關(guān)鍵詞: 帶狀線 小型化 低溫共燒陶瓷 傳輸零點
李博文,,戴永勝
(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,,江蘇 南京 210094)
摘要:提出了一種基于LTCC技術(shù)的L波段四級分布帶通濾波器的實現(xiàn)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(xiàn)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(shè)計,,濾波器的加工測試結(jié)果與電磁仿真結(jié)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(nèi)插入損耗均優(yōu)于2.56 dB,,在0 GHz~1.22 GHz頻率的帶外衰減優(yōu)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(shè)計中采用了帶狀線分布式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)濾波器的小型化。
關(guān)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(fā)展無線通信技術(shù),,并制定互聯(lián)網(wǎng)+方針政策,,無線移動通信技術(shù)迅猛發(fā)展,,信息傳輸對傳輸系統(tǒng)提出了更嚴(yán)格的要求。頻譜資源的緊張問題已經(jīng)迫在眉睫,,相鄰頻段信號間的干擾比較大,,人們在開發(fā)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(shè)計阻帶高抑制的濾波器,。為了實現(xiàn)設(shè)計指標(biāo)還要兼顧設(shè)計成本,,新材料的技術(shù)開發(fā)成為焦點。而源于國外的一項實用的材料技術(shù),,低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)由于其成本低,、實現(xiàn)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(lǐng)域已經(jīng)成為一個研究熱點,。
LTCC的工藝包含低溫疊層燒結(jié)、高精度印刷疊層及封裝技術(shù)等多種流程,,因此可以運用LTCC技術(shù)工藝制造濾波器?,F(xiàn)已知的LTCC濾波器具有品質(zhì)因數(shù)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(shù)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(shù),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(chǎn),,可以減小導(dǎo)體的電長度,具備生產(chǎn)高密度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)電路,,目前可實現(xiàn)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(wěn)定性能;具有非連續(xù)的生產(chǎn)過程,,可提高生產(chǎn)效率,,縮短生產(chǎn)周期,減小成本[2],。
電感電容型結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜,、元件間干擾大,,帶內(nèi)衰減大。而分布式諧振器結(jié)構(gòu)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(wěn)定性好,、易于與其他器件連接等優(yōu)點,,因而在微波毫米波集成電路中廣泛應(yīng)用。
本文進(jìn)行了L波段四級分布LTCC帶通濾波器的設(shè)計,,該濾波器采用帶狀線分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計而成,。該濾波器的具體指標(biāo)如下:中心頻率為1.46 GHz,帶寬為250 MHz,,帶內(nèi)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(shè)計
1.1濾波器原理分析
四級帶狀線型分布式結(jié)構(gòu)帶通濾波器的等效電路圖如圖1所示,。
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(xiàn)電感與電容特性,可以等效為電感電容并聯(lián)諧振,,而每個諧振級之間還存在能量耦合,,耦合系數(shù)如式(4)所示,其次每個諧振器都會對地產(chǎn)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],。
四級耦合諧振器的電感,、電容以及耦合系數(shù)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(dǎo)率為μ、介電常數(shù)為ε的均勻介質(zhì)中[45],。根據(jù)設(shè)計指標(biāo),,運用上述公式來完成初步的建模。
1.2傳輸零點
圖2四級諧振器的相位變化特性本文設(shè)計指標(biāo)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(jié)構(gòu),增加傳輸零點數(shù)目,。Z形耦合的本質(zhì)是電耦合,,在傳輸零點處會形成相位差為±180°,如圖2所示,,當(dāng)工作頻率小于諧振頻率時,,從諧振器1傳輸?shù)街C振器4會同時產(chǎn)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(dāng)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(jié)構(gòu)在通帶兩邊各有一個零點[6],。
2四級濾波器的設(shè)計
2.1濾波器的設(shè)計理論
首先分析濾波器的具體參數(shù)指標(biāo),,運用ADS仿真軟件確定元件值的算法,以及濾波器的級數(shù)與結(jié)構(gòu),,對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,,使其達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。然后運用HFSS設(shè)計軟件進(jìn)行建模,,確定陶瓷介質(zhì)參數(shù),、諧振級相關(guān)參數(shù),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(jìn)行試驗調(diào)試,加工生產(chǎn)濾波器,,分析并測試性能[78],。
2.2四級濾波器的三維實現(xiàn)
本設(shè)計的中心頻率為1.46 GHz,屬于L波段,。基于LTCC的三維設(shè)計模型,,確定該濾波器的尺寸為4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm,,介質(zhì)選用相對介電常數(shù)為28的陶瓷材料 ,介質(zhì)損耗角為tanθ=0.001 2,,金屬導(dǎo)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(nèi)部三維結(jié)構(gòu)構(gòu)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。
信號從端口1進(jìn)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(jīng)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(xiàn)了阻帶衰減作用。
2.3仿真測試結(jié)果
L波段四級分布濾波器的模擬仿真結(jié)果如圖4所示,,中心頻率為1.46 GHz,,帶寬為250 MHz,帶內(nèi)插入損耗<2.66 dB,,帶外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz),。
仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計指標(biāo),可以根據(jù)HFSS軟件設(shè)計仿真模型,,進(jìn)行生產(chǎn)加工,,其中實物圖與測試夾具如圖5所示。
四級帶通濾波器的實物測試結(jié)果如圖6所示,,可以觀察,,帶內(nèi)最大插損達(dá)到2.56 dB,帶外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz),。實物測試結(jié)果與仿真結(jié)果是有差異的,,原因包括陶瓷介質(zhì)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(jié)果有些差異,但兩者的性能基本一致,,符合設(shè)計指標(biāo),,可以進(jìn)行批量生產(chǎn)[9]。
3結(jié)論
本文設(shè)計了一款性能良好的L波段四級分布帶通濾波器,根據(jù)設(shè)計指標(biāo)確定方案,,通過三維建模,、調(diào)試等工作完成LTCC三維實現(xiàn)。最后進(jìn)行生產(chǎn)加工,,并對成品進(jìn)行測試,,測試結(jié)果達(dá)到設(shè)計指標(biāo),總結(jié)出引入Z形電容耦合會產(chǎn)生兩個傳輸零點,,使其具有優(yōu)良的帶外衰減特性等,。該濾波器適用于DSTV、衛(wèi)星電視,、PHS,、無繩電話機等產(chǎn)品,可以批量生產(chǎn),。
參考文獻(xiàn)
?。?] 戴永勝,陳相治.LTCC多級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高性能微型帶通濾波器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),,2014,37(8):7981.
?。?] Dai Yongsheng, Tang Xiongxin, Zhou Wenkan, et al. A miniaturized LTCC lowpass filter based on the lumped circuit model[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology ( ICMMT ) , 2010:15781580.
[3] 李寶山.邊帶陡峭LTCC濾波器的設(shè)計與研究[D].南京:南京理工大學(xué),,2007.
?。?] 劉祖華,劉斌,黃亮,等.應(yīng)用于WLAN的低噪聲放大器及射頻前端的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1):3840.
[5] 黃小暉,,吳國安. 多傳輸零點LTCC帶通濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù),,2011,36(12):957961.
?。?] 彭永棒,孫奉婁,藍(lán)加平,等.基于CPLD的開關(guān)電容組式跟蹤濾波器設(shè)計與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(3):1922.
?。?] 吳迎春.基于LTCC技術(shù)的新型高性能超寬帶濾波器的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2014.
?。?] 王立杰.LTCC超寬帶濾波器研究與設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué),,2007.
[9] POZAR D M. Microwave engineering(Third Edition)[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006.