秦 舒

（華進半導體封裝先導研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫 214135）

1 引 言

濾波器的主要功能就是濾除通帶外的干擾信號，使需要頻段內的信號得到良好的傳輸[1～4]。對低通濾波器來說，在截止頻率外是否能達到陡峭的高抑制衰減是衡量濾波器性能的一個重要指標[5,6]。

圖1給出了Ansoft Designer對巴特沃滋（Butterworth）低通濾波器、切比雪夫（Chebyshev）低通濾波器以及橢圓函數(shù)（Elliptic）低通濾波器在相同階數(shù)、相同截止頻率條件下的S參數(shù)電路仿真結果，從圖中可以看出三類濾波器不同的衰減特性。

橢圓函數(shù)低通濾波器通帶到阻帶的截止率最陡峭，在截止頻率外通過很窄的過渡帶就能達到很高的衰減，并且在阻帶中有傳輸零點；切比雪夫低通濾波器的衰減率在橢圓函數(shù)低通濾波器和巴特沃斯低通濾波器之間；巴特沃滋低通濾波器在通帶內有著較好的紋波，但衰減率不甚理想[7]。巴特沃滋低通濾波器和切比雪夫低通濾波器類似，其所有傳輸零點都位于無限遠處。在微波通信領域，往往需要一定頻帶內的陡峭衰減[4]，橢圓函數(shù)濾波器通帶到阻帶優(yōu)良的過渡特性無疑是最佳選擇。

圖1 不同響應的衰減特性對比

圖2給出了橢圓函數(shù)低通濾波器在階數(shù)n不同的情況下的傳輸特性曲線，三階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶形成了2個傳輸零點，帶外衰減率最低；七階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶中形成了3個傳輸零點，衰減特性居中；九階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶中形成了4個傳輸零點，截止頻率處衰減率最高，阻帶中的抑制度也最高。

圖2 不同階數(shù)橢圓低通濾波器傳輸特性

可以看出，隨著橢圓函數(shù)低通濾波器階數(shù)的增加，阻帶中的傳輸零點會隨之增加；在阻帶中增加傳輸零點個數(shù)，通帶外的衰減率會隨之提高，阻帶的抑制度也會加大。因此，在設計濾波器時，要使在截止頻率處的衰減率加大，阻帶中實現(xiàn)高抑制度，可通過增加濾波器階數(shù)來滿足。在本文中將利用LTCC技術，同時考慮電路的性能和面積問題，利用三維高頻仿真軟件HFSS設計一款高性能小型化橢圓函數(shù)七階低通濾波器。具體要求如下：3 dB處截止頻率1.35 GHz，在1.65 GHz處的衰減達到-40 dB，同時要求很好的高次諧波抑制和阻帶衰減特性。表1為此款濾波器的設計指標。

表1 濾波器的設計指標

2 濾波器設計

如圖3所示，橢圓函數(shù)七階低通濾波器的電路包括串聯(lián)支路中的4個電感和并聯(lián)支路中的3個LC諧振腔。這3個LC諧振腔可以在阻帶中引入3個傳輸零點。每一個傳輸零點發(fā)生在特定的諧振頻率處，此處電路的Q值為零，信號將會被全反射。

圖3 橢圓函數(shù)七階低通濾波器電路原理圖

在設計時，可以調整諧振腔中電感、電容值的大小，使每一個LC諧振腔產生的傳輸零點按順序排列。如圖4所示，使中間的LC諧振腔產生第一個傳輸零點，左邊的LC諧振腔產生第二個傳輸零點，右邊的LC諧振腔產生第三個傳輸零點。

圖4 電容設計示意圖

在本文中，金屬導線材料選用銀，導線厚度為10 μm，LTCC材料的介電常數(shù)為7.8，損耗角正切值為0.002。此款濾波器將被設計為19層，模型最上邊4層和最下邊4層為薄層，LC諧振腔中的3個電容會被放置這些層中，7個電感將放置在另外11個厚層中，這樣就會形成上下電容、中間電感的結構。模型的尺寸為：3.2 mm×2.0 mm×1.4 mm。濾波器的結構布局由表2、圖5可以看出。

如圖6所示，濾波器放置在PCB基板上進行仿真測試，濾波器輸入輸出端口通過金屬引線與PCB板連接。

這里選用的PCB基板材料為Rogers RO4350，介電常數(shù)為3.48，基板高度設計為0.508 mm，導線寬度為1.13 mm。這樣通過式（2）和式（3）便可使輸入輸出端口的阻抗分別為50 Ω。圖7為濾波器的S參數(shù)測試結果。

表2 濾波器的結構布局

圖5 濾波器3D結構圖

圖6 濾波器3D外觀圖

由圖7可以看出，S21曲線在3 GHz以內的阻帶中沒有達到-40 dB的衰減，電路在4.5 GHz左右發(fā)生諧振，產生了尖峰，S11在通帶范圍內大于-10 dB，使VSWR大于2。測試結果沒有滿足設計指標要求。

圖7 S參數(shù)測試結果

出現(xiàn)這種問題的原因有以下兩點：

（1）模型內部元件之間的相互寄生耦合

由于要在3.2 mm×2.0 mm的有限長寬范圍內實現(xiàn)10個元件的物理結構布局，元件和元件之間的相互耦合作用是必然存在的。由于模型內部結構緊湊，元件與元件之間的距離較小，元件之間難以避免的寄生效應導致了模型測試結果與預期結果產生了偏差。

（2）實現(xiàn)電感過程中造成的誤差

在這款濾波器設計中，電感模型采用平面螺旋電感結構，由于電感面積較大，很容易和垂直相鄰的上、下層中的元件發(fā)生寄生效應，并且電感離地層高度的不同會造成電感值的很大偏差。

通過分析，找出了問題的所在，那么如何減小模型內部的寄生耦合效應、調整電感的設計是接下來要做的工作。

3 濾波器優(yōu)化設計

如圖8、圖9所示，在平面螺旋電感元件的布局方面，每一個LC諧振腔中的電感C都與串聯(lián)支路中相鄰的兩個電感A和B垂直放置，電感C在中間層，電感A和B分別在其上、下的相鄰層，而層距只有86.9 μm，這樣的結構使得相鄰層的電感走線間產生了寄生電容，且相鄰的電感間又發(fā)生了緊耦合效應，使電感值產生了偏差，導致濾波器模型的仿真結果與預期結果產生差異。

圖8 電感耦合示意圖

圖9 螺旋電感耦合示意圖

圖10 調整后的螺旋電感示意圖

為了避免這種寄生耦合現(xiàn)象，設計時可以改變螺旋電感的內徑、調整圈數(shù)，在保證電感值大小盡量不變的前提下，使上、下相鄰層的電感在垂直方向的投影減少重合，從而減小了相鄰層電感之間的寄生耦合。圖10為調整后的螺旋電感示意圖。在相鄰層的電感布局結構調整后，模型的仿真曲線如圖11所示。

圖11 結構優(yōu)化后的S參數(shù)測試結果

可以看出，在對電感做了調整之后，模型的仿真結果得到了改善，仿真結果可以滿足表1中提出的指標。

圖12給出了濾波器在結構優(yōu)化前后的仿真結果對比，結構優(yōu)化后的測試結果相對于結構優(yōu)化前在以下方面得到了改善：

（1）通帶中回波損耗從-7.6 dB下降到-11.5 dB；

（2）阻帶中引入了4個傳輸零點，得到了理想的衰減效果；

（3）在阻帶中1.61～3.10 GHz的頻帶內，濾波器具有大于40 dB的抑制；

（4）在阻帶中3.10～6 GHz的頻帶內，濾波器具有大于30 dB的遠端抑制。

圖12 結構優(yōu)化前后的S參數(shù)對比結果

結構優(yōu)化后的濾波器性能可以滿足提出的設計指標。通帶內插入損耗和回波損耗分別是-0.6 dB和-11.5 dB，截止頻率在1.35 GHz處；在截止頻率外濾波器通過260 MHz的過渡帶達到了-40 dB的衰減；1.61～3.10 GHz的頻帶內抑制大于40 dB；3個零點分別在f1=1.65 GHz、f2=1.85 GHz、f3=2.60 GHz處獲得，在4.6 GHz處又產生了第四個零點，使得衰減效果更為理想?；贚TCC技術設計的此款橢圓函數(shù)七階低通濾波器通過對內部結構的優(yōu)化，成功地避免了寄生效應的產生，使濾波器達到了高性能的指標要求。

4 結論

本文闡述了結合引入傳輸零點的規(guī)律和方法，設計了含有3個LC諧振腔的橢圓函數(shù)低通濾波器等效電路，每個LC諧振腔在其諧振頻率處可以引入一個傳輸零點。建立好的等效電路包括串聯(lián)支路中的4個電感和并聯(lián)支路中的3個LC諧振腔，共10個元件。為了充分發(fā)揮LTCC技術的三維空間優(yōu)勢，縮小器件體積，濾波器模型的物理結構設計為19層，體積為3.2 mm×2.0 mm×1.4 mm。

通過對濾波器模型內部物理結構的優(yōu)化，避免了濾波器元件間的寄生耦合效應，使濾波器的性能得到了改善，其特性可以滿足高性能應用指標的需求。測試結果為：通帶內插入損耗和回波損耗分別是-0.6 dB和-11.5 dB，截止頻率為1.35 GHz，通帶外的截止率陡峭，阻帶中引入的4個傳輸零點使濾波器的衰減效果更為理想。

[1]鄧重.濾波器的過去、現(xiàn)在與未來[J].今日電子，2005,4（7）: 48-50.

[2]Inder Bahl,Prakash Bhartia.微波固態(tài)電路設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]甘本胈，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結構與設計[M].北京：科學出版社，1973.

[4]Kai Chang.Encyclopedia of RF and Microwave Engineering[J].ISBN: 978-0-471-27053-9,March 2005.

[5]David M Pozar.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]ASOD A,ALSEYAB.A Novel Class of Generalized Chebyshev Low-Pass Prototype for Suspended Substrate Stripline Filters [J].IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques,1982,MTT-30: 13416-1347.

[7]Milosavljevic Z D.Design of generalized Chebyshev filters with asymmetrically located transmission zeros [J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2005,53: 2411-2415.