基于LTCC的超宽带巴伦滤波器小型化设计

于 聪，叶 强，罗昌桅

(中国计量大学 信息工程学院，浙江 杭州 310018)

随着无线通信系统的快速发展，对微波滤波器和平衡电路元件的需求不断增加，且对于元件的小型化、集成化要求越来越迫切。巴伦(Balun)滤波器可以兼顾平衡到不平衡的转换和频率选择，这不仅可避免滤波器和巴伦单独使用产生的互联损耗以及匹配工作，而且可以节省整体电路尺寸。其中，低温共烧陶瓷(LTCC)技术已被用于构造一些紧凑尺寸的Balun滤波器[1]。

文献[2]是一个基于Marchand巴伦三线耦合结构的改进，其通带为7～13 GHz，插入损耗在4 dB内，尺寸为1 mm×1.5 mm×1 mm，性能优良，且尺寸紧凑，但在高频段下，对生产工艺要求非常苛刻，当前市场使用率较低。文献[3]介绍了一种基于LTCC工艺具有二次谐波抑制的巴伦滤波器，它由两个半波长谐振器和3条馈线组成，结构较简单，但通带较窄，公共接地平面面积较大且多。在生产工艺过程中，与公共接地平面相关的上下层陶瓷膜片之间易出现粘连而不牢固，进而对性能产生不良影响。

本文提出的巴伦滤波器结构由两大部分构成，即五阶带通滤波器和高耦合宽带巴伦级联。带通滤波器采用级间电感耦合，极大地增加了带宽。巴伦部分是在Marchand 巴伦的基础上进行改进，输入与输出之间采用绕制电感耦合。为了增加耦合量和扩展带宽，耦合电感上下对称形成了一种夹心式结构。该带通巴伦滤波器体积小，带外抑制深，相对带宽48%，具有较好的应用前景。本文利用电磁仿真系统ANSYS Electronics Suite 2020 R2 进行设计优化，实际加工所使用的陶瓷介质相对介电常数为9.8，最后使用网络分析仪对巴伦滤波器进行实际性能测试。

1.1 巴伦理论分析

经典Marchand巴伦原理如图1(a)所示。其结构对称，由一条λ/2(λ为波长)和两条λ/4的传输线组成，采用奇模和偶模分析法分析其相位特性。图1(b)、(c) 分别为奇偶模等效电路[4-7]。为了满足理想巴伦的180°相位特性，需满足条件：

图1 经典Marchand巴伦和奇偶模等效电路

(1)

式中：Γeven，Γodd分别为偶模和奇模等效电路中的输入反射系数；
Teven是偶模等效电路中的传输系数。当Teven=0时满足条件，巴伦具有良好的180°相位特性。经典Marchand 巴伦使用传输线的耦合方式虽然应用广泛，但受带宽限制。本文利用LTCC紧凑和多层结构特点，将巴伦的输入与输出设计为相似形状的电感，纵向互相穿插，极大地增加了耦合量。

1.2 带通滤波器理论分析

在集总参数情况下，带通滤波器的设计常采用两种方法：

1) 低通和高通级联方式。图2为低通和高通滤波器级联原理图。使用此方法的滤波器带宽很宽，但其带外抑制相对较差，结构复杂。

图2 低通和高通滤波器级联原理图

2) 利用耦合元件(电感或电容)连接并联谐振电路。图3为两阶谐振器耦合式带通滤波器。滤波器矩形系数较好，且带外抑制较深，但其通带相对较窄，且随着并联谐振的增加，其通带内插损不断变大，信号损失严重。这种设计方法适合于品质因数Q>10或Q=10的窄带带通滤波器，有:

图3 两阶谐振器耦合式带通滤波器

(2)

式中：f0为滤波器的中心频率；
BW3 dB为滤波器在3 dB衰减处的带宽。

如何设计出一个带宽较宽、插损较小且带外抑制较深的带通滤波器一直是一个难点。本文设计了一种五阶带通滤波器，通过5个并联谐振(即L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5)单元加深了带外抑制。因五阶带通滤波器通带较窄且插损较大，所以引入C8和L8，以及在二阶、三阶和四阶之间使用电感(L6、L7)级联，如此设计将极大地拓宽带通滤波器的通带，并加深了3倍频带外抑制。图4为五阶带通滤波器设计原理图。

图4 五阶带通滤波器设计原理图

本文涉及的巴伦滤波器建模分为两大部分：巴伦和带通滤波器。巴伦的非平衡输入端输入阻抗为50 Ω，两个平衡输出端阻抗也为50 Ω。图5 为巴伦模型侧面剖解图。由图可见，采用相似的片式螺旋电感结构[8]，输入和输出之间在垂直方向交叉堆叠，且顶层无具有屏蔽作用的大面积公共地，这种结构不仅可提高耦合系数，扩宽带宽，且更节省空间。在巴伦的输出端设计了短接电容，便于调整两个输出端口的相位平衡。图6为巴伦耦合电感绕制拓扑图，具体尺寸：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。

图5 巴伦模型侧面剖解图

图6 巴伦耦合电感绕制拓扑图

带通滤波器中的电感采用“孔柱-极板-孔柱”结构，这样设计可以避免LTCC传统多层螺旋折线电感空间利用率低，调试困难，对制作工艺要求较高的问题。同时，此结构还可以增加电感之间的耦合电容，减少并联谐振单元间串联电容的体积，器件能够进一步小型化。图7为巴伦滤波器三维模型。

对设计和仿真完成后的模型进行加工。首先将介电常数为9.8的陶瓷粉流延制作成生瓷带，再将生瓷带切割成尺寸一致的片状，然后根据模型对应位置进行打孔，填充银浆，电路印刷，印刷完成后利用叠层机精准叠压成一个整体，使用25 MPa压力进行等静压，最后切割、烧结，外电极端印。制作完成的巴伦滤波器整体尺寸为3.2 mm×2.5 mm×1.0 mm。巴伦滤波器加工后实物和PCB焊接如图8所示。

图8 巴伦滤波器加工实物和PCB焊接

使用网络分析仪对焊接完成后的巴伦滤波器进行测试，实测结果分别如图9～12所示。由图可见，本文设计的巴伦滤波器实测和仿真结果较吻合。回波损耗实测与仿真的差异主要受实际加工和焊接过程中各种因素的影响，实测平衡输出端口相位差为180°±12°，幅度差为±0.7 dB。滤波器性能良好，完全满足设计要求。

图9 插入损耗S21参数对比

图10 回波损耗S11参数对比

图11 巴伦滤波器实测输出相位平衡

图12 巴伦滤波器实测输出幅度平衡

本文基于LTCC技术设计制作了一款超宽带巴伦滤波器，其将五阶带通滤波器和高耦合巴伦进行级联，级间采用了电容和电感两种耦合方法。所得滤波器的带外抑制深，插损小，整体性能优良，可替代在实际使用中带通滤波器和巴伦分立器件分别使用的场景，具有节省成本和空间等优点，在通用性和市场应用上潜力巨大。

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