LTCCLTCF耦合谐振带通滤波器的研究与设计.doc

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1、分类号 密级 内部 UDC注1 学 位 论 文微型LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的研究与设计（题名和副题名） 徐利（作者姓名）指导教师姓名 副教授 申请学位级别 硕士 专业名称 电磁场与微波技术 论文提交日期 2012.1 论文答辩日期 学位授予单位和日期 南京理工大学 答辩委员会主席 评阅人 2012 年 1 月 1 日注1：注明国际十进分类法UDC的类号。声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的

2、贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日 word文档 可自由编辑摘 要现代无线通讯系统及计算机技术的飞速发展对微波射频滤波器的微型化、性能优、高可靠的要求愈来愈高。耦合谐振带通滤波器作为射频收发组件以及无线电系统中的重要无源器件，是当前各科研学者研究的重点。因此基于现行的多芯片组件（Multi-Chip-Module，

3、MCM）技术和系统级封装（System In Package，SIP）技术对耦合谐振带通滤波器的研究非常具有现实意义。本文采用MCM技术的两大基石即低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术和低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fired Ferrite，LTCF）技术设计了四款耦合谐振带通滤波器，结合滤波器的设计实例总结了根据耦合谐振带通滤波器基础及交叉耦合等经典滤波器设计理论来设计LTCC/LTCF耦合谐振带通滤波器的方法与流程。特别地对LTCC/LTCF半集总式带通滤波器与LTCC分布式带通滤波器作了详尽的比较分析，得

4、出两种结构滤波器的优缺点以及LTCC/LTCF带通滤波器设计中的各种创新。本文所设计的四款滤波器的主要特征如下：第一款是蓝牙频段的二阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为2.4GHz-2.5GHz，相对带宽约为4%，采用LTCC技术及半集总结构，尺寸为1.6mm0.8mm0.6mm。第二款是VHF频段的四阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为105MHz-171MHz，相对带宽约为48%，采用LTCF技术及半集总结构，尺寸为4.5mm3.2mm1.5mm。第三款是L波段的六阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为1.4GHz-1.7GHz，相对带宽约为20%，采用LTCC技术及分布式结构，尺寸为4.8mm4.2m

5、m1.5mm。第四款是Ku波段的二阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为14.9GHz-15.1GHz，相对带通约为1%，采用LTCC技术及分布式结构，尺寸为2.6mm1.1mm1.1mm。这四款滤波器频率覆盖范围宽，可以从105MHz覆盖到15.1GHz，指标要求高，但最终的仿真结果都大大优于指标要求，并且都具有微型化、性能高和可靠性高的优势。由于时间关系我们只生产了第一款蓝牙频段的滤波器及第三款L波段的滤波器，最终的测试结果性能优异，与仿真结果一致性较好，完全符合指标及工程要求，现在已经大批量生产并投入使用。关键词：耦合谐振滤波器、微型化、低温共烧陶瓷（LTCC）、低温共烧铁氧体（LTCF）、半

6、集总、分布式word文档 可自由编辑AbstractThe boom of the modern wireless communication system and computer technology request the RF filter to be miniaturization, high performance and reliability. As one of the most important passive component in RF transceiver module and radio system，the coupled-resonator filter

7、is a hotspot by many scholars. Consequently, the research of bandpass filters, which are based on MCM (Multi-Chip-Module) and SIP (System In Package).Based on MCM technology, four kinds of coupled-resonator filters are designed using LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) technology and LTCF (Low T

8、emperature Co-fired Ferrite) technology. Combined with the examples of filter designing, we summarized the method and process of filter designing on the basis of the coupled-resonator filters and cross coupling theory. Particularly, we compared and analyzed the semi-lumped and distributed bandpass f

9、ilter. So we got the advantages and disadvantages of these two kinds of bandpass filters and the innovation using in the design.The principal characters of the four filters are shown as follows:The first filter is two ordered coupled-resonator filter at Bluetooth frequency, which using semi-lumped s

10、tructure and LTCC technology. The frequency band is 2.4GHz-2.5GHz, the FBW is about 48% and the dimension is 1.60.8mm0.6mm. The second filter is four ordered coupled-resonator filter at VHF-band, which using semi-lumped structure and LTCF technology. The frequency band is 105MHz-171MHz, the FBW is a

11、bout 48% and the dimension is 4.53.2mm1.5mm.The third filter is six ordered coupled-resonator filter at L-band, which using distributed structure and LTCC technology. The frequency band is 1.4GHz-1.7GHz, the FBW is about 20% and the dimension is 4.84.2mm1.5mm.The fourth filter is four ordered couple

12、d-resonator filter at Ku-band, which using distributed structure and LTCC technology. The frequency band is 14.9GHz-15.1GHz, the FBW is about 1% and the dimension is 2.61.1mm1.1mm.Key words: Coupled-resonator Filters, Miniaturization, Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC), Low Temperature Co-fired

13、 Ferrite (LTCF), Semi-Lumped, Distributed目 录摘 要IABSTRACTII1.绪论方程段 1 部分 111.1.课题的研究背景与意义11.2.LTCC关键技术及其发展方向21.2.1.LTCC工艺流程及关键技术21.2.2.LTCC微波器件的研究进展41.2.3.低温共烧铁氧体材料的关键技术61.2.4.LTCF技术的研究现状及发展趋势71.3.本文的主要工作82.耦合谐振带通滤波器的基本理论102.1.概述102.2.耦合谐振带通滤波器的基本原理122.3.微波谐振器简介162.4.J、K变换器的微波实现及其等效电路182.5.交叉耦合滤波器的电路分

14、析202.5.1.N阶耦合谐振带通滤波器的矩阵分析212.5.2.交叉耦合电路的相位关系分析223.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的设计流程及三维实现方程段(下一个) 部分 3263.1.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的EDA设计流程263.2.LTCC/LTCF中元件的三维实现273.2.1.带状线的三维模型建立273.2.2.电感的三维实现283.2.3.电容的三维实现323.3.谐振单元的三维实现及谐振频率的确定343.4.谐振级间耦合系数的提取383.4.1.双模分析法提取耦合系数383.4.2.电壁磁壁分析法提取耦合系数394.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的研制414.1.概

15、述方程段(下一个) 部分 4414.2.半集总型LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的研究424.2.1.蓝牙频段LTCC耦合谐振滤波器的设计424.2.2.甚高频LTCF耦合谐振滤波器的设计514.3.带状线型LTCC耦合谐振滤波器的研究574.3.1.L波段LTCC高阻带抑制耦合谐振滤波器584.3.2.Ku波段LTCC窄带耦合谐振滤波器665.总结与展望72致谢74参考文献75附录781. 绪论1.1. 课题的研究背景与意义滤波器是微波射频电路、无线电系统等许多设计中的关键问题。在多路通信中，滤波器用来分开和组合不同的频段；在射频收发组件中，滤波器用来防止接收机受到工作频段外的干扰或规定大功

16、率发射机在工作频段内辐射。而且，从超长波段到毫米波段的所有电磁波段都需要滤波器1。在微波技术及无线通讯的飞跃发展进程中，滤波器是一直是一个极其重要的部分。最近一些年来微波滤波器的现状大致可以分为以下几个方面2：（1） 从个别应用到广泛应用在微波技术中，对滤波器研究最早的课题之一则是从微波空腔谐振器开始，这可以等价为微波滤波器的一个基本单位。随着微波理论及技术的发展，人们将单腔谐振器进行组合，设计出性能更加优良的滤波器。由于微波波段应用的增多，频谱更加拥挤，而且电子对抗的应用也越来越普遍，迫使微波滤波器在应用深度和广度上都发展很快3,4。（2） 设计方法从粗糙到精确，从繁琐到简单最初设计微波滤波

17、器，是利用场和波的方法对滤波器的结构进行仿真和分析，设计过程非常复杂5。伴随计算机软件的迅猛发展，可以对滤波器进行全波建模优化仿真的软件也接踵而至，最典型的软件有：CST Microwave studio，Advanced design system，Ansoft HFSS等。这些专业的电磁场仿真软件的出现使得微波器件的设计向前迈出了很大的步伐。滤波器设计已经将综合和软件的仿真优化相结合，使设计出的滤波器精度更高，调试难度更低，器件的一致性更好。（3） 滤波器的型式多样化、标准化、元件化由于目前射频器件制造工艺的飞跃发展，微波滤波器也相应的从很少的种类发展到各种结构、各种类型，例如LC滤波器、

18、微带滤波器、腔体滤波器等传统滤波器。由于微电子技术和半导体工艺的发展，一些新兴的滤波器的进展迅速，MEMS滤波器，CMOS滤波器，LTCC滤波器等微波滤波器已广泛研制。（4） 微波滤波器的设计采用各式新型材料滤波器性能的提高离不开微波材料的发展，目前微波材料的进展非常大，已有很多新型材料成功用于微波滤波器中，比如超导体、等离子体、铁氧体、铁电体等6。（5） 滤波器日益微型化，与其他微波器件集成更加密切微波滤波器是目前微波无源器件的核心之一。由于个人电子和无线通讯产品的小型化要求更高，产品的封装技术也飞跃发展。在传统的PCB（Printed Circuit Board）工艺基础上又出现了所谓的多

19、芯片组件（Multi-Chip-Module, MCM）技术和系统级封装（System In Package, SIP）技术，这些新工艺可以将各种无源元件集成到芯片中区。而无源元件所占体积过大是封装技术中一大难题。近些年来发展的多层陶瓷技术，包括低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技术和低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fired Ferrite, LTCF）技术，这种三维集成工艺使微波无源器件的微型化得到了大大的发展。MCM是目前各国研究的热点，其诞生至今已经有二十多年的历史，主要的技术有：高密度厚膜多层布线基板及高

20、密度多层PCB板等。而目前最具研究意义和发展潜力的是LTCC和LTCF技术7。因此，LTCC和LTCF微波滤波器的研究与设计具有十分重要的现实意义。1.2. LTCC关键技术及其发展方向近些年，世界各国的科研工作者都在无源器件的微型化上进行了大量的研究，并取得了相当大的成就。但是无源器件的集成却一直是电子器件发展的瓶颈8。无源器件是构成整机系统的主要部分，在一个系统中，无源器件与有源器件的比例甚至可以高达100:1。LTCC技术给无源器件的集成带来了希望，成为了目前无源器件集成的主流技术。LTCC技术的关键有三点，材料，设计及设备。材料的迅猛发展给LTCC技术带来了崭新的一页，除了将高介电常数

21、的陶瓷材料用于LTCC技术外，现在的研究热点高磁导率铁氧体材料也可用于LTCC技术，即低温共烧铁氧体（LTCF）技术9。1.2.1. LTCC工艺流程及关键技术多层陶瓷基板技术源于20世纪50年代的美国无线电公司，现在的用流延法的生瓷片制造技术，过孔形成技术以及多层叠层技术在当时已广泛应用。之后，IBM公司在这一技术领域居高不下，该公司在80年代初商业化的计算机的电路板就是多层陶瓷基板技术的产物。因为这些多层基板是用氧化铝绝缘材料和导体材料（Mo、W、Mo-Mn）在1600C的高温下烧结而成，因而称为高温共烧陶瓷 （High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC

22、），以区别后来开发的低温共烧陶瓷。从20世纪80年代的中期开始，科研人员致力于提高大型计算机的性能与速度，低温共烧陶瓷技术也得到了进一步的发展。为了提高高密度安装电路板的配线密度，具有低热膨胀的陶瓷材料是必不可少的，而且要使信号高速传输，必须保证陶瓷材料具有较低的介电常数。20世纪90年代初，很多美国和日本的陶瓷和电子厂家开发了满足以上要求的多层陶瓷基板，其中IBM和富士通公司用铜布线材料和低介电常数陶瓷制造的多层基板首先成功的进入商用领域。顾名思义，低温共烧陶瓷技术就是将陶瓷粉制作成的厚度精确的生瓷带在低温下进行烧结，利用生瓷带上用激光打孔10，孔内注浆以及印刷金属图形等工艺，并将各种电感或

23、电容等无源原件埋入生瓷带中，叠加在一起，在850C1000C下烧结而成。LTCC技术的基本工艺流程如图1.2.1所示11。图1.2.1 典型的LTCC技术工艺流程LTCC技术所用的金属是高电导材料，一般是Ag、Cu、Au或其合金，如Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pt等。这些金属的熔点都比较低，约为1000C左右，如表1.2.1所示，由于陶瓷材料是和金属在一起烧结，精确控制烧结温度是非常关键的。为了提高在低温共烧条件下的烧结密度，通常在陶瓷材料中加入低熔点氧化物或晶化玻璃等物质来促进烧结。与其他的无源器件集成技术相比，LTCC技术具有以下优点：首先，由于陶瓷材料具有优良的高频特性与高Q值特性，L

24、TCC无源器件的频率覆盖很广，可高达几十GHz。LTCC工艺中使用的导体材料都具有很高的电导率，有效地提高了电路的品质因子。其次，LTCC器件可满足大电流、高功率、耐高温、可靠性高等特性要求，并且具备优良的热传导率。最重要的一点事，LTCC工艺可以制作层数很高的电路基板，而且可以内埋多个无源元件，大大提高了电路集成密度。LTCC模块除了能集成电容、电感、电阻等元件外，还可以将EMI抑制元件、电路保护元件、敏感元件等集成在一起，如图1.2.2所示12。表1.2.1 低温共烧陶瓷和高温共烧陶瓷主要材料比较陶瓷导体材料烧结温度/C材料熔点/C低温共烧陶瓷玻璃/陶瓷复合物结晶玻璃/陶瓷复合物液相烧结陶

25、瓷9001000Cu1083Au1063Ag960Ag-Pd9601555Ag-Pt9601186高温共烧陶瓷氧化铝陶瓷16001800Mo2610W3410Mo-Mn12461500图1.2.2 典型的LTCC集成模块1.2.2. LTCC微波器件的研究进展LTCC技术在国外最初主要用于军事产品，最早是由美国的休斯公司研发。由于其受材料技术发展的限制，LTCC产品开始的成本较高。近年来因为无线通讯及汽车电子行业迅猛发展，LTCC工艺技术及材料有了巨大的改善，进而成本也大大降低，渐渐向民用领域发展。过去电子器件技术都由日本及欧美厂商主导，LTCC技术也不例外。LTCC工艺在日本及欧美等发达国家

26、很早就已进入产业化阶段，如美国国家半导体、村田、京瓷、博世、松下等研发机构对LTCC技术已研究深入，其生产工艺和材料体系都已日渐成熟。欧美日厂商占据了LTCC市场的九成以上，不仅在专利技术和规格主导权以及材料上都占主导地位。在2000年左右，由于蓝牙和手机等无线通讯领域的高速发展，台湾地区也积极投入到LTCC工艺技术的研发，并争取和欧美日国家合作，因为LTCC器件必然是通讯无源器件微型化的主要解决手段。相较之下，尽管大陆地LTCC技术的研究较晚，但是，国内的LTCC市场的潜力很大，清华大学，电子科技大学，南京理工大学等高校以及电子科技集团第五十五研究所、第四十三研究所等机构已经开展了大量的研究

27、工作。国内主要厂商以深圳南坡电子和浙江佳利电气为代表。LTCC产品被广泛应用于移动电话、电视、计算机、微波接收机及发射机等系统中。原因很简单：当前应用中的材料多是性能较差，可靠性较低，而LTCC器件具有很好的性能及耐久性，其可靠性也很高，同时LTCC易于批量生产且成本较低。图1.2.3是一个装有全球卫星定位系统的双波段移动电话的简要示意图。其工作原理如下：首先由D/A转换器将说话声音的模拟信号转换成数字信号，再通过一混频器，随后用声表面波滤波器滤除噪声，将信号放大后由天线发射出去。LTCC技术可以用来制作这一过程所需的几乎所有分立器件，如耦合器、巴伦、滤波器、功分器等。而且，LTCC技术还可以

28、用来实现图中所划分的电路模块，如前段模块、功率放大模块及天线转换模块，另外LTCC技术还可以用于声表面波滤波器的封装13。因此，越来越多的LTCC器件将进入射频通讯系统中。总的而言，LTCC产品可以分成三个类型，如表1.2.2所示，即分立器件、封装/基板、模块。图1.2.3 装有全球卫星定位系统的移动电话（CDMA，PCS）框架图表1.2.2 LTCC产品的分类类型产品模块前端模块接收模块汽车电源控制（自动增益控制）耦合器模块封装/基板功率放大器（PA）模块声表面波器件封装表面贴装器件（SMD）带通滤波器（BPF）低通滤波器（LPF）巴伦耦合器双工器天线1.2.3. 低温共烧铁氧体材料的关键技

29、术LTCF技术即低温共烧铁氧体，其基本工艺流程与LTCC技术基本一致，只是用于低温共烧的材料为铁氧体材料，目前在广泛应用的有MnZn系列、NiZnCu系列、Li铁氧体旋磁材料系列等等14。LTCF技术与LTCC技术相比之劣势是，该技术更适合做低频、中频滤波器。但是随着铁氧体材料技术的发展，特别是实现了将铁氧体材料、陶瓷介质及金属材料三位一体低温共烧的技术，现在的LTCF器件的覆盖频率也更广，向高频段发展，典型的模块如图1.2.4所示。图1.2.4典型的LTCF模块示意图众所周知，低温共烧的温度一般在850C1000C，但是NiZn铁氧体的烧结温度为1200C1300C，而MnZn铁氧体的烧结温

30、度更高达1300C1450C15。因此LTCF技术的关键是首先要研制出能与高导金属材料（例如Ag、Au、Ag-Pt等）实现低温共烧的铁氧体磁粉。LTCF技术除了需要研发出可以低温共烧的铁氧体磁粉外，还要求其电阻率足够高，并且不能与内高导材料发生反应。目前，制备满足要求的铁氧体材料的方法主要有三种16：第一种是在铁氧体磁粉中加入低熔点物质添加剂；第二种是用单相固熔体的离子进行离子代换；第三种是将铁氧体磁粉制成超细粉料，以达到降低烧结温度的目的。LTCF工艺中另一项关键技术是制备适合流延的铁氧体复合浆料。要在基带上流延出厚度均匀而又连续的浆料层，必须严格控制浆料的粘度、气泡以及均匀性等物理性能。因

31、此，在研制铁氧体复合浆料的时候，出来要在铁氧体粉料中加入低熔点物质外，还需要加入分散剂、增塑剂、去泡剂、粘结剂、湿润剂、表面活性剂等，经过均匀混合后球磨成胶体。接着在流延机的上作用形成光滑自然的平面膜片。膜片需要再经过干燥炉干燥后形成有弹性而又柔软的磁膜。此外，将高导材料、陶瓷材料以及铁氧体材料三种材料一起进行低温共烧也是现在各国研究的重点技术之一。要想实现这三种材料的共烧，必须调整其烧结温度、热胀系数、收缩率等参数相应匹配，否则无法实现低温共烧17。1.2.4. LTCF技术的研究现状及发展趋势与LTCC微波器件一样，LTCF器件在通信与计算机领域的应用也十分广泛，特别是宽带业务数字网、移动

32、通讯、蓝牙模块、频率合成器、汽车电子以及宇航微波产品等方面。基于LTCF技术设计研制的产品主要有多层片式电感、多层片式滤波器、抗电磁干扰磁珠阵列。随着对LTCF技术的深入研究，目前基于此工艺已研制出一系列的磁性组件、系统以及磁性功率模块。早在1983年，日本TDK公司就已经研制出一款LTCF多层片式LC滤波器，该滤波器是将NiCuZn铁氧体材料和陶瓷介质叠加在一起进行低温共烧，并且很好的解决了铁氧体材料、陶瓷介质及高导材料三位一体共烧的问题。九十年代时，美国也有很多LTCF器件的专利问世，其中Midcom公司的LTCF微磁变压器的额定功率可达250mW18。欧洲的很多公司也迅速发展起来，以德国

33、的博世和西门子为代表。在各个行业的发展与市场需求的推动下，我国各个单位也相继展开了对LTCF技术的研究，包括电子科技大学、中国电子科技集团第九研究所，深圳南坡电子等。但是由于起步太晚，加之工艺线和材料技术的限制，我国在低温共烧铁氧体方面一直没有取得比较大的进展。材料和工艺设备主要还是依赖国外进口，LTCF器件的设计工作也受到了严重的制约。当前LTCF技术的主要发展趋势主要有以下几个方面19-20：（1）低温共烧铁氧体材料向多元化发展目前市场化的低温共烧铁氧体是磁导率为200为NiZnCu铁氧体。在未来的发展中，主要向着更高磁导率的方向发展，比如研发磁导率为500-2500的MnZn铁氧体材料。

34、用于低温共烧的旋磁材料LiZn铁氧体磁粉也是目前研制的重点21。 （2）LTCF元器件和组件向更高频率发展由于计算机和通信领域的迅猛发展，为满足各个行业的需求，LTCF技术发展也很快，其工作频段也越来越高，正在研发微波频段甚至毫米波段的磁性模块技术22。（3）LTCF器件和模块想多功能化发展目前欧美日等国家已成功研制出EMI滤波器模块、EMI多层磁珠阵列、功分器、定向耦合器、变压器、放大器及混频器等LTCF磁性组件或模块。2002年在日本召开了多层微波铁氧体滤波器、环形器、移相器等磁性器件及模块的研讨会23。（4）LTCF技术向高可靠性和功率密度大的方向发展对LTCF器件和模块，不仅要求其工作

35、频段更高，对它的功率以及可靠性的要求也更加高。例如日本TDK公司研制的LTCF定向耦合器尺寸为3.2mm1.6mm1.1mm，功率密度为80W/cm3，频率为2.5GHz。1.3. 本文的主要工作本课题主要是基于LTCC和LTCF这两大无源器件集成技术，对耦合谐振带通滤波器的设计方法、技巧以及滤波器的结构上做出一定的创新与研究。本文的主要工作是设计四款微型带通滤波器，包括三款LTCC带通滤波器和一款LTCF带通滤波器，涵盖了VHF频段、L波段、S波段和Ku波段，相对带宽最窄的为1.3%，而最高的达48%。通过对这四款滤波器的设计过程与方法的介绍，阐述了如何高效快速的超小型的LTCC带通滤波器或

36、LTCF滤波器，并且在滤波器的三维结构上做出一定的创新使滤波器的性能更加优异。本文的主要内容安排如下：第一章：介绍了LTCC/LTCF耦合谐振带通滤波器的研究背景与意义，分别阐述了LTCC技术和LTCF技术的工艺流程、关键技术和国内外发展状况，并且对本文的研究内容做了一个简要介绍。第二章：描述了耦合谐振带通滤波器的基本理论，介绍了耦合谐振滤波器中的关键单元K、J变换器的微波实现方式及其等效电路。最后分析了交叉耦合理论在耦合谐振滤波器器中的应用。本章内容为后续的滤波器设计工作打下了坚实了理论基础。第三章：介绍了LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的综合流程及其三维实现中所要做的基础工作。阐述了如何在

37、三维中建立精确的LTCC/LTCF电容、电感、谐振器模型，以及如何提取单谐振级的谐振频率和谐振级间的耦合系数。本章内容是设计LTCC/LTCF带通滤波器的重中之重，为下一章设计LTCC/LTCF带通滤波器做了很好了铺垫。第四章：本章是本文的重点，介绍了四款LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的设计。在第二章和第三章的基础上，首先基于LTCC技术设计了一款中心频率为2.45GHz的二阶耦合谐振滤波器，采用半集总结构设计，并生产制造与测试，且给出了测试结果，测试结果与仿真结果吻合很好。接着在此基础上设计了一款中心频率为138MHz的半集总结构的LTCF带通滤波器。其次介绍了两款基于LTCC技术的分布式

38、耦合谐振带通滤波器，分别是中心频率为1.5GHz的六阶耦合谐振滤波器和一款中心频率为15GHz的四阶耦合谐振滤波器。第五章：对本文的主要工作内容、成功及创新点进行总结。2. 耦合谐振带通滤波器的基本理论2.1. 概述基于耦合谐振理论来设计微波带通滤波器是一种常用的方法，借助公式或软件计算出谐振单元的谐振频率及谐振级之间的耦合系数，再通过微波结构来实现这些谐振单元和耦合结构，从而得到微波带通滤波器24。图2.1.1是一种典型低通滤波器原型及其频率响应。将低通原型变换为带通滤波器，只需要根据频率变换式（2.1）25：(2.1)则该低通原型滤波器经过频率变换后对应的带通滤波器及其响应如图2.1.2（

39、a）所示，其频率响应如图2.1.2（b）所示。低通到带通的频率变换过程如表2.1.1所示。其中、分别为上边带频率和下边带频率，为通带的中心频率。带通滤波器的带宽一般用相对带宽来表征26：(2.2)表2.1.1 低通到带通的频率变换滤波器类型变换变换式元件变换元件值的换算关系低 通到带 通为上带边频率为下带边频率一般相对带宽在20%以下的为窄带滤波器，而在40%以上的为宽带滤波器。在设计带通滤波器的时候，除了需要给出中心频率和带宽外，还有比较重要的指标有通带内的插入损耗和阻带的衰减。图2.1.2中为通带内最大衰减值，和分别为下阻带和上阻带中频率为、的衰减量27。目前用来实现谐振器的方式有很多种，

40、其中传输线或波导谐振腔与集总参数谐振器不一样的地方是，它们多具有多重谐振特性。正如图2.1.2（b）所示，在滤波器的响应中，在的整数倍频率上，会周期性的出现寄生通带，一般用表示第二个通带的中心频率，在与中间的衰减峰值用表示。（a）原型电路（b）频率响应曲线图2.1.1 一种典型的低通滤波器电路原型及其频率响应（a）带通原型（b）频率响应图2.1.2 带通滤波器原型电路及其频率响应2.2. 耦合谐振带通滤波器的基本原理把集总参数低通原型滤波器变换成只有一种电抗元件的低通原型滤波器，即电感或电容元件，就是所谓的变形低通原型28。将图2.1.1中所示电路的各元件间加入K变换器后，将电容转换为电感，便

41、得到了只有电感元件的低通原型滤波器；同样，在该电路的各元件加入J变换器，再把电感转化为电容就得到只有电容的低通原型滤波器29。K、J变换器就是我们常说的阻抗变换器和导纳变换器。利用K、J变换就可以将图2.1.1所示的低通原型电路变换为图2.1.3中的只有一种电抗元件的低通滤波器，图2.2.1（a）和图2.2.1（b）是互偶电路。图中的阻抗变换器的阻抗值和导纳变换器的导纳值可以由下式计算得到30：(2.3)(2.4)（a） 只有电感的低通原型（b） 只有电容的低通原型图2.2.1 只有一种电抗元件的低通原型滤波器根据式（2.4），对图2.2.1中电路进行频率变换可以得到如图2.2.2所示的耦合谐

42、振带通滤波器原型。图2.2.2（a）中，是第个串联谐振级中的电感与电容，就是各个谐振级间的阻抗变换器，表征了各个串联谐振级之间的耦合，因此构成图示耦合谐振滤波器。作为图2.2.2（a）的对偶电路，图2.2.2（b）所示电路中的谐振级是并联谐振器，J变换器表征各个并联谐振级间的耦合。（a）（b）图2.2.2经过K、J变换后的耦合谐振带通滤波器原型图2.2.2（a）中的第个串联谐振级的电抗是由图2.2.1（a）中的元件的电抗经过频率变换后得到的，即31：(2.5)因此，图2.2.2（a）中的串联谐振级中的电感和电容值分别为：(2.6)(2.7)根据第个谐振级的电抗斜率参数定义式（2.7）可以计算出

43、：(2.8)比较式（2.7）和式（2.8）可以得到：(2.9)将式（2.9）代入阻抗计算公式（2.3）中就可以得到耦合谐振带通滤波器中的阻抗的值：(2.10)在设计耦合谐振带通滤波器中，我们一般不去计算阻抗变换器K，而是计算谐振级之间的耦合系数以及端口处的外部Q值。端口的外部Q值就是终端电阻反射到第n个谐振级上的Q值32。因此，终端电阻反射到左端第一个谐振级的电阻是,加之串联谐振级的感抗为，因此第一个谐振级的外界Q值是：(2.11)根据两相邻谐振级间的耦合系数的定义,即两相邻谐振级间的耦合阻抗与其感抗的几何平均值的比值，即33：(2.12)根据对偶电路的设计原则，用J变换器的耦合谐振带通滤波器

44、的设计公式可以根据式（2.13）所示的对偶变换式得出：(2.13)因此，用J变换器和并联谐振级构成的耦合谐振带通滤波器的一系列公式如表2.2.1所示：表2.2.1 J变换器与并联谐振器组成的耦合谐振带通滤波器设计公式电斜率参数导纳变换器导纳：外界Q值：耦合系数：综上所述，根据滤波器的指标以及低通原型中各个元件的数值，就可以计算出所要设计的耦合谐振带通滤波器各个谐振级中电容、电感的值，以及各个谐振级间的耦合系数。因此，设计耦合谐振带通滤波器的关键在于确定谐振单元中各个元件的值及谐振单元间的耦合系数，并用微波电路准确有效的实现出来34。2.3. 微波谐振器简介根据耦合谐振滤波器的设计公式可以计算出

45、所设计滤波器的谐振单元的元件值和谐振单元间的耦合系数，但更为重要的是如何实现耦合谐振单元和K、J变换器的微波结构。在本节我们将简要介绍一下微波谐振器。微波谐振器有很多结构，我们最为熟悉的就是串联谐振电路和并联谐振回路。串联和并联谐振器的重要参数与结果如表2.2.2所示。但是随着微波频率的升高，理想的集总元件是非常难实现的，所以应用更为广泛的是分布元件。现在应用最多的是以下几种谐振器：波导谐振腔、介质谐振腔、传输线谐振器，其中传输线谐振器又包括短路/2传输线、短路/4传输线、开路/2传输线、开路/4传输线。传输线谐振器的等效电路及其参数如表2.2.3所示35。表2.2.2串联和并联谐振器的结果一览表量串联谐振器并联谐振器输入阻抗/导纳功率损耗存储的磁能存储的电能谐振频率无载Q值外界Q值表2.2.3四种传输线谐振器的等效电路及其参数编号（a）（b）（c）（d）传输线等效电路