return loss is always greater than 15 dB, and the suppression at the 2f0 is greater than 45 dB. Key words: miniaturized filter; continuous tunable frequency; variable capacitance diode; LTCC; transmission zero pole; inductance当今高性能、高稳定、低成本和小型化成为现代 无线通信设备的基本要求。

在无线通信系统中滤波器 扮演着系统信号选择的重要角色。

其性能的好坏影响 整个系统运行的质量， 滤波器的尺寸大小也决定着通 信系统的大小和可携带性。

因此小型化、高性能的滤 波器成为现代通信设备的主要发展趋势。

目前，低温共烧陶瓷技术（LTCC）已经成为射 频无源器件小型化、 高集成度设计的一个有效手段。

基于 LTCC 技术的滤波器成为现代滤波器设计的主 流[1]。

在民用通信和军事通信中， 可调滤波器得到了 广泛的运用。

在民用通信中，部分收发器是在较大 的频段内有选择性地工作，而在传统的固定滤波器收稿日期： 2017-04-17 通讯作者 ：邢孟江 基金项目 ：云南省人才基金项目资助（ No. KKSY201403006） ；国家自然科学基金项目资助（ No. 61564005） 作者简介 ：王尔凡（1994－） ，男，四川巴中人，研究生，主要研究方向为无源器件的研究与设计，E-mall: 609115591@ 。

网络出版时间 ：2017-06-29 10:24 网络出版地址 ：/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1024.014.html72王尔凡等：基于 LTCC 工艺的小型化可调频带通滤波器的设计Vol.36 No.7 Jul. 2017中要达到这一目的一般是多个不同频段的滤波器组 合在一起，这样不仅使收发器的体积增加，也增加 了其成本和功耗，这不符合现代通信系统对设备小 型化、低成本的要求，用小型化的可调谐滤波器取 代传统滤波器组成为现在的趋势。

此外，在军事上 的电子战雷达系统中，雷达系统为避免不被敌方截 获、干扰，要求接收机和发射机的中心频率在任何 时候能够迅速改变，当采用可调谐滤波器时，由于 其中心频率能够随时改变，很难被敌方截获。

因此， 基于可调谐滤波器在民用通信与军事雷达系统中的 重要应用，对可调谐滤波器的研究有着重要的意义 与工程价值[2]。

2009 年 Hoppenjans 等[3]提出了在 LTCC 工艺基 础上采用新型的环形电感实现 VHF 频段电调滤波 器，Q 值能达到 70 以上并且其体积为 35 mm×20 mm×1.15 mm，2013 年 Inoue 等[4]运用 LTCC 工艺制 出在中心频率从 1.4 GHz 到 2.7 GHz 变化的、插入损 耗小于 3 的可调滤波器，其面积为 3.3 mm×3.8 mm， 2015 年 Eyad 等[5]基于 LTCC 技术，制作了调频幅度 4%、插入损耗 2.3 dB 的可调带通滤波器，该器件体 积为 5 mm×5 mm×1.1 mm。

在国内，本文首次提出基 于 LTCC 技术设计一款小型化的电感耦合可调带通滤 波器， 仿真结果表明， 滤波器的中心频率在 1.05~1.23 GHz 内连续变化， 在中心频率变化过程中插损始终小 于 1 dB，回波损耗始终大于 15 dB，2 fo 处抑制大于 45 dB，整体尺寸仅为 6.5 mm×4 mm×0.9 mm。

径，使得多路信号在某一或多个频率点幅度一致而 相位相反，则选择在输入输出间加入反馈电容成为 一条新的路径，在下边带引入零点增加高频区的抑 制[6]，滤波器的电路结构如图 1。

C22MC1 CLL 11L3 LC3 C(a) 原始电路 C C 2 2L13 L C1 C LL L1 LL L3 3 C33(b) 耦合电路 图 1 电感耦合带通滤波器原理图 Fig.1 Schematic diagrams of an inductive coupling bandpass filter电感 L1 与 L2 耦合后的各个电感值可通过如下公 式计算[7]：LL1 ( L1  M )( L 3  M )  ( L1  M ) M  ( L3  M ) M L3  M(2)1设计与分析带通滤波器的设计流程是根据低通滤波器的原 型加入导纳（或阻抗）倒相器，再根据频率变换公 式而来，每一级的级联方式都一样，简化了电路的 结构。

低通滤波器电路原型转化为带通滤波器电路 的公式为：L13 ( L1  M )( L3  M )  ( L1  M )  ( L 3  M ) M M(3)LL3 0   0  0   2  0 2       （ 1） 1  2  0     0 式中：ω0 为带通滤波器的中心角频率；ω1 与 ω2 分 别是通带的高低端的截止角频率。

由于采用的 LTCC 具有多层结构，原件体积比 较小，分布紧凑，并且都是工作在高频的环境下， 相邻谐振腔的电感就会形成电磁耦合，恶化电路结 构。

本文则利用此电感耦合来连接两个谐振器，缩 小了滤波器的体积，达到小型化的目的。

为使电路 在带外产生有限传输零点，必须保证有多条传输路( L1  M )(L 3  M )  ( L1  M ) M  ( L3  M ) M L1  M(4)式中：M 为耦合系数。

采用 Ansoft designer 电路仿真软件得到各个元 件的初始值为 C1=C3=4.62 pF ， L1=L3=6.52 nH ， L13=4.8 nH，C2=0.8 pF，并仿真了有无反馈电容时的 电路，得到图 2 的仿真结果，结果表明由于反馈电 容的存在增加了一个带外零点。

2滤波器的物理结构在 LTCC 工艺中采用的是多层结构，笔者采用第 36 卷 第 7 期王尔凡等：基于 LTCC 工艺的小型化可调频带通滤波器的设计730 0 -1 0 –10 -2 0 –20 -3 0 –30 -4 0 –40 -5 0 –50 -6 0 –60 -7 0 –70 0S2 1 S1 1(w ith outC 2)MHz，回波损耗大于 30 dB，2fo 处抑制大于 45 dB。