丁世敏 田暉 發表於 2010-11-27 09:08:54
隨著射頻無線產品的快速發展，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計與實現已經成為現代微波技術中關鍵問題之一。其主要的設計概念是將二維的電路布局變為三維電路布局，藉此達到縮小體積的目的。由於低溫共燒陶瓷(LTCC，Low TemperatureCofired Ceramic)技術具有高集成密度、高性能、高可靠性以及可內埋置無源元件等優點，成為多層無源器件和電路設計的主流，對微波無源器件的小型化起到了極大的推動作用。文中所研究設計的基於LTCC多微波無源濾波器力求達到結構小型化和性能優越化。
1 具有傳輸零點濾波器設計原理
傳輸零點理論指的是濾波器傳輸函數等於零，即在這一頻點上能量不能通過網絡，因而起到完全隔離作用。通常帶通濾波器在無限遠的頻點處其傳輸函數是趨於零的，稱之為無限傳輸零點，但由於是無限遠，因此沒有實際意義。在實際設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，由於LTCC往往採用多層結構，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。濾波器結構如圖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交叉耦合係數為M，C5為接地電容。該結構可以看作兩部分，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。帶通結構產生所需要的通帶特性，傳輸零點位於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，而且對與它串聯的帶通濾波器的通帶特性影響很小。
利用微波網絡分析的方法，該二埠網絡可以看成圖2和圖3兩個網絡的串聯，整個網絡的Z矩陣等於上下兩個網絡的Z矩陣之和。
該網絡的傳輸係數S21可以通過網絡的Z矩陣轉化而來
其中，Z0為埠的特性阻抗，均為50 Ω。令S21=0，由式(2)可得
其中，
從而得到
利用ABCD矩陣級聯相乘，再轉化為Z矩陣，得到網絡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 電路設計仿真
用插入損耗法設計濾波器。
若用其設計一個帶內波紋為O.2 dB的切比雪夫二階帶通濾波器，根據濾波器設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電路仿真軟體來仿真，利用該軟體得出電路的散射參數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於通帶的兩端，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中的結構布局
在電磁仿真軟體中設計LTCC布局，為了有效利用電感之間的耦合，構造出圖1所示的結構。所用介質材料的介電常數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層構成C5，2層和3層構成C3與C4，4層和3層構成C1與C2，第5層為螺旋電感構成L1和L2，它們之間耦合形成M。其結構由圖6給出，當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，分別在各自環境下根據前面得到的元器件數值，設計出符合要求的集總元件尺寸。圖7便是兩種仿真軟體所得出的結果，與ADS電路仿真結果吻合。
4 結束語
結合LTCC技術設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，符合現代對無線產品小型化的要求。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實現較好的射頻功能。在電感電容等集總元件研究基礎上，利用電路仿真，電磁仿真分析相結合的方法得到了設計仿真效果。
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