基于LTCC基板實現(xiàn)小型DMS低通濾波器的設(shè)計

引言

近年來出現(xiàn)的缺陷微帶結(jié)構(gòu)（Defected Microstrip Structure,DMS，過去曾稱為EBG）憑借阻帶寬、體積小的優(yōu)勢受到國內(nèi)外專家學(xué)者的高度關(guān)注，它是直接在微帶線上蝕刻出高電感高電容，因而易于加工實現(xiàn)。利用其高電感高電容低通帶阻特性設(shè)計出的低通濾波器可以用于功率放大器[1]、混頻器[2,3]等微波有源器件的諧波抑制。

在L、S波段，國內(nèi)外專家和學(xué)者對DMS結(jié)構(gòu)在低介電常數(shù)基板材料上做了大量的研究工作，在更高頻段，高介電常數(shù)基板上的有關(guān)報道較少。為了實現(xiàn)將DMS的寬阻帶，小尺寸特性應(yīng)用于高頻段，高介電常數(shù)材料，有必要對其進行做新的探討。

1、DMS結(jié)構(gòu)特性

圖1、DMS結(jié)構(gòu)T形單元

DMS結(jié)構(gòu)單元如圖1，微帶介質(zhì)為三層Ferro-A6M生瓷帶材料，每層生瓷帶燒結(jié)后厚度為0.096mm，三層厚0.288mm，該材料相對介電常數(shù)εr=5.9，損耗角正切tanδ=0.0015。兩端50Ω微帶線寬0.43mm，蝕刻DMS處低阻抗微帶線用于補償DMS高阻抗特性，以實現(xiàn)濾波器50Ω匹配阻抗，低阻抗補償段選用34Ω微帶線寬0.82mm。利用HFSS（High Frequency Sructrue Simulator）仿真分析，T形單元“一橫”縫隙寬度對傳輸性能的影響不大，我們變化T形單元“一橫”縫隙的長度，從仿真分析圖2得出，DMS T形單元有帶阻低通特性，諧振頻率隨T形“一橫”縫隙長度增加而減小。諧振頻率隨T形“一豎”長度增加而減小，如圖3。圖4表明，T形“一豎”寬度增加，諧振頻率增大。

圖2、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一橫”長度L變化特性

圖3、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”長度L1變化特性

圖4、DMS T形單元傳輸系數(shù)隨“一豎”寬度G變化特性

圖5、DMS結(jié)構(gòu)T形單元LC等效電路

由仿真結(jié)果可以看出T形單元具有低通帶阻，單極點諧振特性，相關(guān)文獻[4-7]對其等效電路做了很有價值的工作，單個T形單元可等效為L,C并聯(lián)的帶阻濾波器，由前面EM電磁仿真得到的傳輸系數(shù)S21可提取出：

???????? （1）
???????????? （2）

式中ωc為3dB截止頻率，ω0為諧振頻率，Z0為濾波器的特性阻抗。

用式（1）（2）提取出L，C，在ADS軟件中分析得到等效電路傳輸系數(shù)，圖6為單個T形單元電磁仿真與等效電路分析的傳輸系數(shù)比較，可以看出，該等效的整體幅頻響應(yīng)與電磁仿真結(jié)果吻合良好。

圖6、EM仿真與等效電路傳輸系數(shù)（圓為電路S21）

該等效模型也從物理意義上很好的解釋了圖2到圖4的變化特性，T形單元“一橫”縫隙上方細(xì)導(dǎo)線表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電感L，T形單元“一豎”縫隙表現(xiàn)的主要特性是等效電路中的電容C。T形單元一橫”縫隙長度增加，電感值L增加，故諧振頻率下降；T形單元“一豎”縫隙長度增加，相當(dāng)于等效電路中電容值C增加，故也會導(dǎo)致諧振頻率下降；T形單元“一豎”縫隙寬度增加，電容值減小，故諧振頻率升高。

2、DMS低通濾波器設(shè)計

為了擴展阻帶寬度，級聯(lián)兩個T形單元圖7，通過調(diào)整單個T形單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及它們之間的距離獲得如圖 8散射參數(shù)。由仿真曲線可以看出通帶插損0.2dB，回波損耗大于19dB，對本振二次諧波19.6GHz抑制20dB，抑制大于30dB的頻率范圍為22GHz~30GHz。

圖7、兩個DMS T形單元級聯(lián)

圖8、兩個DMS T形單元散射參數(shù)

圖9、五個DMS T形單元LPF

圖10、HL高低（HL）阻抗線LPF版圖

為了進一步增大阻帶抑制和阻帶帶寬，將T形單元增加到五個組成本振端LPF (Low Pass Filter)，結(jié)構(gòu)如圖 9，通過參數(shù)優(yōu)化阻帶增加了6GHz，結(jié)果如圖 10，對二次本振頻率，三次本振頻率及20GHz~36GHz的混頻諧波雜波達(dá)到30dB的抑制，通帶插損為0.3dB，回波損耗大于19dB，尺寸僅為5.7mm×1.7mm。

同時，為了對比說明該濾波器的性能與尺寸，我們在電路中設(shè)計了一款7階切比雪夫高低阻抗線低通濾波器，如圖10，其尺寸為8.4mm×3.4mm，其性能參數(shù)如圖11所示，可見DMS低通濾波器體積較高低阻抗LPF減小66%，大于30dB抑制阻帶帶寬增加約5GHz。

圖11、DMS T形單元LPF與HL高低（HL）阻抗線LPF性能對比

3、結(jié)論

從簡單T形DMS單元入手，給出了其物理上的定性解釋和尺寸變化對頻率響應(yīng)的影響。最后基于LTCC基板，通過逐步增加T形單元設(shè)計了一款截止頻率為13GHz的低通濾波器。與高低阻抗線LPF比較，體積減小66%,阻帶增加5GHz。

審核編輯：郭婷