一種新型縫耦合多層陶瓷帶通濾波器的設計

1前言

近年來(lái)，隨著(zhù)低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的迅猛發(fā)展，多層陶瓷濾波器因其小型化、高性能和低成本引起人們極大的興趣。其中，TEM模帶狀線(xiàn)和微帶線(xiàn)交指型多層陶瓷帶通濾波器已被廣泛而深入的討論。在所示報道濾波器結構中，帶狀線(xiàn)諧振器位于同一層上，諧振器之間通過(guò)寬邊耦合形成交指帶通濾波器，濾波器具有良好的阻帶性能。為了進(jìn)一步縮小濾波器在PCB板上占位面積，本論文中引入了一種新型縫耦合結構的帶通濾波器。在這種結構濾波器中，帶狀線(xiàn)型諧振器位于不同的介質(zhì)層，即每一層上僅僅只有一個(gè)諧振器，因此每一層在PCB板上的占位面積大大縮小。然而，由于陶瓷層厚度很?。?.02mm），相鄰帶狀線(xiàn)諧振器之間通過(guò)寬邊相互耦合，耦合強度較大。為了調整相鄰層之間諧振器耦合強弱，引入了與地相連的耦合縫，通過(guò)調節耦合縫的寬度來(lái)滿(mǎn)足相鄰層諧振器之間耦合所需的耦合量，從而滿(mǎn)足濾波器所需要的性能。

2濾波器結構

三級縫耦合帶狀線(xiàn)帶通濾波器結構如圖1所示。該濾波器由六層微波陶瓷介質(zhì)組成，每層陶瓷介質(zhì)的厚度為0.02mm，陶瓷外表面以及陶瓷層之間采用金屬銀層涂覆（在圖1中，深色部分代表金屬銀層），金屬涂覆層的厚度為0.01mm。陶瓷介質(zhì)的相對介電常數εr為58，無(wú)載品質(zhì)因數Qu為7000，諧振頻率溫度系數τf為-8ppm/℃。λ/4波長(cháng)帶狀線(xiàn)諧振器位于不同的陶瓷層形成交指結構，濾波器與外電路之間通過(guò)抽頭結構耦合輸入輸出。圖2顯示了濾波器的耦合結構，其中圖2（a）為與外電路耦合輸入輸出的抽頭，圖2（b）為諧振器級間耦合的耦合縫。

圖1縫耦合三級多層陶瓷濾波器結構

圖2多層陶瓷濾波器耦合結構示意圖：
（a）級間耦合縫；（b）輸入輸出耦合抽頭

3理論分析

中縫耦合帶狀線(xiàn)示意圖如圖3所示，導體帶位于金屬矩形腔中。計算縫耦合矩形帶狀線(xiàn)的奇偶模阻抗需要考慮左右兩側金屬板對邊緣電容的影響。當參數g足夠大時(shí)，可忽略左右兩側金屬板對邊緣電容的影響。當參數g較小時(shí)，奇偶模阻抗計算需要考慮參數g的影響。

圖3縫耦合帶狀線(xiàn)結構示意圖

對中縫耦合帶狀線(xiàn)分別進(jìn)行奇模和偶模分析。為了簡(jiǎn)化計算，假設參數t為零。奇模結構如圖3(b)所示，其近似為矩形帶狀線(xiàn)結構，因而奇模阻抗的計算公式為下式：

(1)

(2)

其中Sn為雅氏橢圓函數，K(k)是模為k的第一類(lèi)完全橢圓積分。

K(k)=a；K′(k)=b （3）

偶模結構如圖3(c)所示，其近似為矩形微帶開(kāi)縫線(xiàn)，計算公式為[5]:

(4)

上式中，er為傳輸線(xiàn)填充媒質(zhì)的介電常數，K(m)和K(n)分別是模為m和n的第一類(lèi)完全橢圓積分。

(5)

(6)

其中Sn為雅氏橢圓函數，K(k)是模為k的第一類(lèi)完全橢圓積分。

4設計實(shí)例

所要設計的濾波器性能指標如下：中心頻率f0=2.5GHz；相對通帶帶寬FBW%=4%；帶內波動(dòng)Ripple=0.1dB;阻帶衰減Attenuation≥20dB(f0±100MHz)。

根據[1]，微波帶通濾波器的外界品質(zhì)因數Qe和耦合系數K可分別由下列公式求出：

(7)

(8)

根據所要設計的濾波器性能指標（中心頻率f0和帶寬）以及已求出的低通原型參數，即可求出所要設計濾波器外界品質(zhì)因數Qe=25.79，耦合系數K1,2=K2,3=0.0386。根據帶狀線(xiàn)諧振器理論計算公式，帶狀線(xiàn)的結構參數值分別為：長(cháng)度L=3.96mm，寬度W=0.5mm。

圖4外界品質(zhì)因數與抽頭點(diǎn)位置關(guān)系曲線(xiàn)

圖5級間耦合系數與縫寬相互關(guān)系曲線(xiàn)

圖4顯示了外界品質(zhì)因數Q與抽頭點(diǎn)位置T的相互關(guān)系，由圖4可知，仿真結果與理論計算結果基本吻合，尤其在與外電路強耦合部分，兩曲線(xiàn)重合。由仿真和理論計算結果可知，隨抽頭點(diǎn)位置T的逐漸變大，濾波器與外電路耦合越來(lái)越強。

圖5顯示了縫的寬度與級間耦合系數的相互關(guān)系，由圖5可知，仿真結果與理論計算結果非常一致。由仿真和理論計算結果可知，隨縫寬的逐漸變大，諧振器之間耦合越來(lái)越強。

根據圖4和圖5的結果，以及根據所要設計的濾波器的性能指標計算出的外界品質(zhì)因數和級間耦合系數可得到抽頭點(diǎn)的位置T以及縫寬的大小。根據此結果對濾波器結構進(jìn)行仿真，仿真所得到的濾波器頻率響應圖如圖6所示。由圖6可知，所設計出的濾波器的性能與所要求的性能指標一致，最終設計出的濾波器尺寸為4.2mm×1mm×1.2mm.，具有小型化，高性能的特征。

圖6三級多層陶瓷濾波器頻率響應曲線(xiàn)

5結論

本文首先基于縫耦合的奇、偶模阻抗理論計算公式，計算了外界品質(zhì)因數和抽頭點(diǎn)的位置以及級間耦合系數與縫寬的相互關(guān)系曲線(xiàn)，其結果與三維電磁仿真結果非常一致，在此基礎上設計出一種基于縫耦合的多層陶瓷帶通濾波器，所設計出的多層陶瓷帶通濾波器具有小型化、高性能特征。