引 言

軍、民通信的日益發(fā)展，特別是移動(dòng)通信市場(chǎng)迅速擴(kuò)張，對(duì)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(yīng)通信系統(tǒng)的小型化、易集成、性能好、可靠性高、設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)日趨活躍，并在GPRS、CDMA、網(wǎng)絡(luò)無(wú)線接入、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等航空航天領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

在眾多的微波介質(zhì)板材之中，LTCC具有較多優(yōu)勢(shì)。LTCC采用疊層工藝，用低電阻率的金、銀、鈀銀、銅等金屬作導(dǎo)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(wú)源器件以及有源器件，集成度高、尺寸小、射頻性能優(yōu)良。結(jié)合LTCC工藝，國(guó)外目前已經(jīng)有眾多文獻(xiàn)涉及LTCC濾波器器的設(shè)計(jì)，并利用Hfss仿真，仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果有很好的吻合。

在此結(jié)合LTCC設(shè)計(jì)工藝，利用Ansoft Designer和Ansoft Hfss軟件協(xié)同設(shè)計(jì)LTCC層疊式帶通濾波器。濾波器采用集總元件設(shè)計(jì)（電容C和電感L）而成，通過(guò)Hfss進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終仿真結(jié)果顯示濾波器實(shí)現(xiàn)相對(duì)帶寬40％，通帶插入損耗小于2 dB，回波損耗大于20 dB，通過(guò)引入帶外傳輸零點(diǎn)使帶外抑制特性有了顯著提高。

1 濾波器設(shè)計(jì)原理

本文LTCC濾波器的電路設(shè)計(jì)采用切比雪夫函數(shù)逼近，其低通衰減函數(shù)為：

圖1給出LTCC濾波器設(shè)計(jì)等效原理圖，電路結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)串聯(lián)諧振電路和一個(gè)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(dāng)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(shí)，信號(hào)頻率為諧振頻率時(shí)，串聯(lián)諧振電路呈短路狀態(tài)，并聯(lián)諧振電路呈開(kāi)路狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)加載電感L4引入耦合，在阻帶低端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)；進(jìn)一步通過(guò)加載電容C4引入耦合，從而在阻帶高端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)。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(shè)計(jì)LTCC層疊式帶通濾波器立體模型，并將模型導(dǎo)入Hf-ss進(jìn)行微調(diào)和優(yōu)化，最終通過(guò)三維仿真驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)模型的精確性。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)流程

Ansoft結(jié)合業(yè)界最新的仿真技術(shù)，利用軟件Desiger和Hfss為L(zhǎng)TCC微波元器件設(shè)計(jì)提供了一體化的協(xié)同設(shè)計(jì)流程。圖3給出LTCC設(shè)計(jì)流程。

由圖3可知，Designer完成的設(shè)計(jì)步驟有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、LTCC電路設(shè)計(jì)、物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共三個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)LTCC電路結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；Hfss完成的設(shè)計(jì)步驟有3D協(xié)調(diào)和優(yōu)化、3D仿真驗(yàn)證，其主要作用是利用Hfss軟件仿真精確性好的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)LTCC設(shè)計(jì)模型進(jìn)行三維仿真驗(yàn)證，保證模型仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)圖1所示LTCC濾波器等效電路圖，設(shè)計(jì)LTCC電路圖，其LTCC電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

最終設(shè)計(jì)完成的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。將物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)入Hfss進(jìn)行三維驗(yàn)證，其三維模型見(jiàn)圖6。通過(guò)優(yōu)化，圖7給出三維驗(yàn)證最終得到的仿真結(jié)果，其相對(duì)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?yàn)閹鈧鬏斄泓c(diǎn)的引入得到了很好的抑制。

3 模型結(jié)構(gòu)和測(cè)試結(jié)果

圖8給出了最終設(shè)計(jì)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(biāo)為1．2 mm；電容C1，C2占用第二、三層，下層z方向坐標(biāo)為0．9 mm，上層z方向坐標(biāo)為1．0 mm；電感L1，L2和L3占用第四、五層，下層z方向坐標(biāo)為0．7 mm，上層z方向坐標(biāo)為0．8 mm；電容C3占用第六、七層，下層z方向坐標(biāo)為0．2 mm，上層z方向坐標(biāo)為0．3 mm；接地板占用第八層，z方向坐標(biāo)為0 mm；每個(gè)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(lái)實(shí)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(shí)際濾波器樣品和相應(yīng)的實(shí)測(cè)S21結(jié)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(shí)際值吻合得非常好。

4 結(jié) 語(yǔ)

這里結(jié)合LTCC工藝，利用軟件Ansoft Designer和Ansoft Hfss，對(duì)LTCC層疊式帶通濾波器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。濾波器的設(shè)計(jì)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(diǎn)。

從濾波器LTCC電路設(shè)計(jì)到物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的導(dǎo)出，最后到三維仿真驗(yàn)證，Designer和Hfss的協(xié)同一體化LTCC設(shè)計(jì)流程，有效減少了LTCC帶通濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的LTCC帶通濾波器有效保證了體積的小型化，并與加工實(shí)物的實(shí)測(cè)結(jié)果有很好的一致性。

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