郭绪跃，邢孟江，王 维，代传相



具有两个传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器

郭绪跃，邢孟江，王 维，代传相

（昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500）

采用LTCC工艺，研制出一种具有简单传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器。对陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度等工艺可调参数进行了容差仿真分析，并对器件进行了加工测试。结果表明，该带通滤波器带内插入损耗小、带外抑制度高、体积小，且设计与调试方法简单有效。该带通滤波器插入损耗小于3 dB，电压驻波比小于1.3，整体尺寸为6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。

滤波器；低温共烧陶瓷；六阶SIR耦合谐振；容差分析；插入损耗；电压驻波比

近年来，随着电子行业的高速发展，射频电路的设计越来越复杂，在射频电路中器件的指标要求也越来越高，带通滤波器作为射频电路重要的器件，其性能的好坏直接影响射频电路通信的质量。随着蜂窝移动通信、无线局域网等无线通信技术的发展，滤波器的研究不断取得新的进展[1-4]。在现代无线通信设备中，带通滤波器是射频前端的重要组成元器件，其小型化、微型化、高性能、低成本成为设计的重点。采用SIR（Stepped Impedance Resonator）设计的带通滤波器，不仅可以实现滤波器的上述要求，而且还具有良好的谐波抑制和较高的带外抑制[5]。SIR有很多种类，从应用范围、频谱范围以及结构实现途径上，都有较大的设计自由度，所以学者采用SIR原理设计了不同结构的带通滤波器。2010年，南京理工大学戴永胜等[6]采用/2 SIR阶梯阻抗谐振器设计了2.4 GHz和5.2 GHz双频滤波器。2012年，杨海峰等[7]应用低温共烧陶瓷技术，设计出了具有切比雪夫特性的三阶带通滤波器。2013年，南京理工大学戴永胜教授等[8]采用半集总式结构设计实现了尺寸仅为1.6 mm×0.8 mm×0.6 mm蓝牙带通滤波器。2014年，南洋理工大学的Zhang等[9]采用/4阶梯阻抗谐振器，设计了一个4阶的双通带带通滤波器；台湾崑山科技大学Wu等[10]采用/2 SIR阶梯阻抗谐振器设计了一个通带频率为1.575，2.45和3.5 GHz三阶三频带通滤波器；电子科技大学的Mo等[11]采用/4波长SIR和/2波长SIR组合的方式设计了一个三阶三频段的带通滤波器；Wei等[12]采用改进型的/4谐振器设计了一个通带频率为1.92，3.50，5.75 GHz三阶带通滤波器。

本文基于LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic）工艺，利用HFSS进行建模仿真，设计出一种具有简单传输零点的六阶SIR耦合谐振带通滤波器。该带通滤波器由六个/4波长SIR谐振器和一个T型反馈电容构成，可以通过调整谐振器的中心频率及耦合间距，控制带通滤波器的中心频率及带宽。通过T型反馈电容可控制传输零点的位置。为了验证模型的通用性和可调试性，对陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度进行容差仿真分析，并进行了加工和测试。

1 λ/4波长SIR谐振器

/4波长传输线可以等效为并联谐振腔，但由于体积原因，用于制作小型化滤波器并不现实。为了减小尺寸，本文采用SIR即阶梯阻抗谐振器。SIR谐振器是由两个具有不同特性阻抗的微带线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。图1是采用微带线结构的典型SIR。在图1中，设传输线开路端和短路端之间的特征阻抗和等效电长度分别为1、2和1、2，可得谐振条件[13]为：

对于SIR来说，它存在三个自由度1、2和2/1，对于只有长度和特性阻抗两个自由度的传统/4波长谐振器，SIR谐振器不仅体积可进一步减少，同时给予更多的设计灵活度。

图1/4波长SIR谐振器

Fig.1/4 wavelength SIR resonator

2 六阶带通滤波器

根据/4波长SIR谐振器结构，使用HFSS仿真软件对单个SIR谐振单元进行仿真优化,得到单个谐振单元的结构参数。确定SIR谐振器级数后，通过调节级间交叉耦合大小，优化耦合间距，得到满足表1所列指标的滤波器，设计出一个六阶SIR滤波器。图2是六阶SIR滤波器的结构模型，滤波器由6个l/4波长SIR谐振器构成。

图2 六阶带通滤波器结构示意图

滤波器共有七层金属层和六层LTCC陶瓷介质层，见图3，介质层采用C1108陶瓷膜带。介质的相对介电常数r=8.2，介质的薄膜厚度为50，115和805 µm三种，介电损耗为0.002，收缩率是：(13.4±0.3)%；：(15±0.5)%；其中Layer_1到Layer_2及Layer_6到Layer_7层是厚度为115 µm的陶瓷薄膜，Layer_2到Layer_3以及Layer_5到Layer_6层是厚度为805 µm的陶瓷薄膜，Layer_3到Layer_4层为50 µm陶瓷薄膜。金属层采用配套的金属银作为导体，单层金属层厚度为10 µm。六阶带通滤波器模型中，Layer_1和Layer_7为侧边接地端，Layer_2和Layer_6为电磁屏蔽地面，Layer_4层为主谐振单元，主要提供SIR谐振的电感，加载电容由Layer_4带状线的自电容和Layer_3的加载电容组成。谐振单元之间的距离决定了谐振级间耦合强弱，进而通过控制谐振级间的耦合强度可以调整滤波器的带宽。

图3 六阶带通滤波器结构示意图

为了提高带通滤波器带外抑制，在第1,6级间或2,4级间引入一个交叉反馈电容即Layer_5层，从而可以实现在通带外的两侧产生传输零点。所引入的交叉电容是通过双T形Layer_5层金属层和Layer_4层为主谐振单元的耦合来实现。通过改变双T形的位置及两臂的尺寸可以控制零点位置。对双T形而言，由于交叉耦合会形成两个传输零点，通常增大双T形的面积，双T形与谐振级的耦合电容增大，则其形成的两个传输零点会向中心频率方向偏移，反之亦然。因此，可以通过反复优化，选择合适的双T形与谐振级的耦合电容大小，从而实现传输零点的精确控制，实现高阻带抑制和谐波抑制。

3 仿真结果和容差分析

针对小型化S波段带通滤波器在实际中的应用指标如表1所示，构建了陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度三个变量可调谐的六阶SIR滤波器模型，并进行优化仿真。

表1 3 250 MHz带通滤波器指标

Tab.1 Index of 3 250 MHz band-pass filter

所设计的滤波器的尺寸为6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，采用HFSS软件对滤波器进行设计仿真，仿真结果如图4~7所示，该滤波器中心频率为3 250 MHz、带宽为300 MHz、带内插损<2.63 dB、电压驻波比<1.26、通带纹波<0.58 dB、带外抑制>39.5 dBc@ 1.0~2.66 GHz；>37.2 dBc@3.64~3.84 GHz；>53 dBc@ 4.08~4.38 GHz。图4为VSWR曲线图。

图4 带通滤波器的电压驻波比

为了验证模型的正确性和工艺误差可调试性，对陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、厚度等参数进行容差分析。图5为对介质层的厚度进行容差分析结果。当介质层厚度由42.5 µm增加到45 µm时，中心频率向高频偏移，带通滤波器的驻波比无变化，参数实现整体漂移；图6是对金属微带线宽度进行容差分析的结果，当金属微带线宽度由1=220 µm增加到1=250 µm时，中心频率向低频偏移，参数也只是整体的漂移。图7对金属微带线厚度进行容差分析，当金属微带线厚度由10 µm增加到15 µm时，中心频率几乎不变，整体波形几乎没有变化。以上的容差分析结果表明，工艺误差会使所设计的滤波器的中心频率发生漂移，但不会对滤波器的整体性能产生大的影响，由此验证了模型的正确性，该模型不需要重新制作网版，可通过改变陶瓷材料的厚度或者金属材料的厚度，修正实际加工时工艺带来的频率漂移。该模型也可以通过改谐振器的中心频率、耦合系数、传输零点等参数值的大小，得到任意频段的六阶SIR带通滤波器。

图5 介质层厚度分析S参数曲线

图6 金属微带线宽度分析的S参数图

图7 金属微带线厚度分析的S参数图

4 器件测试结果

对所设计的滤波器进行加工，并利用网络分析仪对器件进行测试，得到器件的参数与电压驻波比曲线如图8~10所示。测试结果中，中心频率为 3 250 MHz、带宽为300 MHz、插入损耗<2.94 dB、纹波<0.55 dB、带外抑制>39.3 dBc@1.0~2.66 GHz；>37.2 dBc@3.64~3.84 GHz；> 40 dBc@ 4.08~4.38 GHz、电压驻波比<1.53，均满足设计指标要求。

图8 六阶带通滤波器的S21曲线

图9 六阶带通滤波器的S11曲线

图10 六阶带通滤波器的电压驻波比曲线

5 结论

通过SIR耦合谐振的基本原理，设计了一款具有两个传输零点的六阶SIR带通滤波器。通过分析陶瓷介质材料厚度、金属微带线宽度、金属微带线厚度等参数，对滤波器的性能进行了验证，并对所设计的滤波器进行加工测试。该带通滤波器具有带内插入损耗小、带外抑制度高、体积小，且设计方法简单有效。该带通滤波器插入损耗小于3 dB，驻波比小于1.3，整体尺寸为6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。结果表明，该带通滤波器相比文献[7]所设计的三阶带通滤波器，在尺寸满足规格、插入损耗符合指标要求的情况下，实现了更高的带外抑制度，更高的矩形度，适应于对矩形度与带外抑制度要求更为严格的场合。

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（编辑：陈渝生）

Six-step SIR coupled-resonator band-pass filter with two transmission zeros

GUO Xuyue, XING Mengjiang, WANG Wei, DAI Chuanxiang

(Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

AdoptingLTCCtechnology, asimplesix-stepSIRcoupled-resonatorband-passfilterwithtransmissionzeros was designed. Simulatinganalysis of the toleranceofprocessvariation such as ceramicdielectricmaterials thickness, metal micro-strip linewidth, metal micro-strip linethickness was conducted, and the filter was produced and tested. The results show that this band-pass filter have properties as follows, the insertion loss is less than 3 dB, the voltage standing wave ratio is less than 1.3 and the size is only 6.8 mm×4.2 mm×1.5 mm.

filter; LTCC; six-step SIR couplingresonance; toleranceanalysis; insertion loss; VSWR

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.07.015

TN713

A

1001-2028（2016）07-0064-04

2016-04-16

邢孟江

云南省人才基金资助项目（No. KKSY201403006）；国家自然科学基金资助项目（No. 61564005）

邢孟江（1981－），男，浙江绍兴人，副教授，博士，主要从事微波无源器件及收发系统设计方面的研究，E-mail: hfssmodel@163.com；

郭绪跃（1991－），男，江苏徐州人，研究生，主要从事微波无源器件方面的研究，E-mail:67643372@qq.com。

2016-07-01 10:51:53

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160701.1051.022.html