于 聰，葉 強，羅昌桅

(中國計量大學 信息工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著無線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對微波濾波器和平衡電路元件的需求不斷增加，且對于元件的小型化、集成化要求越來越迫切。巴倫(Balun)濾波器可以兼顧平衡到不平衡的轉(zhuǎn)換和頻率選擇，這不僅可避免濾波器和巴倫單獨使用產(chǎn)生的互聯(lián)損耗以及匹配工作，而且可以節(jié)省整體電路尺寸。其中，低溫共燒陶瓷(LTCC)技術已被用于構(gòu)造一些緊湊尺寸的Balun濾波器[1]。

文獻[2]是一個基于Marchand巴倫三線耦合結(jié)構(gòu)的改進，其通帶為7～13 GHz，插入損耗在4 dB內(nèi)，尺寸為1 mm×1.5 mm×1 mm，性能優(yōu)良，且尺寸緊湊，但在高頻段下，對生產(chǎn)工藝要求非常苛刻，當前市場使用率較低。文獻[3]介紹了一種基于LTCC工藝具有二次諧波抑制的巴倫濾波器，它由兩個半波長諧振器和3條饋線組成，結(jié)構(gòu)較簡單，但通帶較窄，公共接地平面面積較大且多。在生產(chǎn)工藝過程中，與公共接地平面相關的上下層陶瓷膜片之間易出現(xiàn)粘連而不牢固，進而對性能產(chǎn)生不良影響。

本文提出的巴倫濾波器結(jié)構(gòu)由兩大部分構(gòu)成，即五階帶通濾波器和高耦合寬帶巴倫級聯(lián)。帶通濾波器采用級間電感耦合，極大地增加了帶寬。巴倫部分是在Marchand 巴倫的基礎上進行改進，輸入與輸出之間采用繞制電感耦合。為了增加耦合量和擴展帶寬，耦合電感上下對稱形成了一種夾心式結(jié)構(gòu)。該帶通巴倫濾波器體積小，帶外抑制深，相對帶寬48%，具有較好的應用前景。本文利用電磁仿真系統(tǒng)ANSYS Electronics Suite 2020 R2 進行設計優(yōu)化，實際加工所使用的陶瓷介質(zhì)相對介電常數(shù)為9.8，最后使用網(wǎng)絡分析儀對巴倫濾波器進行實際性能測試。

1 理論分析

1.1 巴倫理論分析

經(jīng)典Marchand巴倫原理如圖1(a)所示。其結(jié)構(gòu)對稱，由一條λ/2(λ為波長)和兩條λ/4的傳輸線組成，采用奇模和偶模分析法分析其相位特性。圖1(b)、(c) 分別為奇偶模等效電路[4-7]。為了滿足理想巴倫的180°相位特性，需滿足條件：

圖1 經(jīng)典Marchand巴倫和奇偶模等效電路

(1)

式中：Γeven，Γodd分別為偶模和奇模等效電路中的輸入反射系數(shù)；Teven是偶模等效電路中的傳輸系數(shù)。當Teven=0時滿足條件，巴倫具有良好的180°相位特性。經(jīng)典Marchand 巴倫使用傳輸線的耦合方式雖然應用廣泛，但受帶寬限制。本文利用LTCC緊湊和多層結(jié)構(gòu)特點，將巴倫的輸入與輸出設計為相似形狀的電感，縱向互相穿插，極大地增加了耦合量。

1.2 帶通濾波器理論分析

在集總參數(shù)情況下，帶通濾波器的設計常采用兩種方法：

1) 低通和高通級聯(lián)方式。圖2為低通和高通濾波器級聯(lián)原理圖。使用此方法的濾波器帶寬很寬，但其帶外抑制相對較差，結(jié)構(gòu)復雜。

圖2 低通和高通濾波器級聯(lián)原理圖

2) 利用耦合元件(電感或電容)連接并聯(lián)諧振電路。圖3為兩階諧振器耦合式帶通濾波器。濾波器矩形系數(shù)較好，且?guī)庖种戚^深，但其通帶相對較窄，且隨著并聯(lián)諧振的增加，其通帶內(nèi)插損不斷變大，信號損失嚴重。這種設計方法適合于品質(zhì)因數(shù)Q>10或Q=10的窄帶帶通濾波器，有:

圖3 兩階諧振器耦合式帶通濾波器

(2)

式中：f0為濾波器的中心頻率；BW3 dB為濾波器在3 dB衰減處的帶寬。

如何設計出一個帶寬較寬、插損較小且?guī)庖种戚^深的帶通濾波器一直是一個難點。本文設計了一種五階帶通濾波器，通過5個并聯(lián)諧振(即L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5)單元加深了帶外抑制。因五階帶通濾波器通帶較窄且插損較大，所以引入C8和L8，以及在二階、三階和四階之間使用電感(L6、L7)級聯(lián)，如此設計將極大地拓寬帶通濾波器的通帶，并加深了3倍頻帶外抑制。圖4為五階帶通濾波器設計原理圖。

圖4 五階帶通濾波器設計原理圖

2 三維建模

本文涉及的巴倫濾波器建模分為兩大部分：巴倫和帶通濾波器。巴倫的非平衡輸入端輸入阻抗為50 Ω，兩個平衡輸出端阻抗也為50 Ω。圖5 為巴倫模型側(cè)面剖解圖。由圖可見，采用相似的片式螺旋電感結(jié)構(gòu)[8]，輸入和輸出之間在垂直方向交叉堆疊，且頂層無具有屏蔽作用的大面積公共地，這種結(jié)構(gòu)不僅可提高耦合系數(shù)，擴寬帶寬，且更節(jié)省空間。在巴倫的輸出端設計了短接電容，便于調(diào)整兩個輸出端口的相位平衡。圖6為巴倫耦合電感繞制拓撲圖，具體尺寸：L1=1.52 mm，L2=0.81 mm，L3=0.05 mm，L4=1.16 mm，L5=0.55 mm，L6=1.08 mm，L7=0.17 mm，g1=0.08 mm。

圖5 巴倫模型側(cè)面剖解圖

圖6 巴倫耦合電感繞制拓撲圖

帶通濾波器中的電感采用“孔柱-極板-孔柱”結(jié)構(gòu)，這樣設計可以避免LTCC傳統(tǒng)多層螺旋折線電感空間利用率低，調(diào)試困難，對制作工藝要求較高的問題。同時，此結(jié)構(gòu)還可以增加電感之間的耦合電容，減少并聯(lián)諧振單元間串聯(lián)電容的體積，器件能夠進一步小型化。圖7為巴倫濾波器三維模型。

3 巴倫濾波器實物制作測試

對設計和仿真完成后的模型進行加工。首先將介電常數(shù)為9.8的陶瓷粉流延制作成生瓷帶，再將生瓷帶切割成尺寸一致的片狀，然后根據(jù)模型對應位置進行打孔，填充銀漿，電路印刷，印刷完成后利用疊層機精準疊壓成一個整體，使用25 MPa壓力進行等靜壓，最后切割、燒結(jié)，外電極端印。制作完成的巴倫濾波器整體尺寸為3.2 mm×2.5 mm×1.0 mm。巴倫濾波器加工后實物和PCB焊接如圖8所示。

圖8 巴倫濾波器加工實物和PCB焊接

使用網(wǎng)絡分析儀對焊接完成后的巴倫濾波器進行測試，實測結(jié)果分別如圖9～12所示。由圖可見，本文設計的巴倫濾波器實測和仿真結(jié)果較吻合?；夭〒p耗實測與仿真的差異主要受實際加工和焊接過程中各種因素的影響，實測平衡輸出端口相位差為180°±12°，幅度差為±0.7 dB。濾波器性能良好，完全滿足設計要求。

圖9 插入損耗S21參數(shù)對比

圖10 回波損耗S11參數(shù)對比

圖11 巴倫濾波器實測輸出相位平衡

圖12 巴倫濾波器實測輸出幅度平衡

4 結(jié)束語

本文基于LTCC技術設計制作了一款超寬帶巴倫濾波器，其將五階帶通濾波器和高耦合巴倫進行級聯(lián)，級間采用了電容和電感兩種耦合方法。所得濾波器的帶外抑制深，插損小，整體性能優(yōu)良，可替代在實際使用中帶通濾波器和巴倫分立器件分別使用的場景，具有節(jié)省成本和空間等優(yōu)點，在通用性和市場應用上潛力巨大。