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摘 要：本文提出了一种基于LTCC技术的小型化、高性能带通滤波器的实现方法。采用7阶切比雪夫低通和8阶切比雪夫高通串联并在通带的高低端各引入多个传输零点，实现较高的阻带抑制，同时在结构上设计了折叠结构实现尺寸小型化。我们应用该设计方法开发制作了一款S波段LTCC带通滤波器，通过在阻带高低端各引入4个谐振单元，产生了8个传输零点。加工和实测结果显示阻带抑制≥30dB、尺寸仅为3.2mm×2.5mm×1.3mm，满足了现代军民用无线通信系统对小型化、高新能滤波器的需求。
关键词：带通滤波器;低温共烧陶瓷（LTCC）;传输零点;高阻带抑制
一、引言
微波/射频滤波器是现代无线通信系统的重要组成部分，广泛应用与通信、导航、雷达等电子设备中，可谓最不可或缺的无源器件。从1937 年微波滤波器的概念问世以来，滤波器经历了80 余年的发展历程，期间传统的波导/腔体/微带等形式的滤波器承担了大半个世纪以来通信系统中对信号进行滤波的技术需求[1];在通信系统小型化需求的驱动下，在以半导体、混合集成、陶瓷等新技术、新工艺、新材料为代表的科技的孕育下，滤波器技术也不断更新换代，先后涌现出LC 滤波器、mems 滤波器、LTCC 滤波器、介质滤波器、声表滤波器、fbar 滤波器等小型化滤波器，将滤波器尺寸从几十毫米压缩到十几乃至几毫米的量级。尤其是近年来芯片化、表贴式、可集成、低成本式微型滤波器逐渐成为军民用通信系统的主流滤波器选用类型，并凭借各自优缺点在不同应用场景如雷达、电子对抗、基站、终端等占据一席之地。新型滤波器的出现、创新和优化不断顺应着通信系统小型化的趋势，且一定程度上验证了摩尔定律。在这其中，低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器凭借多层布线体积小、设计灵活自由度高、一次成型免调试、截止频率无限制、陶瓷结构成本低等优点愈来愈得到射频工程师的青睐和军民用通信领域的广泛应用[2]。近20 年来，国内外高校、科研院所乃至企业对高性能LTCC 滤波器的设计开发热度持续不减，推出了很多种LTCC滤波器结构，推动着相关设计理论和实践经验的完善。本文结合工程需求，提出一种S 波段微型LTCC 带通滤波器，经过紧凑型结构设计布局，采用折叠结构，实现了一款上下阻带均有4 个传输零点、尺寸仅为3.2mm×2.5mm×1.3mm 的高性能微型滤波器。
二、整体设计方案
（一）设计目标与设计思路
本文的设计要求来源于某任务需求，主要指标如下：
（1）中心频率：3600MHz
（2）1dB 带宽：±400MHz
（3）中心插损：≤4 dB
（4）阻带抑制：≥30dBc（f：DC～2680 MHz&4680～8500 MHz）
（5）外形尺寸（长宽）：≤3.2mm×2.5mm
针对设计值中对尺寸的要求，本文采用LTCC 工艺设计实现。如何兼顾尺寸和性能是本文的重点研究内容。众所周知，高性能的带通滤波器要求插损小、带外抑制高，甚至需要抑制到3 次、4 次谐波。而提高滤波器带外抑制的主要方式为增加滤波器的阶数和在带外添加传输零点[2]，一方面滤波器只有保证基本的阶数才能将带外抑制和插入损耗维持在相当的水平，另一方面阶数过多势必会带来尺寸的增大、插损的提高和设计的复杂化，而增加传输零点的方法不但有效增强了带外抑制，而且对插损的影响较小。因此本文采用的设计思路是在充分考虑设计要求的前提下，选择合适的阶数，通过增加多个传输零点来提高带外抑制。
（二）电路设计及仿真
本文采用切比雪夫高低通串接的方式实现滤波器带通功能，为了满足带外抑制要求，分别在高通滤波器和低通滤波器中引入了多个传输零点。本方案在滤波器通带的高低端对应的低通滤波器和高通滤波器上分别引入4 个传输零点，对应电路图中低端的（L5、C8）、（L6、C9）、（L7、C10）、（L8、C11）谐振单元和高端的（L1、C1）、（L2、C2）、（L3、C3）、（L4、C4）谐振单元，合理安排传输零点的位置，可使得带外抑制较好，且滤波器过渡带较窄，滤波器具有较高的抑制性能。原理图如图1 所示：
（三）三维建模与仿真优化
本文设计的重点和难点在于如何在3.2mm×2.5mm 的长宽尺寸范围内对8 阶滤波器共计11 个电容元件和12 个电感元件进行布局。得益于LTCC 工艺的多层布线特点，此问题得到解决方案。整体结构示意图如图2 所示。
三维设计主体结构主要分为以下几部分：中心层叠体100、中心层叠体中的滤波电路200、金属导带300 及金属过孔400。其中中心层叠体100 包括复数个自上而下叠置的承载单元，每个承载单元由多层介质基板自上而下层叠构成，相邻介质基板之间通过相互相连导通，中心层叠体100 的表面设有第一输入输出端S1 和第二输入输出端S3;还包括两接地侧板S2 和S4，两所述接地侧板S2 和S4 位于所述中心层叠体100的侧面。
本文采用瓷带的层数为27层，布线核心层的分解结构示意图如图3 所示。
結合图2 和图3 对三维布线进行介绍。中心层叠体100 依次包括第一接地层D1、第一间隔空白基板层K1、第一承载单元Z1、第二间隔空白基板层K2、第二承载单元Z2、第三间隔空白基板层K3第三承载单元Z3 以及第三接地层D3;第一接地层D1 和第三接地层D3 均连接所述接地侧板S2和S4。中心层叠体的上方的还包括一端面空白基板层M，其是由三层空白的介质基板层叠而成。第一承载单元Z1 设置3 个第一传输零点结构，作为一个排布单元，由第1～4 层介质基板构成，第1和第2 层介质基板制作有L1、L2、L3，第3 和第4 层介质基板制作有C1、C2、C3，且第1 层介质基板还制作有C5 与C6，第2 层介质基板还制作有C7，其中C1、L1 与第一输入输出端S1 相连;第二承载单元Z2 设置第四个第一传输零点结构，作为一个排布单元，由第5～8 层介质基板构成，第5 和第6 层介质基板制作有L4，第7和第8 层介质基板制作有C4，第6 层介质基板制作有水平面屏蔽结构P1;第三承载单元Z3 设置4 个第二传输零点结构，作一个排布单元，第9～18 层介质基板构成，第9 层介质基板同时也为第二接地层D2，第10 和第11 层介质基板制作有L9、L10、L11、L12，第12 层到第16 层介质基板制作有L5、L6、L7、L8，第17 与第18层介质基板制作有C8、C9、C10、C11，其中L8、C11 与第二输入输出端S3 相连。第6、第9 层介质基板还连接接地端S2 和S4。第6 层介质基板到第18 层介质基板以及第三接地层D3 通过打贯通孔的方式形成屏蔽结构中的纵向屏蔽结构P2。 本文设计的一大亮点在于：选择第四个第一传输零点结构的谐振单元即L4+C4 作为折叠零点结构，如图4 所示。采用该结构可将经此谐振单元的信号传输方向a4 进行180 度转向而指向输出端面b4 的方向，这样可以大大缩短谐振单元L4+C4 与谐振单元L5+C8之间连接线的长度。
2.4 基于LTCC 工艺的加工与测试
如前文所述，本设计采用了27 层生瓷结构，较大限度地发挥了LTCC 的多层布线特点，毕竟过多的层数也会带来较大的、不可预测的加工误差。本文生瓷带选择介电常数为7.8 和层厚50μm的进口生瓷带。加工后的产品实物图如图5 所示，尺寸为3.2mm×2.5mm×1.3mm。
产品测试曲线如图6 所示。可见，在3.2～4.0 GHz 的通带范围内，最大差损3.78 dB，小于设计目标4 dB，在带外具有8 个传输零点，上下边带各4 个，带外抑制大于30 dB，在关键点2680MHz和4680MHz 的抑制达到40Db，满足设计指标。
三、结束语
本文以小型化、高性能滤波器为设计目标，利用多传输零点带来的高阻带抑制特点和LTCC 工艺的多层布线优点，并在三维设计时独创了一种折叠结构而带来进一步小型化，最终开发出一款性能优异的高阻带抑制微型滤波器，实测结果满目设计指标，在当下的5G 通信和雷达、电子对抗等军民用领域均具备良好的工程化应用前景。
参考文献：
[1] Mason， W.P. and Sykes， R.A. The Use of Coaxial andBalanced Transmission Lines in Filters and Wide-BandTransformers for High Radio Frequencies. Bell SystemTechnical Journal， 16， 275-302，1937.
[2] L.K. Yeung， K.L. Wu， A compact second-order LTCCbandpass filter with two finite transmission zeros. IEEETrans. Microw. Theory. 51（2）， 337–341 （2003）.
作者簡介：
程维伟（1987 –），男，安徽池州人，硕士，工程师，主要研究方向：射频与微波电路。
关键词：带通滤波器;低温共烧陶瓷（LTCC）;传输零点;高阻带抑制
一、引言
微波/射频滤波器是现代无线通信系统的重要组成部分，广泛应用与通信、导航、雷达等电子设备中，可谓最不可或缺的无源器件。从1937 年微波滤波器的概念问世以来，滤波器经历了80 余年的发展历程，期间传统的波导/腔体/微带等形式的滤波器承担了大半个世纪以来通信系统中对信号进行滤波的技术需求[1];在通信系统小型化需求的驱动下，在以半导体、混合集成、陶瓷等新技术、新工艺、新材料为代表的科技的孕育下，滤波器技术也不断更新换代，先后涌现出LC 滤波器、mems 滤波器、LTCC 滤波器、介质滤波器、声表滤波器、fbar 滤波器等小型化滤波器，将滤波器尺寸从几十毫米压缩到十几乃至几毫米的量级。尤其是近年来芯片化、表贴式、可集成、低成本式微型滤波器逐渐成为军民用通信系统的主流滤波器选用类型，并凭借各自优缺点在不同应用场景如雷达、电子对抗、基站、终端等占据一席之地。新型滤波器的出现、创新和优化不断顺应着通信系统小型化的趋势，且一定程度上验证了摩尔定律。在这其中，低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器凭借多层布线体积小、设计灵活自由度高、一次成型免调试、截止频率无限制、陶瓷结构成本低等优点愈来愈得到射频工程师的青睐和军民用通信领域的广泛应用[2]。近20 年来，国内外高校、科研院所乃至企业对高性能LTCC 滤波器的设计开发热度持续不减，推出了很多种LTCC滤波器结构，推动着相关设计理论和实践经验的完善。本文结合工程需求，提出一种S 波段微型LTCC 带通滤波器，经过紧凑型结构设计布局，采用折叠结构，实现了一款上下阻带均有4 个传输零点、尺寸仅为3.2mm×2.5mm×1.3mm 的高性能微型滤波器。
二、整体设计方案
（一）设计目标与设计思路
本文的设计要求来源于某任务需求，主要指标如下：
（1）中心频率：3600MHz
（2）1dB 带宽：±400MHz
（3）中心插损：≤4 dB
（4）阻带抑制：≥30dBc（f：DC～2680 MHz&4680～8500 MHz）
（5）外形尺寸（长宽）：≤3.2mm×2.5mm
针对设计值中对尺寸的要求，本文采用LTCC 工艺设计实现。如何兼顾尺寸和性能是本文的重点研究内容。众所周知，高性能的带通滤波器要求插损小、带外抑制高，甚至需要抑制到3 次、4 次谐波。而提高滤波器带外抑制的主要方式为增加滤波器的阶数和在带外添加传输零点[2]，一方面滤波器只有保证基本的阶数才能将带外抑制和插入损耗维持在相当的水平，另一方面阶数过多势必会带来尺寸的增大、插损的提高和设计的复杂化，而增加传输零点的方法不但有效增强了带外抑制，而且对插损的影响较小。因此本文采用的设计思路是在充分考虑设计要求的前提下，选择合适的阶数，通过增加多个传输零点来提高带外抑制。
（二）电路设计及仿真
本文采用切比雪夫高低通串接的方式实现滤波器带通功能，为了满足带外抑制要求，分别在高通滤波器和低通滤波器中引入了多个传输零点。本方案在滤波器通带的高低端对应的低通滤波器和高通滤波器上分别引入4 个传输零点，对应电路图中低端的（L5、C8）、（L6、C9）、（L7、C10）、（L8、C11）谐振单元和高端的（L1、C1）、（L2、C2）、（L3、C3）、（L4、C4）谐振单元，合理安排传输零点的位置，可使得带外抑制较好，且滤波器过渡带较窄，滤波器具有较高的抑制性能。原理图如图1 所示：
（三）三维建模与仿真优化
本文设计的重点和难点在于如何在3.2mm×2.5mm 的长宽尺寸范围内对8 阶滤波器共计11 个电容元件和12 个电感元件进行布局。得益于LTCC 工艺的多层布线特点，此问题得到解决方案。整体结构示意图如图2 所示。
三维设计主体结构主要分为以下几部分：中心层叠体100、中心层叠体中的滤波电路200、金属导带300 及金属过孔400。其中中心层叠体100 包括复数个自上而下叠置的承载单元，每个承载单元由多层介质基板自上而下层叠构成，相邻介质基板之间通过相互相连导通，中心层叠体100 的表面设有第一输入输出端S1 和第二输入输出端S3;还包括两接地侧板S2 和S4，两所述接地侧板S2 和S4 位于所述中心层叠体100的侧面。
本文采用瓷带的层数为27层，布线核心层的分解结构示意图如图3 所示。
結合图2 和图3 对三维布线进行介绍。中心层叠体100 依次包括第一接地层D1、第一间隔空白基板层K1、第一承载单元Z1、第二间隔空白基板层K2、第二承载单元Z2、第三间隔空白基板层K3第三承载单元Z3 以及第三接地层D3;第一接地层D1 和第三接地层D3 均连接所述接地侧板S2和S4。中心层叠体的上方的还包括一端面空白基板层M，其是由三层空白的介质基板层叠而成。第一承载单元Z1 设置3 个第一传输零点结构，作为一个排布单元，由第1～4 层介质基板构成，第1和第2 层介质基板制作有L1、L2、L3，第3 和第4 层介质基板制作有C1、C2、C3，且第1 层介质基板还制作有C5 与C6，第2 层介质基板还制作有C7，其中C1、L1 与第一输入输出端S1 相连;第二承载单元Z2 设置第四个第一传输零点结构，作为一个排布单元，由第5～8 层介质基板构成，第5 和第6 层介质基板制作有L4，第7和第8 层介质基板制作有C4，第6 层介质基板制作有水平面屏蔽结构P1;第三承载单元Z3 设置4 个第二传输零点结构，作一个排布单元，第9～18 层介质基板构成，第9 层介质基板同时也为第二接地层D2，第10 和第11 层介质基板制作有L9、L10、L11、L12，第12 层到第16 层介质基板制作有L5、L6、L7、L8，第17 与第18层介质基板制作有C8、C9、C10、C11，其中L8、C11 与第二输入输出端S3 相连。第6、第9 层介质基板还连接接地端S2 和S4。第6 层介质基板到第18 层介质基板以及第三接地层D3 通过打贯通孔的方式形成屏蔽结构中的纵向屏蔽结构P2。 本文设计的一大亮点在于：选择第四个第一传输零点结构的谐振单元即L4+C4 作为折叠零点结构，如图4 所示。采用该结构可将经此谐振单元的信号传输方向a4 进行180 度转向而指向输出端面b4 的方向，这样可以大大缩短谐振单元L4+C4 与谐振单元L5+C8之间连接线的长度。
2.4 基于LTCC 工艺的加工与测试
如前文所述，本设计采用了27 层生瓷结构，较大限度地发挥了LTCC 的多层布线特点，毕竟过多的层数也会带来较大的、不可预测的加工误差。本文生瓷带选择介电常数为7.8 和层厚50μm的进口生瓷带。加工后的产品实物图如图5 所示，尺寸为3.2mm×2.5mm×1.3mm。
产品测试曲线如图6 所示。可见，在3.2～4.0 GHz 的通带范围内，最大差损3.78 dB，小于设计目标4 dB，在带外具有8 个传输零点，上下边带各4 个，带外抑制大于30 dB，在关键点2680MHz和4680MHz 的抑制达到40Db，满足设计指标。
三、结束语
本文以小型化、高性能滤波器为设计目标，利用多传输零点带来的高阻带抑制特点和LTCC 工艺的多层布线优点，并在三维设计时独创了一种折叠结构而带来进一步小型化，最终开发出一款性能优异的高阻带抑制微型滤波器，实测结果满目设计指标，在当下的5G 通信和雷达、电子对抗等军民用领域均具备良好的工程化应用前景。
参考文献：
[1] Mason， W.P. and Sykes， R.A. The Use of Coaxial andBalanced Transmission Lines in Filters and Wide-BandTransformers for High Radio Frequencies. Bell SystemTechnical Journal， 16， 275-302，1937.
[2] L.K. Yeung， K.L. Wu， A compact second-order LTCCbandpass filter with two finite transmission zeros. IEEETrans. Microw. Theory. 51（2）， 337–341 （2003）.
作者簡介：
程维伟（1987 –），男，安徽池州人，硕士，工程师，主要研究方向：射频与微波电路。