新型单片过滤器的建模与测量

摘要

本文提出了一种新型多层可调高-基于含铁电材料的发夹谐振器的滤波器。这种配置可以使这些滤波器小型化到适合芯片和封装集成和窄带应用的尺寸。主要的焦点是利用多层介质基板微型化耦合环路滤波器。进一步的目标是通过在多层高、低介质中嵌入高介电材料来增加这些分布滤波器的质量因子（介电常数）由LTCC技术支持的衬底。提出了一种改进的W形带通滤波器，具有宽的止挡和大约5％的带宽。

1.介绍

在微波频率下，并联耦合谐振器滤波器[1和发夹谐振滤波器[2是最广泛使用的过滤器，因为它们的设计，易于制造，成本低。然而，这些滤波器有一些缺点，如:大尺寸，高损耗，特别是当耦合谐振器的数量增加，低阻带抑制，滤波器的谐波杂散响应。

利用带线和微带耦合线理论研究了多种滤波器拓扑结构，以提高性能。提出了一种交叉耦合拓扑[3.通过允许输入信号具有不同相位的不同耦合路径，从而产生受控的衰减极点或传输零点。这些传输零点是在共振的上方、下方或之间的阻带中产生的，以增强滤波器的抑制[4.那5.］．这种技术的缺点是过滤器的高损耗，尤其是当零置于谐振频率附近时。另一个缺点是从一个止回阀（上方或低于共振）的抑制浓度产生的带宽不对称，并在另一个带上放松。引入了谐振器过滤器的不同耦合方案6.］．

阶梯式阻抗发夹谐振器在[7.减小谐振腔的尺寸，提高性能。在[8.，发夹谐振腔的长度通过谐振腔末端的电容负载进一步减小。电容式负载谐振器的主要缺点是由于谐振器电容的增加而造成高损耗。这就解释了为什么这种过滤器的所有应用都使用高温超导体[9.在无线应用中使用有限。慢波开环谐振器在[10］．这允许以高插入损耗为代价实现各种椭圆和准椭圆函数响应。这种损耗限制了该过滤器用于高温超导应用。另一种利用缺陷接地结构(DGS)的耦合线滤波器在[11在耦合线下方的接地平面中的缺陷在滤波器的谐振特性中添加了更多的传输零。利用此DGS可能不适用于滤波器集成和制造方面。Zigzag发夹梳子谐振器已经提出[12，以进一步减小尺寸，但滤波器由于缠绕发夹谐振器而产生非常高的电容。这种绕组增加了损耗，这就是为什么这个滤波器只在高温超导技术中使用，而导体损耗是无关紧要的。

除了谐振腔结构的改进外，馈源结构对滤波器性能的优化也起着重要的作用。不同的馈电拓扑已经被使用，如:1]，点击线[13那14]和端耦合馈电结构。大多数进料结构的电容耦合的饲料或电场耦合，这可以增加过滤器的总电容和减小．优化的馈电位置和长度控制耦合器的强度，这控制带宽和．

滤波器集成的进度和可行性通常耦合到过滤调谐。电子调谐用于补偿制造和过程变化。已经提出了滤波器调谐和减少尺寸的铁电材料[15-17］．大多数铁电材料具有相对介电常数大于200.材料之间存在权衡和可调。KTaO等材料_3.有很高的，大于10,000，但可调性差，每V/不到1%m。首选是Basrtio_3.它具有相等或大于5000的相对介电常数，每V / /的调谐度为20％）但有一个贫穷的少于100。最常见的设计是带有铁电负载电容器的集总元素滤波器[17］．这种方法产生了低由于低而不到30集中的元素。

本文介绍了一种通过发夹耦合的多层介质模式滤波器的特性，以增加耦合和减小尺寸。为了实现低插入损耗，需要紧密耦合。媒介和高材料，如KTaO_3.，是插入两层之间的高Basrtio等材料_3.．高材料将磁场拉下降材料来增强可调性和．当前模式是铁电材料中的EM电介质模式，用于设计带抑制滤波器和振荡器应用。

现在，本文组织如下。一节2介绍了介电模发夹滤波器的一些特性。节3.，主题“多层过滤器”被处理。一节4.，概述LTCC技术和LTCC衬底配置显示。一节5.呈现毛引脚谐振器过滤器的特性。一节6.呈现不同耦合线过滤器的制造和测量，纸张在部分结束7.．

2.介电模式发夹滤波器

简单的带阻滤波器(BRFs)可以使用放置在微带线旁边的介质谐振器(DR)或通过耦合由KTaO制成的铁电棒来构造_3.(相对介电常数为240和(约10,000)到如图所示的50欧姆微带线1．目前微带和铁电棒的尺寸是片上集成所需要的。

为了增加耦合并增强滤波器特性，牵引牵引缠绕在铁电杆周围，如图所示2．

图中描绘的过滤器的性能2使用来自Ansoft，Pa，USA的HFSS软件包计算而来的与频率计算，并在图中示出3.．

耦合和耦合的显着改善，与简单杆相比较，可以观察到。

接下来，如图所示，发夹耦合到发夹边缘的50欧姆线4.．对于相同的条形尺寸，谐振频率也减小了2倍。当的场分布进行了研究，已经发现，发夹的环中导致在循环有效的虚拟接地的强电介质条产生最大磁场。在开口端发生最大电场。因此，谐振杆的尺寸减小到λ/ 4,而不是λ/2与传统介质谐振器的情况相比。为了验证模式的类型，如图所示，发夹耦合到发夹边缘的50欧姆线4.．谐振频率没有显着变化，如图所示5.．

3.多层过滤器

在上述器件中用作铁电棒的材料是由KTaO制成的_3.(相对介电常数为240和约10 000），并且调谐非常差，但相当高．为了增加调谐度，另一种材料，即Basrtio_3.层可以与ktao一起使用_3.如图所示6.．因此，可以得到多层滤波器结构。

在以下所有模拟中，使用二氧化硅基板的有效介电常数为4，厚度为15 M给出了一条50欧姆的23微带线米宽。导体厚度设置为10m.对铁电棒的宽度和厚度进行了优化，得到了较高的．

figure7.显示了如图所示的多层滤波器的响应6.．这里，一个带有2的发夹 m厚的basrtio_3.使用。

这张照片还显示了3微米Ktao时的新响应_3.插入Basrtio的中间_3.层。这个数字表明在高达20%。谐振频率如预期的那样向下移动。

随后，通过在发夹和微带线的接地平面之间施加DC电压来测试多层结构的调谐度。

如图20伏电压的20伏变化，预测了5％的体面调谐度，如图所示8.．

4.确立基质配置

LTCC是一种多层陶瓷基板技术。多层结构可以使用堆叠的陶瓷磁带生产，这些磁带用于导电、介质和/或电阻部件。这些薄片必须被压在一起，并在一个相对较低的温度下一步烧制。这节省了时间和金钱，并减少了电路尺寸。LTCC技术提供了高水平的集成、隐藏组件、低损耗和系统健壮性。LTCC技术已在频率范围为几GHz的移动通信技术中确立。LTCC已经被研究并在高频应用中获得了良好的声誉。例如:5ghz无线局域网[18]，24 GHz和77 GHz的雷达传感器[19]和数字无线电网络从20到60 GHz工作[20.也有报道。

新材料和制造技术的发展为提高滤光片的性能打开了新的窗口。其中一项技术是LTCC。由于其较厚的导体，可以降低LTCC滤波器的损耗。通过使用嵌入的高介电常数衬底，还可以减小滤波器的尺寸。此外，使用LTCC的主要优点之一是成本低和制造周期短。本文提出的滤波器是在高K.材料()，接着是低沉的声音K.材料(）.figure9.显示混合的横截面积K.基质。

表格1显示混合材料的性质K.在2.5 GHz测得的衬底。

5.发夹谐振滤波器的特性

figure10显示使用牵引线作为谐振器设计简单带通滤波器（BPF）的概念。

采用单电容耦合发夹谐振器。上述LTCC多层衬底上的折叠谐振腔长度为8800微米。过滤器的尺寸设置符合LTCC设计规则。谐振器和电容馈源之间的间距，，设置为125微米，这是导体之间的最小间距。导体的厚度是10微米。利用HFSS包对该滤波器进行仿真。有效介电常数为共振频率在2.66 GHz左右。

由于发夹谐振器的相对侧具有相反的电位，因此在谐振器的中心产生虚拟地面。这使得滤波器类似于梳状线滤波器[9.]并使该过滤器适用于不需要连接到接地平面的VIA的平面应用。

滤波器的仿真结果如图所示11．

从滤波器的响应可以看出，插入损耗非常高( dB). This is due to the weak coupling between the feeds and the resonator. Weak coupling is desirable for narrow-bandwidth filter, but it comes at the expense of increasing filter loss.

为了进一步说明改变间距的效果，表2显示过滤器的不同值的性能．

可以从表格中识别出来，即插入损耗和带宽之间存在权衡。

以上讨论介绍了发销谐振器的基本操作。结果表明，通过使用弱耦合来获得窄带宽以牺牲插入损耗为代价来获得。这可能会在某些应用程序中使过滤器无用。为了增加耦合，并行进料管线可用于增加耦合区域。figure12显示单个牵引滤波器，具有平行进料管线。

而图12显示谐振器的两种不同取向，相对于饲料线，在图中13给出了滤波器的响应。

从图中可以看出，如果谐振器与馈线处于同一方向，则其损耗较大。这是因为耦合边的拥挤电流会增加损耗[17］．两种情况的比较如表所示3.其中卸载了在相反的方向更高。

6.使用LTCC制造和测量耦合线滤波器

所提出的耦合线滤波器基板将使用嵌入式高介电材料来减小尺寸，并改善 ．在这种布局中考虑了两种过滤器配置。第一个配置是带状线配置。如图所示，在滤波器周围形成接地环，屏蔽滤波器并连接上下金属化14．

在这种布局中，最小导体宽度为100微米，最小金属间距为125微米。第二种配置是微带配置，与配置(1)相同，没有顶接平面。第二种配置的所有层的金属化如图所示15．

在76mm × 76mm的贴片面积上，布局中包含了几个使用带状线和微带的滤波器结构，以及一个校准结构。后者用于片上校准和排除测量中的任何寄生效应。

在下面，几个耦合线滤波器的测量结果使用混合-K.拓扑报告。

6．1.条线和微带

在本节讨论之后4.针对寄生效应对滤波器性能的影响，设计了带线馈电的单发夹谐振滤波器。figure16显示过滤器布局。

线馈线大约是发夹长度的四分之一．如前所述，由于接地平面中的较低损耗，微带配置产生较低的损耗和比条带线配置更好的质量因子。figure17显示了两个配置。

6.2。循环Feeds与耦合行Feeds

为了研究用回路馈电代替耦合线馈电的可行性，采用耦合线和回路馈电的方法制作了发夹谐振滤波器。figure18显示过滤器布局。

过滤器响应如图所示19．

6.3。- 分析谐振器

减小尺寸和增加，一种新的谐振器配置使用-形状，并与图中所示的现有折叠谐振器形状进行比较20.．

结果显示(见图21）那个-形状谐振器滤波器的质量因子为79，而折叠谐振器的质量因子约为58。共振频率越高与折叠谐振器相比，-形状的电容更小。

7.结论

本文研究了硅基衬底上的无源滤波器的整合。提出了一种简单的头发引脚带抑制过滤器（BRF），其支持电介质模式。与输电线发销谐振器相比，将铁电棒用作谐振元件;提高约10是实现。讨论了多层介电铁电材料，并给出了5%左右的可调性。此外，采用嵌入式高分辨率滤波器实现了滤波器的小型化K.使用LTCC工艺可行的衬底配置。一种改进的- 用宽的止动带和大约5％的带宽提出了带通滤波器。

致谢

作者感谢德国政府（DFG）支持这个项目。它在与Duisburg-Essen University，校园杜伊斯堡的访问权限框架中进行了框架，根据主题否。杜128/15-1。

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