L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計

2016-07-01 16:42

關鍵詞: 帶狀線 小型化 低溫共燒陶瓷 傳輸零點

  李博文,戴永勝

 ?。暇├砉ご髮W 電子工程與光電技術學院,江蘇 南京 210094)

  摘要:提出了一種基于LTCC技術的L波段四級分布帶通濾波器的實現方法。該帶通濾波器由四級諧振器組成,每級諧振器由三層平行放置的帶狀線排列而成,其中Z形帶狀線起到形成傳輸零點的作用,從而實現良好的帶外阻帶衰減。通過ADS電路仿真以及HFSS軟件三維建模設計,濾波器的加工測試結果與電磁仿真結果相匹配,四級帶通濾波器的中心頻率為1.46 GHz,帶寬為250 MHz,通帶范圍內插入損耗均優于2.56 dB,在0 GHz~1.22 GHz頻率的帶外衰減優于36 dB,尺寸僅為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。該濾波器頻段屬于L波段,設計中采用了帶狀線分布式結構來實現濾波器的小型化。

  關鍵詞:帶狀線;小型化;低溫共燒陶瓷;傳輸零點

0引言

  隨著國家大力發展無線通信技術,并制定互聯網+方針政策,無線移動通信技術迅猛發展,信息傳輸對傳輸系統提出了更嚴格的要求。頻譜資源的緊張問題已經迫在眉睫,相鄰頻段信號間的干擾比較大,人們在開發更高頻段信號的同時也在嘗試抗干擾的頻帶,目前已知目的一種有效方法就是設計阻帶高抑制的濾波器。為了實現設計指標還要兼顧設計成本,新材料的技術開發成為焦點。而源于國外的一項實用的材料技術,低溫共燒陶瓷(LTCC)技術由于其成本低、實現體積小、三維集成靈活性好以及良好的陶瓷材料特點和簡單的制造過程,在微波領域已經成為一個研究熱點。

  LTCC的工藝包含低溫疊層燒結、高精度印刷疊層及封裝技術等多種流程,因此可以運用LTCC技術工藝制造濾波器?,F已知的LTCC濾波器具有品質因數高、體積小、插損小、帶外衰減大等特性[1]。

  低溫共燒陶瓷與其他集成技術相比,具有多樣性的材料配比度,具有一種材料包含不同的介電常數,這樣可以使其變化范圍增大,材料具有良好的電性能、高頻寬帶傳輸特性;電路板的疊層生產,可以減小導體的電長度,具備生產高密度和復雜結構電路,目前可實現線寬10 μm,層距20 μm的加工工藝;材料還具備大電流工作特性,有很好的兼容性,大大地提高了器件的穩定性能;具有非連續的生產過程,可提高生產效率,縮短生產周期,減小成本[2]。

  電感電容型結構設計復雜、元件間干擾大,帶內衰減大。而分布式諧振器結構是由三層帶狀線平行放置而成,適用于L波段等中高頻波段,并且具有體積小、穩定性好、易于與其他器件連接等優點,因而在微波毫米波集成電路中廣泛應用。

  本文進行了L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設計,該濾波器采用帶狀線分布式結構設計而成。該濾波器的具體指標如下:中心頻率為1.46 GHz,帶寬為250 MHz,帶內插入損耗小于2.56 dB,帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。在第一級諧振器與第四級諧振器間引入Z形交叉耦合可以增加傳輸零點,從而使得阻帶衰減增強。濾波器尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1濾波器原理設計

  1.1濾波器原理分析

  四級帶狀線型分布式結構帶通濾波器的等效電路圖如圖1所示。

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  從圖1四級耦合諧振器的等效電路可以看出,每級諧振器可以實現電感與電容特性,可以等效為電感電容并聯諧振,而每個諧振級之間還存在能量耦合,耦合系數如式(4)所示,其次每個諧振器都會對地產生寄生電容,其作用是增強阻帶衰減,Z形耦合電容C5的作用是增加傳輸零點,使得阻帶衰減變大[3]。

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  四級耦合諧振器的電感、電容以及耦合系數的計算如式(1)~式(4)所示,w為帶狀線的寬度,d為兩個相鄰帶狀線之間的距離,b為帶狀線與地面之間的距離,l為帶狀線的長度,f1 與 f2 為兩個本征頻率,其中四級諧振器處于磁導率為μ、介電常數為ε的均勻介質中[45]。根據設計指標,運用上述公式來完成初步的建模。

  1.2傳輸零點

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  圖2四級諧振器的相位變化特性本文設計指標要求阻帶帶外衰減大,而不引入交叉耦合,衰減效果會很差,因此引入Z形結構,增加傳輸零點數目。Z形耦合的本質是電耦合,在傳輸零點處會形成相位差為±180°,如圖2所示,當工作頻率小于諧振頻率時,從諧振器1傳輸到諧振器4會同時產生兩種相位變化,一種是相位90°+90°-90°+90°+90°=270°,另一種則是相位為90°,得出相位差為180°。而當工作頻率高于諧振頻率時,同理,一種相位為90°-90°-90°-90°+90°=-90°,另一種仍然是90°,得出相位差為-180°。所以引入Z形交叉耦合后,此結構在通帶兩邊各有一個零點[6]。

2四級濾波器的設計

  2.1濾波器的設計理論

  首先分析濾波器的具體參數指標,運用ADS仿真軟件確定元件值的算法,以及濾波器的級數與結構,對初始結構進行優化設計,使其達到設計指標。然后運用HFSS設計軟件進行建模,確定陶瓷介質參數、諧振級相關參數,特別是耦合電容的大小及位置,獲得更好的帶外抑制。最后進行試驗調試,加工生產濾波器,分析并測試性能[78]。

  2.2四級濾波器的三維實現

  本設計的中心頻率為1.46 GHz,屬于L波段?;贚TCC的三維設計模型,確定該濾波器的尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm,介質選用相對介電常數為28的陶瓷材料 ,介質損耗角為tanθ=0.001 2,金屬導體材料為銀,厚度均為0.01 mm。如圖3所示,三維模型一共五層,第一層與第三層為加載電容層,第二層為電感電容層,第一、第二、第三層平行放置,圖3四級濾波器內部三維結構構成四級諧振單元,第四層為第一諧振器與第四諧振器之間的Z形交叉耦合電容(C5),第五層為接地層。

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  信號從端口1進入第一諧振器,通過第二、第三諧振器的耦合傳輸,從第四諧振器經端口2輸出。其間Z形耦合電容起到了形成傳輸零點的作用,實現了阻帶衰減作用。

  2.3仿真測試結果

  L波段四級分布濾波器的模擬仿真結果如圖4所示,中心頻率為1.46 GHz,帶寬為250 MHz,帶內插入損耗<2.66 dB,帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。

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  仿真結果達到設計指標,可以根據HFSS軟件設計仿真模型,進行生產加工,其中實物圖與測試夾具如圖5所示。

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  四級帶通濾波器的實物測試結果如圖6所示,可以觀察,帶內最大插損達到2.56 dB,帶外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。實物測試結果與仿真結果是有差異的,原因包括陶瓷介質材料的誤差、加工工藝的誤差、測試夾具引起的誤差等。雖然兩者的結果有些差異,但兩者的性能基本一致,符合設計指標,可以進行批量生產[9]。

3結論

  本文設計了一款性能良好的L波段四級分布帶通濾波器,根據設計指標確定方案,通過三維建模、調試等工作完成LTCC三維實現。最后進行生產加工,并對成品進行測試,測試結果達到設計指標,總結出引入Z形電容耦合會產生兩個傳輸零點,使其具有優良的帶外衰減特性等。該濾波器適用于DSTV、衛星電視、PHS、無繩電話機等產品,可以批量生產。

  參考文獻

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