宽带无反射滤波功分器的集成设计.pdf

40卷第11期2023年11月引用格式：袁雪，贺鹏超，苏涛，等宽带无反射滤波功分器的集成设计 J.微电子学与计算机,2 0 2 3，40（11)：8 8-9 3YUANX，HE P C,SU T,et al.Integrated design of a non-reflective filtering power divider with wide passbandJ.Microelectronics&Computer,2023,40(11):88-93.JD0I:10.19304/J.ISSN1000-7180.2023.0750摘要：LTCC(低温共烧陶瓷)技术是现代集成电路设计的新型工艺.基于此工艺,提出了一种具有宽通带的带外无反射滤波功分器的设计方法和实际结构.整体结构由耦合带通结构、带外吸波结构和功分结构组成.通过采用强耦合四分之一波长耦合传输线，实现了较宽的通带.采用带有吸波电阻的带阻滤波器，实现了带外吸波，防止回波造成前级射频器件的损坏或降低射频前端系统的线性度，从而提高通信系统的通信质量.为了验证所提出的设计方法，全波仿真了工作频率在6.8 5GHz,相对带宽7 4%的滤波功分结构,仿真结果与理论设计吻合,验证了设计理论的可实现性。关键词：滤波功分；吸波电阻；无反射滤波；宽通带中图分类号：TN454文献标识码：AIntegrated design of a non-reflective filtering power divider withwide passbandYUAN Xue,HE Pengchao,SU Tao,CHEN Jianzhong,XU Kaida(1 School of Electronic Engineering,Xidian University,Xian 710071,China;2 Xian Microelectronics Technology Institute,Xian 710054,China;3 Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic)technology is a new process for designing integrated circuit.Based on this process,a theoretical method of a reflectionless filtering power divider with wide pass band is proposed forsimulated structure,which consists of bandpass coupling lines,absorptive band-stop section and a power divider.A widepassband is realized by quarter-wavelength coupling lines with strong coupling.A lossy resistor loading in the absorptiveband-stop section is used to achieve reflectionless performance out of the passband,preventing to damage the pre-stage RFdevices caused by echoes or reduce the linearity of the RF front-end system,thereby improving the communication qualityof the system.For verification,a prototype of the proposed filtering power divider operating at 6.85 GHz with the fractionalbandwidth of 74%is designed and simulated.Comparisons of the calculated and simulated results are in good agreementand presented to verify the theoretical predictions.Key words:filtering power divider;absorptive resistor;reflectionless filter;wide passband微电子学与计算机http:/MICROELECTRONICS&COMPUTER宽带无反射滤波功分器的集成设计袁雪，贺鹏超，苏涛，陈建忠，徐开达（1西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安7 10 0 7 1；2西安微电子技术研究所,陕西西安7 10 0 54；3西安交通大学，陕西西安7 10 0 49)Vol.40No.11November 2023文章编号：10 0 0-7 18 0(2 0 2 3)11-0 0 8 8-0 6成度越来越高.然而，对于产品的尺寸却要求其越来越1引言小.低温共烧陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramic,随着无线通讯技术的发展，射频与微波元件的集LTCC)技术恰好能满足这两方面的要求,因此,在微收稿日期：2 0 2 3-0 9-2 6；修回日期：2 0 2 3-10-11基金项目：国家自然科学基金项目（6 2 0 7 1357)第11期电子领域得到了广泛的应用.LTCC元器件根据其规模可以分为4个层面：元件级、电路级、封装级、系统级.元件级是指如电感、电容等的单一器件,电路级指如滤波器、功分器、天线等具有特定功能的功能器件,封装级是指板上某些功能集成的器件,系统级是规模如功率放大器的系统器件.由LTCC制成的元器件已实现了在卫星通讯、微系统和混合集成电路等领域的应用.传统上,在射频系统中将各级器件级联会造成高插损和大体积.近年来,为了克服这些缺点,学者们开展了集成器件的研究工作,比如滤波耦合器-1、滤波天线 3-41和滤波功分器 5-13 通常在滤波功分器设计时，在其阻带会有不需要的反射能量,可能会造成前级器件损坏或降低系统的性能.尽管对滤波功分已有了一部分研究,但实现宽通带且带外无反射成为了滤波功分设计仍旧面临的挑战本设计克服了上述问题,提出了一种带外无反射,且具有宽通带的滤波功分的设计方法.设计思路如下：首先,搭建滤波功分的电路原理图;其次,从阻抗的角度分析其带内传输和带外吸波的原理,从耦合传输线的角度分析其实现宽通带的原理;最后,依据电路结构建立 HFSS 结构模型,验证设计方法的可行性.2理论设计滤波功分器的电路原理图如图1所示,该结构由耦合带通结构、带外吸波结构和功分结构组成.ZoZimPZopeZo,0,带外吸波结构图1滤波功分的电路原理图Fig.1 Circuit schematic of the proposed filtering power divider其中,在通带频段内,信号通过耦合带通结构到达功分结构,从两个输出端口等幅同相输出.在通带频率范围外,信号通过带阻吸波结构,能量被电阻吸收，输出端口无能量输出.文章首先从阻抗角度阐述其工作机理,为了满足输入端口无反射特性,端口的输人阻抗应该满足以下条件：袁雪，等：宽带无反射滤波功分器的集成设计Ri=Zo=50 Q由式(2)式(6)可得,当2=9 0 时,Z(02)=0,ZABSF 8,带阻吸波结构实现全反射,人射波不经过耦合带通结构;当2=0 或18 0 时,ZL(2)=50,ZABSF=Zo,带外吸波结构匹配,电阻进行吸波.耦合带通结构仅由一对耦合传输线组成,可以看作一个四端口网络，等效电路如图2 所示.VV3PiOP3V412P4O14图2 耦合传输线等效的四端口网络Fig.2 The equivalent four-port network for the coupling lines在本设计中,P，和P4两个端口开路,即I3=I4=0，则V和V,可表示如下：ZcLsZ,Z,o耦合带通结构Zo艺，1MRZZ2,2Z,0,ZshortZos,62R89Zin=ZABSF/ZcLs Zo(1)式中,ZABsr为带外吸波结构的输入阻抗,ZcLs为耦合带通结构的输人阻抗,Z。为端口特性阻抗,一般为50 Q.吸波带阻结构的输入阻抗ZABSF计算公式如下：ZL(02)+jZ,tan 2（2)Z,(02)=Zopen/Zshort(3)Zopen=-jZoo cot 2(4)Zhto=Zos Zos j tan o.Ri+jZos tan 2Z,Z,0,功分结构(V2=Z21li+Z22l2(Vi=Zuli+Zi2l2艺1(5)(6)V2OP（7)ZZ=Z22=-j(Ze+Zo)cotO/2Z/2=Z21=-j(Ze-Zo)cscQ/2Z0利用Z参数和A参数的转换关系,可得：a=Zn/Z21b=(ZZ22-Z12Z21)/Z21C=1/Z21d=Z22/Z21耦合带通结构的输入阻抗因此可得：ZcLs=(aZout+b)/(cZout+d)耦合传输线匹配条件为：ZcLs=Zo因此,电路原理图中传输线的参数确定为:Z=165 2,Z=70 2,Zj=75 2,Z2=70.7 2,Zshor=65 2,Zopen=65 2,R1=50 Q2,R2=100 2,01=90,02=90通带相对带宽(FBW)与耦合传输线的耦合系(8)(9)(10)(11)90数K有关,K由耦合传输线的奇偶模特性阻抗决定，计算如下：K=(Ze-Zo)/(Ze+Zo)当K的值越大,耦合越强，通带带宽就越大,K与FBW的关系如表1所示.表1耦合系数K与相对带宽FBW的关系Tab.1 FBW against the coupling coefficient KZ130165210165165为了更好地诠释电路原理图的工作机理,分别计算了耦合带通结构和带外吸波结构的输入阻抗幅值随频率变化的结果,如图3所示.从图3中可以看出，在中心频率附近,耦合带通结构阻抗为50 Q左右,带外吸波结构阻抗无穷大,此时,输人能量经耦合线传输到输出端口,从而实现带内传输.在通带频率范围外,耦合带通结构阻抗剧增,带外吸波结构阻抗为50 Q左右,此时,能量流经带外吸波结构被电阻损耗,从而实现带外无反射特性.400耦合传输线结枸300U/Z 4200100023456789101112.1314Frequency/GHz图3输入阻抗随频率变化Fig.3 Variation of input impedance理想电路的S参数计算结果如图4所示,该滤波功分的中心工作频点为6.8 5GHz,在1 14GHz内，ISil-18dB.-6 dB工作带宽(包含3dB功分)为5.06 GHz(4.279.33 GHz),FBW为7 4%.在工作频段内,两个输出端口反射系数小于-10 dB,输出端隔离度大于2 0 dB,表明两个输出端口匹配且相互隔离.微电子学与计算机0-10(12)8P/-20S-30-40Z。K700.3700.4700.5400.6300.7带阻吸波结构2023年-6dB带宽SiS21,S1FBW/%-5012345678910111213Frequency/GHz51.7(a)SiI、S2,和 S3177.2(a)SiS2i and S31092.9-10118.5-20135.4P/S-40-50-6012345678910111213Frequency/GHz(b)S22vSs,和 S23(b)S22vS3 and S23图4理想电路的S参数计算结果Fig.4 Calculation S-parameters of the proposed FPD with idealtransmission lines3仿真验证为了验证第2 节理论设计方法的可行性,将以上电路转化为实际微带线结构在全波仿真软件HFSS中进行仿真验证,整体模型的三维结构及尺寸如图5所示.该结构由6 个介质层和4个金属层组成,采用LTCC加工工艺,其中,陶瓷介质采用介电常数为5.9,损耗角正切0.0 0 11的FerroA6M材料，每层介质厚度9 7 m,金属层采用材料金(高稳定性),每层金属厚度8 m.图5中,蓝色为第一层金属结构,输人端口P,与特征阻抗为Z。和Z。的耦合传输线和特征阻抗为Z,的微带线相连;绿色为第二层金属结构,包括功分结构和特征阻抗为Zoo短路枝节（与第一层金属通过过孔连接)端接50 Q吸波电阻;红色为第三层金属结构,包括特征阻抗为Zos开路枝节;黄色为金属地,位于整个结构底部.其中,层与层之间的连接部分采用金属化过孔,由于介质层厚度较小,金属过孔的引人对设计结果几乎无影响.S22,S33S23第11期WiW4图5滤波功分的三维结构图及其尺寸Fig.5 Perspective view and physical dimension of the proposedfilteringpowerdivider整体结构的尺寸为11mm8.5mm0.582mm,对应中心频点6.8 5GHz的电尺寸为0.2 52 0.19 0.012.通过HFSS仿真优化所得最终尺寸（单位：mm)为:wo=11,wi=0.5,w=0.3,ws=0.26,w=1.49,Ws=1.97,W=0.15,W=0.08,Wg=0.88,Wg=0.36,W1o=0.2,Wu=0.25,lo=8.5,l,=0.8,l=1.5,ls=0.6,l4=3.73,ls=2.54,l=2.44,l,=3.28,ls=2,ls=1.18,l1o=2.82,lh=2.15,li2=2.93,l13=1.55,li4=1.38,lis=1.5,l16=1.3.仿真所得的S参数结果如图6 所示,由图6(a)可知,滤波功分通带的中心频点在6.8 5GHz,-6dB相对带宽为7 4%(4.3 9.4GHz).在通带内,S21和Ss1的最小插损为0.4dB和0.5dB(除去3dB功率分配),回波损耗 Sn在带外优于-15 dB,表明带外反射良好,电阻吸波率可达9 5%(A=1-|Sul-S21l-Ssil).图 6(b)表明,在工作频段内,两个输出端口反射系数 S2和S3在-15dB左右，证明输出匹配良好.隔离度S23在整个通带内优于15dB.因此,该滤波功分在实现滤波的同时输出端口具有良好的隔离度.袁雪，等：宽带无反射滤波功分器的集成设计P2P3123层层WoWW614910ISl5-10AP/S-15-20-25-302W11016131sW71W184(a)SiI、S2,和 Ss1(a)SirvS2i and Ss114-10TWio12loWo6Frequency/GHzHP/X-20S-30-404图6 全波结构仿真的S参数结果Fig.6 Simulated S-parameters of HFSS分别工作在3个不同频点的金属层表面电流分布如图7 所示,其中,输入端口的输入功率为1W,功分器的两个输出端口的功率分别为0.46 W和0.45W.可以看出,在通带内,电流从输人端口直接经过耦合传输线和功分结构到达输出端口,电阻不吸波,实现功率传输.在通带以外,电流流经带外吸波结构被电阻吸收.该电流仿真分析结果符合电路设计原理.此外,图8 表明该滤波功分的两个输出端口具有良好的幅度和相位一致性.两个输出端口的相位差在1以内,幅度差在 0.0 1 dB以内.说明该滤波功分可以实现功率的等幅同相输出。为了强调本设计的优点,表2 对比了本设计与已发表的滤波功分器的性能指标(实测结果).总的来说,本设计既有着宽带和带外无反射特性,又保持着低插损的传输特性,同时,两个输出端口相互隔离且幅相一致性较高.从滤波特性来看,通带外传输系数下降比较平缓,可以对如何进一步提升带外抑制作以研究.856Frequency/GHz(b)S2、S.,和 S23(b)S22、Ss s a n d S2 3107812IS23ljS2l91492Jsurf/(A-m-l)50.000046.666743.333 340.000036.666 733.333 330.000026.666 723.333 320.000016.666 713.333 310.00006.666 73.333 30.00001.00.50.00.5-1.0图8 两个输出端口相位差和幅度差Fig.8 Phase difference and magnitude imbalance oftwo output ports表2 滤波功分器的性能指标对比Tab.2 Comparison of performance index of filter power divider文献FBW/%I.L./dB Iso/dB5109662710.182.4910.51010.11113.61221354.4This work73.5注：IL.为插人损耗,Iso为隔离度,A.I.为输出端口幅度差,P.I.为输出端口相位差微电子学与计算机(a)2.00 GHz(b)6.85 GHz图7 不同频率处的表面电流Fig.7 Surface current at different frequencies4结束语0.008提出了一种具有宽通带且带外无反射的滤波功0.006分器的设计方法,并基于LTCC工艺,进行了全波仿真结构设计,仿真结果与理论设计结果一致,验证了0.004该设计方法的准确性和有效性.这种滤波功分一体化0.002设计可以应用于射频前端收发系统,在无线通讯系统的集成化发展中具有潜在的应用价值.0.00045Frequency/GHzA.I./dBP.I./()Non-reflection3.2124.4NGNG2.53.9104.75235.1134.4153.913.587.53.6911.73.5152023年(c)12.70 GHz678NGNGNGNG110.24NGNGNGNGNGNG0.21.20.011910NONONONONONOYESNONOYES参考文献：1 LIN F,CHU Q X,WONG S W.Design of dual-bandfiltering quadrature coupler using/2and V4resonatorsJ.IEEE Microwave and Wireless Compon-ents Letters,2012,22(11):565-567.DOI:10.1109/LMWC.2012.2224650.2YU W,RAO Y B,QIANH J,et al.Reflectionless fil-tering 90 coupler using stacked cross coupled-line andloaded cross-stubJ.IEEE 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