L波段四级分布LTCC带通滤波器的设计

2016-07-01 08:42

关键词: 带状线 小型化 低温共烧陶瓷 传输零点

  李博文,戴永胜

  (南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094)

  摘要:提出了一种基于LTCC技术的L波段四级分布带通滤波器的实现方法。该带通滤波器由四级谐振器组成,每级谐振器由三层平行放置的带状线排列而成,其中Z形带状线起到形成传输零点的作用,从而实现良好的带外阻带衰减。通过ADS电路仿真以及HFSS软件三维建模设计,滤波器的加工测试结果与电磁仿真结果相匹配,四级带通滤波器的中心频率为1.46 GHz,带宽为250 MHz,通带范围内插入损耗均优于2.56 dB,在0 GHz~1.22 GHz频率的带外衰减优于36 dB,尺寸仅为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。该滤波器频段属于L波段,设计中采用了带状线分布式结构来实现滤波器的小型化

  关键词:带状线;小型化;低温共烧陶瓷;传输零点

0引言

  随着国家大力发展无线通信技术,并制定互联网+方针政策,无线移动通信技术迅猛发展,信息传输对传输系统提出了更严格的要求。频谱资源的紧张问题已经迫在眉睫,相邻频段信号间的干扰比较大,人们在开发更高频段信号的同时也在尝试抗干扰的频带,目前已知目的一种有效方法就是设计阻带高抑制的滤波器。为了实现设计指标还要兼顾设计成本,新材料的技术开发成为焦点。而源于国外的一项实用的材料技术,低温共烧陶瓷(LTCC)技术由于其成本低、实现体积小、三维集成灵活性好以及良好的陶瓷材料特点和简单的制造过程,在微波领域已经成为一个研究热点。

  LTCC的工艺包含低温叠层烧结、高精度印刷叠层及封装技术等多种流程,因此可以运用LTCC技术工艺制造滤波器。现已知的LTCC滤波器具有品质因数高、体积小、插损小、带外衰减大等特性[1]。

  低温共烧陶瓷与其他集成技术相比,具有多样性的材料配比度,具有一种材料包含不同的介电常数,这样可以使其变化范围增大,材料具有良好的电性能、高频宽带传输特性;电路板的叠层生产,可以减小导体的电长度,具备生产高密度和复杂结构电路,目前可实现线宽10 μm,层距20 μm的加工工艺;材料还具备大电流工作特性,有很好的兼容性,大大地提高了器件的稳定性能;具有非连续的生产过程,可提高生产效率,缩短生产周期,减小成本[2]。

  电感电容型结构设计复杂、元件间干扰大,带内衰减大。而分布式谐振器结构是由三层带状线平行放置而成,适用于L波段等中高频波段,并且具有体积小、稳定性好、易于与其他器件连接等优点,因而在微波毫米波集成电路中广泛应用。

  本文进行了L波段四级分布LTCC带通滤波器的设计,该滤波器采用带状线分布式结构设计而成。该滤波器的具体指标如下:中心频率为1.46 GHz,带宽为250 MHz,带内插入损耗小于2.56 dB,带外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。在第一级谐振器与第四级谐振器间引入Z形交叉耦合可以增加传输零点,从而使得阻带衰减增强。滤波器尺寸为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm。

1滤波器原理设计

  1.1滤波器原理分析

  四级带状线型分布式结构带通滤波器的等效电路图如图1所示。

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  从图1四级耦合谐振器的等效电路可以看出,每级谐振器可以实现电感与电容特性,可以等效为电感电容并联谐振,而每个谐振级之间还存在能量耦合,耦合系数如式(4)所示,其次每个谐振器都会对地产生寄生电容,其作用是增强阻带衰减,Z形耦合电容C5的作用是增加传输零点,使得阻带衰减变大[3]。

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  四级耦合谐振器的电感、电容以及耦合系数的计算如式(1)~式(4)所示,w为带状线的宽度,d为两个相邻带状线之间的距离,b为带状线与地面之间的距离,l为带状线的长度,f1 与 f2 为两个本征频率,其中四级谐振器处于磁导率为μ、介电常数为ε的均匀介质中[45]。根据设计指标,运用上述公式来完成初步的建模。

  1.2传输零点

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  图2四级谐振器的相位变化特性本文设计指标要求阻带带外衰减大,而不引入交叉耦合,衰减效果会很差,因此引入Z形结构,增加传输零点数目。Z形耦合的本质是电耦合,在传输零点处会形成相位差为±180°,如图2所示,当工作频率小于谐振频率时,从谐振器1传输到谐振器4会同时产生两种相位变化,一种是相位90°+90°-90°+90°+90°=270°,另一种则是相位为90°,得出相位差为180°。而当工作频率高于谐振频率时,同理,一种相位为90°-90°-90°-90°+90°=-90°,另一种仍然是90°,得出相位差为-180°。所以引入Z形交叉耦合后,此结构在通带两边各有一个零点[6]。

2四级滤波器的设计

  2.1滤波器的设计理论

  首先分析滤波器的具体参数指标,运用ADS仿真软件确定元件值的算法,以及滤波器的级数与结构,对初始结构进行优化设计,使其达到设计指标。然后运用HFSS设计软件进行建模,确定陶瓷介质参数、谐振级相关参数,特别是耦合电容的大小及位置,获得更好的带外抑制。最后进行试验调试,加工生产滤波器,分析并测试性能[78]。

  2.2四级滤波器的三维实现

  本设计的中心频率为1.46 GHz,属于L波段。基于LTCC的三维设计模型,确定该滤波器的尺寸为4.5 mm×3.2 mm×1.5 mm,介质选用相对介电常数为28的陶瓷材料 ,介质损耗角为tanθ=0.001 2,金属导体材料为银,厚度均为0.01 mm。如图3所示,三维模型一共五层,第一层与第三层为加载电容层,第二层为电感电容层,第一、第二、第三层平行放置,图3四级滤波器内部三维结构构成四级谐振单元,第四层为第一谐振器与第四谐振器之间的Z形交叉耦合电容(C5),第五层为接地层。

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  信号从端口1进入第一谐振器,通过第二、第三谐振器的耦合传输,从第四谐振器经端口2输出。其间Z形耦合电容起到了形成传输零点的作用,实现了阻带衰减作用。

  2.3仿真测试结果

  L波段四级分布滤波器的模拟仿真结果如图4所示,中心频率为1.46 GHz,带宽为250 MHz,带内插入损耗<2.66 dB,带外抑制≥36 dB(0 GHz<f<1.22 GHz)。

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  仿真结果达到设计指标,可以根据HFSS软件设计仿真模型,进行生产加工,其中实物图与测试夹具如图5所示。

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  四级带通滤波器的实物测试结果如图6所示,可以观察,带内最大插损达到2.56 dB,带外抑制≥36 dB(0 GHz <f<1.22 GHz)。实物测试结果与仿真结果是有差异的,原因包括陶瓷介质材料的误差、加工工艺的误差、测试夹具引起的误差等。虽然两者的结果有些差异,但两者的性能基本一致,符合设计指标,可以进行批量生产[9]。

3结论

  本文设计了一款性能良好的L波段四级分布带通滤波器,根据设计指标确定方案,通过三维建模、调试等工作完成LTCC三维实现。最后进行生产加工,并对成品进行测试,测试结果达到设计指标,总结出引入Z形电容耦合会产生两个传输零点,使其具有优良的带外衰减特性等。该滤波器适用于DSTV、卫星电视、PHS、无绳电话机等产品,可以批量生产。

  参考文献

  [1] 戴永胜,陈相治.LTCC多级结构实现高性能微型带通滤波器的研究[J].现代电子技术,2014,37(8):7981.

  [2] Dai Yongsheng, Tang Xiongxin, Zhou Wenkan, et al. A miniaturized LTCC lowpass filter based on the lumped circuit model[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology ( ICMMT ) , 2010:15781580.

  [3] 李宝山.边带陡峭LTCC滤波器的设计与研究[D].南京:南京理工大学,2007.

  [4] 刘祖华,刘斌,黄亮,等.应用于WLAN的低噪声放大器及射频前端的设计[J].电子技术应用,2014,40(1):3840.

  [5] 黄小晖,吴国安. 多传输零点LTCC带通滤波器的设计与实现[J]. 半导体技术,2011,36(12):957961.

  [6] 彭永棒,孙奉娄,蓝加平,等.基于CPLD的开关电容组式跟踪滤波器设计与实现[J].微型机与应用,2013,32(3):1922.

  [7] 吴迎春.基于LTCC技术的新型高性能超宽带滤波器的研究[D].南京:南京理工大学,2014.

  [8] 王立杰.LTCC超宽带滤波器研究与设计[D].南京:南京理工大学,2007.

  [9] POZAR D M. Microwave engineering(Third Edition)[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2006.