軍、民通信的日益發(fā)展，特別是移動通信市場迅速擴張，對微波元器件集成度、高性能、小型化的要求不斷提高。為了減小微波器件的體積，適應通信系統(tǒng)的小型化、易集成、性能好、可靠性高、設計靈活等要求，LTCC層疊式微波器件如濾波器、雙工器和天線模塊等研究開發(fā)日趨活躍，并在GPRS、CDMA、網(wǎng)絡無線接入、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等航空航天領域具有非常廣闊的應用前景。
在眾多的微波介質(zhì)板材之中，LTCC具有較多優(yōu)勢。LTCC采用疊層工藝，用低電阻率的金、銀、鈀銀、銅等金屬作導電介質(zhì)，能夠充分利用三維空間，在基板內(nèi)多層埋置各類無源器件以及有源器件，集成度高、尺寸小、射頻性能優(yōu)良。結合LTCC工藝，國外目前已經(jīng)有眾多文獻涉及LTCC濾波器器的設計，并利用Hfss仿真，仿真結果和實測結果有很好的吻合。
在此結合LTCC設計工藝，利用Ansoft Designer和Ansoft Hfss軟件協(xié)同設計LTCC層疊式帶通濾波器。濾波器采用集總元件設計(電容C和電感L)而成，通過Hfss進行仿真驗證，最終仿真結果顯示濾波器實現(xiàn)相對帶寬40％，通帶插入損耗小于2 dB，回波損耗大于20 dB，通過引入帶外傳輸零點使帶外抑制特性有了顯著提高。
1 濾波器設計原理
本文LTCC濾波器的電路設計采用切比雪夫函數(shù)逼近，其低通衰減函數(shù)為：
式中：Tn(ω')是n階第一類切比雪夫多項式，即：
設在阻帶頻率ωs'上，阻帶衰減為LAS，則有：
圖1給出LTCC濾波器設計等效原理圖，電路結構主要由兩個串聯(lián)諧振電路和一個并聯(lián)諧振電路組成。各電感元件大?。篖1=L2=10 nH，L3=2．73 nH，L4=170 nH；各電容值大小為：C1=C2=1．69 pF，C3=6．18 pF，C4=0．36 pF。當串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路協(xié)調(diào)在同一諧振頻率時，信號頻率為諧振頻率時，串聯(lián)諧振電路呈短路狀態(tài)，并聯(lián)諧振電路呈開路狀態(tài)。在此基礎上，通過加載電感L4引入耦合，在阻帶低端產(chǎn)生一個傳輸零點；進一步通過加載電容C4引入耦合，從而在阻帶高端產(chǎn)生一個傳輸零點。圖2為等效原理圖仿真得到的S11,S21參數(shù)特性曲線。
根據(jù)圖1所示等效電路，下文利用Designer設計LTCC層疊式帶通濾波器立體模型，并將模型導入Hf-ss進行微調(diào)和優(yōu)化，最終通過三維仿真驗證，保證設計模型的精確性。
2 協(xié)同設計流程
Ansoft結合業(yè)界最新的仿真技術，利用軟件Desiger和Hfss為LTCC微波元器件設計提供了一體化的協(xié)同設計流程。圖3給出LTCC設計流程。
由圖3可知，Designer完成的設計步驟有系統(tǒng)結構設計、LTCC電路設計、物理拓撲結構設計共三個步驟，實現(xiàn)對LTCC電路結構和物理結構的設計；Hfss完成的設計步驟有3D協(xié)調(diào)和優(yōu)化、3D仿真驗證，其主要作用是利用Hfss軟件仿真精確性好的優(yōu)點，對LTCC設計模型進行三維仿真驗證，保證模型仿真結果的準確性。根據(jù)圖1所示LTCC濾波器等效電路圖，設計LTCC電路圖，其LTCC電路結構見圖4。
最終設計完成的物理拓撲結構見圖5。將物理拓撲結構導入Hfss進行三維驗證，其三維模型見圖6。通過優(yōu)化，圖7給出三維驗證最終得到的仿真結果，其相對帶寬40 ％，通帶插入損耗小于2 dB，回波損耗大于20 dB，帶外衰減因為帶外傳輸零點的引入得到了很好的抑制。
3 模型結構和測試結果
圖8給出了最終設計完成的LTCC層疊式帶通濾波器的立體模型。
由圖8知，LTCC濾波器共八層，端口1和2位于第一層，z方向坐標為1．2 mm；電容C1，C2占用第二、三層，下層z方向坐標為0．9 mm，上層z方向坐標為1．0 mm；電感L1，L2和L3占用第四、五層，下層z方向坐標為0．7 mm，上層z方向坐標為0．8 mm；電容C3占用第六、七層，下層z方向坐標為0．2 mm，上層z方向坐標為0．3 mm；接地板占用第八層，z方向坐標為0 mm；每個電感和電容元器件之間用傳輸線連接，不同層的連接用打孔來實現(xiàn)。
濾波器采用Ferro陶瓷材料，其介電常數(shù)ε=5．9±0．2，損耗系數(shù)δ<0．2；濾波器尺寸大小20 mm×8 mm×1．2 mm。
圖9和圖10分別給出了實際濾波器樣品和相應的實測S21結果。比較圖7和圖10知，在1．25 GHz±1 GHz的頻帶內(nèi)，濾波器的S21參數(shù)的理論值與實際值吻合得非常好。
4 結 語
這里結合LTCC工藝，利用軟件Ansoft Designer和Ansoft Hfss，對LTCC層疊式帶通濾波器進行了仿真設計。濾波器的設計采用集總電容元件C和集總電感元件L，并在各諧振電路單元之間形成耦合以產(chǎn)生帶外傳輸零點。
從濾波器LTCC電路設計到物理拓撲結構的導出，最后到三維仿真驗證，Designer和Hfss的協(xié)同一體化LTCC設計流程，有效減少了LTCC帶通濾波器的設計時間。本文設計的LTCC帶通濾波器有效保證了體積的小型化，并與加工實物的實測結果有很好的一致性。
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