劉毅,戴永勝
?。暇├砉ご髮W(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,,江蘇 南京,210094)
摘要:科技的發(fā)展帶來更加嚴(yán)格的器件指標(biāo),,電子器件的小型化,、高性能趨勢日益明顯。濾波器作為射頻元器件的重要組成部分,,小型化研究已迫在眉睫,。基于先進(jìn)的LTCC工藝技術(shù),,選用帶狀線結(jié)構(gòu),,實(shí)現(xiàn)了一款帶通濾波器的小型化設(shè)計(jì)。通過交叉耦合的方式插入零點(diǎn),,提高邊帶的陡峭度,,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能。經(jīng)過大量仿真優(yōu)化后投入生產(chǎn)加工,,實(shí)物測試結(jié)果吻合仿真曲線,,中心頻率為3 400 MHz,帶寬為200 MHz,在3 200 MHz頻率上的衰減優(yōu)于30 dB,,在3 720 MHz頻率上的衰減優(yōu)于20 dB,,尺寸僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。
關(guān)鍵詞:帶通濾波器,;LTCC,;帶狀線結(jié)構(gòu);小型化
0引言
微波濾波器是無源射頻器件中重要的組成部分,,用以有效控制系統(tǒng)的頻響特性,。直觀表現(xiàn)為,在濾波器所設(shè)定的額定頻率范圍內(nèi),,信號可以盡可能地?zé)o損通過,,而在此頻率范圍以外,信號需要被盡可能地衰減[1],。作為系統(tǒng)中重要的組成部分,,對于其小型化、高性能,、低成本,、易集成等諸多方面的要求越來越嚴(yán)格。如何綜合實(shí)現(xiàn)諸多要求的濾波器,,必然成為今后研究的重要熱點(diǎn)之一[2],。
低溫共燒陶瓷[3](Low Temperature Cofired Ceramic,,LTCC)與傳統(tǒng)的封裝集成技術(shù)相比,,有著諸多優(yōu)點(diǎn):(1)采用了多層堆疊技術(shù),易于實(shí)現(xiàn)多層布線與封裝一體化結(jié)構(gòu),,易于故障的排查,,成品率高,且組裝密度提高,,實(shí)現(xiàn)了小體積與低重量,;(2)具有良好的高頻特性和高速傳輸特性,同時(shí),,在大電流且高溫的特定情況下,,具有相對較小的熱膨脹系數(shù)和介電常數(shù)溫度系數(shù),熱傳導(dǎo)性優(yōu)良,。(3)LTCC技術(shù)的兼容性能優(yōu)良,,易于形成多種結(jié)構(gòu)的空腔;(4)LTCC產(chǎn)生廢料少,,非常節(jié)能環(huán)保,。
此款基于LTCC技術(shù)的帶通濾波器選擇了帶狀線結(jié)構(gòu)[4]的方式進(jìn)行設(shè)計(jì),相比于LC型集總結(jié)構(gòu)濾波器,結(jié)構(gòu)更加簡單[5],。先進(jìn)的LTCC技術(shù)保證了其體積小,、重量輕、性能高,、易生產(chǎn),、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單,、兼容優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn),。此濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:中心頻率為3 400 MHz,帶寬為200 MHz,,帶內(nèi)插入損耗小于3.5 dB,,在3 200 MHz處帶外抑制≥30 dB,在3 720 MHz處帶外抑制≥20 dB,,電壓駐波比≤1.7,。在引入交叉耦合添加帶外傳輸零點(diǎn)后,邊帶陡峭度明顯提高,,最終產(chǎn)品尺寸為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,。
1濾波器原理設(shè)計(jì)
帶通濾波器通過若干諧振電路的組合,實(shí)現(xiàn)濾波效應(yīng),。帶狀線型濾波器的諧振單元不再選用集總模式下的電感電容,,而是通過一段傳輸線來實(shí)現(xiàn)。此款帶通濾波器選擇六條帶狀線形成帶通效應(yīng),,等效為六個(gè)諧振單元,,相鄰諧振單元之間通過磁耦合的方式傳遞能量。初步設(shè)計(jì)出的六級帶狀線帶通濾波器,,雖然有著帶通濾波的作用,,但性能不佳,阻帶插損不夠,,與既定的技術(shù)指標(biāo)相去甚遠(yuǎn),。因此,考慮引入Z字形結(jié)構(gòu),,通過交叉耦合的方式來引入傳輸零點(diǎn),,以期改善其不良的邊帶抑制度問題[6]。此時(shí)已基本達(dá)到初步設(shè)計(jì)要求,,為了優(yōu)化濾波器性能,,引入U(xiǎn)形結(jié)構(gòu),用以加強(qiáng)諧振級之間的磁耦合效應(yīng),,完成最終的設(shè)計(jì)目標(biāo)[7],。電路原理圖如圖1所示,,其中L1和C1、L2和C2,、L3和C3,、L4和C4、L5和C5,、L6和C6為六個(gè)等效為諧振單元的帶狀線,,L7、L8,、L9,、L10、L11為相鄰帶狀線之間磁耦合等效的串聯(lián)電感,,C16是加入Z字形結(jié)構(gòu)后的交叉耦合電容,,L23和L45是引入U(xiǎn)形結(jié)構(gòu)后磁耦合等效串聯(lián)電感。
2LTCC三維實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)的中心頻率是3.4 GHz,,屬于S波段,,相比于LC集總結(jié)構(gòu)濾波器,帶狀線型LTCC帶通濾波器不再選用通孔結(jié)構(gòu)來連接不同空間的傳輸線,,取而代之的是通過將帶狀線的一側(cè)接在已經(jīng)包裹上金屬面的介質(zhì)盒的前后接地面[8],。搭建此款帶通濾波器的三維模型,綜合考慮材料選擇,,選用相對介電常數(shù)為13.3,、介質(zhì)損耗角為tanθ=0.000 58的陶瓷材料,體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,。優(yōu)化后的濾波器三維模型如圖2所示,。
濾波器的三維模型自上而下共七層,第一層是矩形小塊,,用以顯示器件的上下層,,矩形小塊所在面為上,,第二層和第七層為接地層,,第三層為耦合U形結(jié)構(gòu),第四層為加載電容層,,第五層為主諧振層,,第六層為第一諧振與第六諧振間的交叉耦合電容。器件的四周加有金屬屏蔽盒,,不僅可以防止外界的電磁干擾和內(nèi)部能量的外向輻射,,還可以保護(hù)電路,便于安裝插頭以及與其他器,、部件的固定,。仿真測試結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知,中心頻率3 400 MHz處的插損為1.85 dB,,帶寬3 300 MHz以及3 500 MHz處的插損分別為2.7 dB和2.3 dB,,電壓駐波比≤1.4,頻率在3 200 MHz時(shí),,帶外衰減為33.1 dB,,頻率在3 720 MHz時(shí),帶外衰減為35 dB,。性能優(yōu)良,,選擇投入生產(chǎn)加工,進(jìn)行實(shí)物測試,。
3實(shí)物生產(chǎn)與測試曲線
軟件仿真優(yōu)化完成后,,依照設(shè)計(jì)參數(shù)交付生產(chǎn)線進(jìn)行加工制造,并獲取實(shí)物測試曲線圖,。此款LTCC帶狀線型帶通濾波器最終產(chǎn)品體積為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,,選擇相對介電常數(shù)為13.3、介質(zhì)損耗角為tanθ=0.000 58的陶瓷材料進(jìn)行填充,,測試結(jié)果如圖4所示,。
由圖4可知,此款帶通濾波器的帶內(nèi)插損最大值為3.4 dB,;頻率為3 200 MHz時(shí),,帶外抑制為30 dB,頻率為3 720 MHz時(shí),,帶外抑制為20 dB,;駐波優(yōu)于1.7。實(shí)物制造與測試結(jié)果均驗(yàn)證完畢,,此款帶通濾波器不僅實(shí)現(xiàn)了小型化的預(yù)期,,性能上也完全優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),。
4結(jié)論
為了實(shí)現(xiàn)小型化,、高性能的帶通濾波器,本次研究基于LTCC技術(shù),,選用了帶狀線型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),,在六級諧振的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。通過插入Z字形結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行交叉耦合以添加傳輸零點(diǎn),,提高邊帶陡峭度,;插入U(xiǎn)形結(jié)構(gòu),用以加強(qiáng)相鄰諧振級之間的磁耦合效應(yīng),。軟件仿真及優(yōu)化后的測試結(jié)果優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),,允許投入生產(chǎn)制造,。實(shí)物完成后的體積僅為4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,滿足小型化的初衷,。測試結(jié)果均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)并留有余量,。綜上,此款LTCC帶狀線型帶通濾波器體積小,、重量輕,、易生產(chǎn)、性能優(yōu),,是一款非常實(shí)用的帶通濾波器,,并可大量投入生產(chǎn),此次研究圓滿達(dá)成目標(biāo),。
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