隨著射頻無線產(chǎn)品的快速發(fā)展,，對微波濾波器小型化,、集成模塊化，高頻化的要求也越來越高,。而小體積,、高性能和低成本的微波濾波器的市場需求量增加。此類微波濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代微波技術(shù)中關(guān)鍵問題之一,。其主要的設(shè)計(jì)概念是將二維的電路布局變?yōu)槿S電路布局,，借此達(dá)到縮小體積的目的。由于低溫共燒陶瓷(LTCC,，Low TemperatureCofired Ceramic)技術(shù)具有高集成密度,、高性能、高可靠性以及可內(nèi)埋置無源元件等優(yōu)點(diǎn),，成為多層無源器件和電路設(shè)計(jì)的主流,，對微波無源器件的小型化起到了極大的推動(dòng)作用。文中所研究設(shè)計(jì)的基于LTCC多微波無源濾波器力求達(dá)到結(jié)構(gòu)小型化和性能優(yōu)越化,。
1 具有傳輸零點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)原理
傳輸零點(diǎn)理論指的是濾波器傳輸函數(shù)等于零,，即在這一頻點(diǎn)上能量不能通過網(wǎng)絡(luò)，因而起到完全隔離作用,。通常帶通濾波器在無限遠(yuǎn)的頻點(diǎn)處其傳輸函數(shù)是趨于零的,，稱之為無限傳輸零點(diǎn)，但由于是無限遠(yuǎn),，因此沒有實(shí)際意義,。在實(shí)際設(shè)計(jì)的帶通濾波器中為了使通帶外有較大抑制，就需要在一些特定的頻點(diǎn)處引入零點(diǎn),，這便是通常所指的有限零點(diǎn),。
LTCC中有多種引入零點(diǎn)方法，由于LTCC往往采用多層結(jié)構(gòu),，器件排列緊密,，相互之間電磁耦合也會(huì)很大，這通常會(huì)使得電路特性惡化,。文中利用螺旋電感之間的耦合,，提高電路特性。濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示,，為了能和外部電路阻抗匹配,，引入電容C1和C2，而C3和L1以及C4和L2各自組成一個(gè)諧振電路,。其中,，L1和L2交叉耦合系數(shù)為M,，C5為接地電容。該結(jié)構(gòu)可以看作兩部分,，上面一部分是一個(gè)典型的二階帶通濾波器,，如圖2所示。下面是一個(gè)對地耦合電容,，如圖3所示,。帶通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生所需要的通帶特性，傳輸零點(diǎn)位于直流點(diǎn)和無限大頻率處,，引入的對地藕合電容,，可以得到所需要的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，而且對與它串聯(lián)的帶通濾波器的通帶特性影響很小,。
利用微波網(wǎng)絡(luò)分析的方法,，該二端口網(wǎng)絡(luò)可以看成圖2和圖3兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣等于上下兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣之和,。
該網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)S21可以通過網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣轉(zhuǎn)化而來
其中,，Z0為端口的特性阻抗，均為50 Ω,。令S21=0,，由式(2)可得
其中，
從而得到
利用ABCD矩陣級聯(lián)相乘,，再轉(zhuǎn)化為Z矩陣,，得到網(wǎng)絡(luò)U的Z矩陣
將式（6）帶入式（5）得
該方程的兩個(gè)正根就是兩個(gè)傳輸零點(diǎn)的頻率值，從式中看到,，通過改變耦合電容C,，可以得到不同的零點(diǎn)頻率。
2 電路設(shè)計(jì)仿真
用插入損耗法設(shè)計(jì)濾波器,。
若用其設(shè)計(jì)一個(gè)帶內(nèi)波紋為O．2 dB的切比雪夫二階帶通濾波器,，根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)原理可以確定電路中各元件的值。L1=L2=1．46 nH,，C1=C2=0．82 pF,，C3=C4=2．55 pF，M=10．02 nH,，接地電容C=18 pF,。利用ADS電路仿真軟件來仿真，利用該軟件得出電路的散射參數(shù)S,，如圖5所示。由式(7)知該電路有兩個(gè)傳輸零點(diǎn),，在圖中可以看到它們分別位于通帶的兩端,，起到了帶外抑制作用,。而另一條曲線顯示的是沒有加接地電容，顯然帶外抑制效果差,。
圖5所示,，接地電容不僅能夠起到引入傳輸零點(diǎn)的作用，還能夠控制傳輸零點(diǎn)的位置,。
3 LTCC中的結(jié)構(gòu)布局
在電磁仿真軟件中設(shè)計(jì)LTCC布局,，為了有效利用電感之間的耦合，構(gòu)造出圖1所示的結(jié)構(gòu),。所用介質(zhì)材料的介電常數(shù)εr=7.8,，3層為0．08 mm，第4和第5層0．18 mm,，最下面的l層為0．25 mm,，1層6層為接地面，1層和2層構(gòu)成C5,，2層和3層構(gòu)成C3與C4,，4層和3層構(gòu)成C1與C2，第5層為螺旋電感構(gòu)成L1和L2,，它們之間耦合形成M,。其結(jié)構(gòu)由圖6給出，當(dāng)這兩個(gè)對稱的電感距離越近時(shí)互感值M便越大,。整體大小為3 mm×3 mm×O．7 mm,。
仿真工具選用AnsoftHFSS和IE3D，分別在各自環(huán)境下根據(jù)前面得到的元器件數(shù)值,，設(shè)計(jì)出符合要求的集總元件尺寸,。圖7便是兩種仿真軟件所得出的結(jié)果，與ADS電路仿真結(jié)果吻合,。
4 結(jié)束語
結(jié)合LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)中心頻率在2．45 GHz的二階帶通濾波器,，它不僅尺寸小巧，符合現(xiàn)代對無線產(chǎn)品小型化的要求,。而且它在帶外還有兩個(gè)傳輸零點(diǎn),，很好地實(shí)現(xiàn)帶外抑制，且能利用接地電容大小控制零點(diǎn)位置,，有效地滿足了在更小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的射頻功能,。在電感電容等集總元件研究基礎(chǔ)上，利用電路仿真,，電磁仿真分析相結(jié)合的方法得到了設(shè)計(jì)仿真效果,。