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1 引言 毫米波頻段是目前軍事電子技術發展的主要頻段，廣泛應用于雷達，通信，精確制導，電子對抗和測試技術等方面。在寬帶及超寬帶信道化收發組件中，濾波器作為必不可少的組成部分，其性能的好壞將直接影響到整個收發組件的性能。傳統的端耦合濾波器受微波印制板加工工藝限制，耦合縫隙不能做得很小，因此帶寬不能做到較寬。采用懸置微帶結構可以增大帶寬，但不利于平面集成。而采用多層結構的濾波器則可以很好的解決以上問題。近年來興起的LTCC技術是設計多層濾波器的一種有效手段。另一方面，端耦合濾波器的諧振單元均是半波長，級數較少時其阻帶抑制較差，增加級數可以提高阻帶抑制但無疑會增大濾波器尺寸。 本文介紹了一種折疊形端耦合帶通濾波器。它從傳統端耦合濾波器出發，通過采用LTCC多層結構實現所需的緊耦合，又通過將傳統的端耦合濾波器中的諧振單元折疊放置，在1、3級諧振器間引入交叉耦合，從而在帶外高端引入了一個傳輸零點，在不增加濾波器級數的情況下增加了阻帶抑制度。此濾波器全部埋入LTCC基板中，可以節省出更多的表面安裝有源芯片，實現了電路尺寸的緊湊設計。 2 基本原理 端耦合帶通濾波器屬于電容間隙直接耦合半波長濾波器。它利用半波長傳輸線作為并聯諧振器，端電容為耦合結構。本文中的折疊形端耦合濾波器結構示意圖如圖1，等效電路圖如圖2。通過折疊放置諧振單元，在1、3級兩個并聯諧振單元之間引入了一個互感，進而等效為一個電感 形網絡，最后得到圖2的等效電路。 下面以耦合相位關系來說明通過引入交叉耦合在濾波器帶外高端產生了傳輸零點。我們一般認為串聯電感引入-90度相差，串聯電容引入+90度相差，并聯諧振器在諧振點處相移為零，在諧振頻率低端呈現+90度相差而在諧振頻率高端呈現-90度相差。交叉耦合越強，傳輸零點離通帶越近。 圖1 折疊形端耦合帶通濾波器結構示意圖 圖2 折疊形端耦合帶通濾波器等效電路圖 用圖3示意該濾波器的傳輸相位關系。主傳輸路徑為input—①—②—③—output，交叉耦合傳輸路徑為input—①—②—output。當 時，主傳輸路徑相移為7*90=630度，交叉耦合傳輸路徑相移為4*90+(-90)=270度=-90度，兩傳輸路徑信號同相，故不能形成傳輸零點;當 時，主傳輸路徑相移為4*90+3*(-90)=90度，交叉耦合傳輸路徑相移為2*90+3*(-90)=-90度，兩傳輸路徑信號反相，故形成傳輸零點。 圖3 濾波器傳輸相位示意圖 3 濾波器設計及結果 設計從傳統端耦合濾波器出發。選取帶內波紋為0.1dB的3級切比雪夫低通原型，原型值為g0=g4=1, g1=g3=1.0316, g2 =1.1474。采用耦合系數法設計帶通濾波器，設計公式為： (1) (2) 計算可得Qei=Qeo= 5.1321，M12=M23=0.1848。電路結構的耦合系數K和外部Q值的提取可以借助三維電磁仿真軟件完成。而在設計好的傳統型端耦合濾波器基礎上，通過折疊放置諧振單元，即是本文介紹的折疊形端耦合濾波器。兩種濾波器均采用FerroA6M陶瓷基板，相對介電常數為5.7，介質損耗角正切為0.002，每層厚度為0.094mm，金屬厚度0.01mm。導體和通孔材料均采用銀。考慮到LTCC加工工藝要求選取基板層數為10，這樣在不同的兩層的50歐姆帶狀線寬度為0.32mm和0.3mm，諧振單元長度理論上為中心頻率的半個波長，但由于兩端的電容加載，尺寸應適當縮小。另外為避免信號間的串擾和能量泄露，還加入了屏蔽通孔。兩種濾波器的結構分別如圖4和圖5。 圖4 傳統端耦合濾波器 圖5 折疊形端耦合濾波器 利用三維電磁仿真軟件HFSS進行仿真，通過調整各級諧振器長度和諧振器間距及輸入輸出與諧振器間距，可得到滿意的響應曲線。折疊形端耦合結構中傳輸零點的位置可以通過調節1、3級諧振器間間距來調整。兩種結構的仿真結果對比如下： 圖6 仿真結果比較 從仿真結果可以看出，折疊形端耦合濾波器在不增加級數的情況下明顯增加了阻帶抑制度。折疊形濾波器最終設計參數為：各級諧振器長度分別為l1=l3=1.49mm, l2=1.55mm，輸入輸出端與1、3級諧振器間距為-0.29mm(負數表示有覆蓋區域)，諧振器間距為0.08mm。 4 結論 本文對傳統的端耦合濾波器結構進行改進，通過將諧振單元折疊放置，在帶外高端引入一個傳輸零點，在不增加濾波器級數的情況下增加了阻帶抑制度。采用LTCC多層結構實現了諧振器間的緊耦合。仿真結果表明，在32-36GHz范圍內插入損耗小于0.6dB，回波損耗大于20dB。 |
