基于LTCC濾波器的電路設計并進行仿真分析

引 言

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，能夠充分利用三維空間，在基板內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逼近，其低通衰減函數為：

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諧振電路和一個并聯諧振電路組成。各電感元件大小：L1=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。當串聯諧振電路和并聯諧振電路協調在同一諧振頻率時，信號頻率為諧振頻率時，串聯諧振電路呈短路狀態(tài)，并聯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，從而在阻帶高端產生一個傳輸零點。圖2為等效原理圖仿真得到的S11，S21參數特性曲線。

根據圖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協調和優(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。

濾波器采用Ferro陶瓷材料，其介電常數ε=5．9±0．2，損耗系數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，濾波器的S21參數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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