基于LTCC技術(shù)雙零點帶通濾波器的研究
隨著射頻無線產(chǎn)品的快速發(fā)展,對微波濾波器小型化、集成模塊化,高頻化的要求也越來越高。而小體積、高性能和低成本的微波濾波器的市場需求量增加。此類微波濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代微波技術(shù)中關(guān)鍵問題之一。其主要的設(shè)計概念是將二維的電路布局變?yōu)槿S電路布局,借此達(dá)到縮小體積的目的。由于低溫共燒陶瓷(LTCC,Low TemperatureCofired Ceramic)技術(shù)具有高集成密度、高性能、高可靠性以及可內(nèi)埋置無源元件等優(yōu)點,成為多層無源器件和電路設(shè)計的主流,對微波無源器件的小型化起到了極大的推動作用。文中所研究設(shè)計的基于LTCC多微波無源濾波器力求達(dá)到結(jié)構(gòu)小型化和性能優(yōu)越化。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/153732.htm1 具有傳輸零點濾波器設(shè)計原理
傳輸零點理論指的是濾波器傳輸函數(shù)等于零,即在這一頻點上能量不能通過網(wǎng)絡(luò),因而起到完全隔離作用。通常帶通濾波器在無限遠(yuǎn)的頻點處其傳輸函數(shù)是趨于零的,稱之為無限傳輸零點,但由于是無限遠(yuǎn),因此沒有實際意義。在實際設(shè)計的帶通濾波器中為了使通帶外有較大抑制,就需要在一些特定的頻點處引入零點,這便是通常所指的有限零點。
LTCC中有多種引入零點方法,由于LTCC往往采用多層結(jié)構(gòu),器件排列緊密,相互之間電磁耦合也會很大,這通常會使得電路特性惡化。文中利用螺旋電感之間的耦合,提高電路特性。濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示,為了能和外部電路阻抗匹配,引入電容C1和C2,而C3和L1以及C4和L2各自組成一個諧振電路。其中,L1和L2交叉耦合系數(shù)為M,C5為接地電容。該結(jié)構(gòu)可以看作兩部分,上面一部分是一個典型的二階帶通濾波器,如圖2所示。下面是一個對地耦合電容,如圖3所示。帶通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生所需要的通帶特性,傳輸零點位于直流點和無限大頻率處,引入的對地藕合電容,可以得到所需要的兩個傳輸零點,而且對與它串聯(lián)的帶通濾波器的通帶特性影響很小。
利用微波網(wǎng)絡(luò)分析的方法,該二端口網(wǎng)絡(luò)可以看成圖2和圖3兩個網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián),整個網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣等于上下兩個網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣之和。
該網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)S21可以通過網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣轉(zhuǎn)化而來
其中,Z0為端口的特性阻抗,均為50 Ω。令S21=0,由式(2)可得
其中,
從而得到
利用ABCD矩陣級聯(lián)相乘,再轉(zhuǎn)化為Z矩陣,得到網(wǎng)絡(luò)U的Z矩陣
將式(6)帶入式(5)得
該方程的兩個正根就是兩個傳輸零點的頻率值,從式中看到,通過改變耦合電容C,可以得到不同的零點頻率。
2 電路設(shè)計仿真
用插入損耗法設(shè)計濾波器。
若用其設(shè)計一個帶內(nèi)波紋為O.2 dB的切比雪夫二階帶通濾波器,根據(jù)濾波器設(shè)計原理可以確定電路中各元件的值。L1=L2=1.46 nH,C1=C2=0.82 pF,C3=C4=2.55 pF,M=10.02 nH,接地電容C=18 pF。利用ADS電路仿真軟件來仿真,利用該軟件得出電路的散射參數(shù)S,如圖5所示。由式(7)知該電路有兩個傳輸零點,在圖中可以看到它們分別位于通帶的兩端,起到了帶外抑制作用。而另一條曲線顯示的是沒有加接地電容,顯然帶外抑制效果差。
圖5所示,接地電容不僅能夠起到引入傳輸零點的作用,還能夠控制傳輸零點的位置。
3 LTCC中的結(jié)構(gòu)布局
在電磁仿真軟件中設(shè)計LTCC布局,為了有效利用電感之間的耦合,構(gòu)造出圖1所示的結(jié)構(gòu)。所用介質(zhì)材料的介電常數(shù)εr=7.8,3層為0.08 mm,第4和第5層0.18 mm,最下面的l層為0.25 mm,1層6層為接地面,1層和2層構(gòu)成C5,2層和3層構(gòu)成C3與C4,4層和3層構(gòu)成C1與C2,第5層為螺旋電感構(gòu)成L1和L2,它們之間耦合形成M。其結(jié)構(gòu)由圖6給出,當(dāng)這兩個對稱的電感距離越近時互感值M便越大。整體大小為3 mm×3 mm×O.7 mm。
仿真工具選用AnsoftHFSS和IE3D,分別在各自環(huán)境下根據(jù)前面得到的元器件數(shù)值,設(shè)計出符合要求的集總元件尺寸。圖7便是兩種仿真軟件所得出的結(jié)果,與ADS電路仿真結(jié)果吻合。
4 結(jié)束語
結(jié)合LTCC技術(shù)設(shè)計出了一個中心頻率在2.45 GHz的二階帶通濾波器,它不僅尺寸小巧,符合現(xiàn)代對無線產(chǎn)品小型化的要求。而且它在帶外還有兩個傳輸零點,很好地實現(xiàn)帶外抑制,且能利用接地電容大小控制零點位置,有效地滿足了在更小的尺寸內(nèi)實現(xiàn)較好的射頻功能。在電感電容等集總元件研究基礎(chǔ)上,利用電路仿真,電磁仿真分析相結(jié)合的方法得到了設(shè)計仿真效果。
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