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基于LTCC技术双零点带通滤波器的研究

作者:时间:2012-11-09来源:网络收藏

随着射频无线产品的快速发展,对微波小型化、集成模块化,高频化的要求也越来越高。而小体积、高性能和低成本的微波的市场需求量增加。此类微波的设计与实现已经成为现代微波中关键问题之一。其主要的设计概念是将二维的电路布局变为三维电路布局,借此达到缩小体积的目的。由于低温共烧陶瓷(,Low TemperatureCofired Ceramic)具有高集成密度、高性能、高可靠性以及可内埋置无源元件等优点,成为多层无源器件和电路设计的主流,对微波无源器件的小型化起到了极大的推动作用。文中所设计的多微波无源滤波器力求达到结构小型化和性能优越化。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/153732.htm

1 具有传输滤波器设计原理

传输理论指的是滤波器传输函数等于零,即在这一频点上能量不能通过网络,因而起到完全隔离作用。通常带通滤波器在无限远的频点处其传输函数是趋于零的,称之为无限传输,但由于是无限远,因此没有实际意义。在实际设计的带通滤波器中为了使通带外有较大抑制,就需要在一些特定的频点处引入零点,这便是通常所指的有限零点。

中有多种引入零点方法,由于LTCC往往采用多层结构,器件排列紧密,相互之间电磁耦合也会很大,这通常会使得电路特性恶化。文中利用螺旋电感之间的耦合,提高电路特性。滤波器结构如图1所示,为了能和外部电路阻抗匹配,引入电容C1和C2,而C3和L1以及C4和L2各自组成一个谐振电路。其中,L1和L2交叉耦合系数为M,C5为接地电容。该结构可以看作两部分,上面一部分是一个典型的二阶带通滤波器,如图2所示。下面是一个对地耦合电容,如图3所示。带通结构产生所需要的通带特性,传输零点位于直流点和无限大频率处,引入的对地藕合电容,可以得到所需要的两个传输零点,而且对与它串联的带通滤波器的通带特性影响很小。

利用微波网络分析的方法,该二端口网络可以看成图2和图3两个网络的串联,整个网络的Z矩阵等于上下两个网络的Z矩阵之和。

该网络的传输系数S21可以通过网络的Z矩阵转化而来

其中,Z0为端口的特性阻抗,均为50 Ω。令S21=0,由式(2)可得

其中,

公式

从而得到

公式

利用ABCD矩阵级联相乘,再转化为Z矩阵,得到网络U的Z矩阵

公式

将式(6)带入式(5)得

公式

该方程的两个正根就是两个传输零点的频率值,从式中看到,通过改变耦合电容C,可以得到不同的零点频率。

2 电路设计仿真

用插入损耗法设计滤波器。

滤波器性能参数

若用其设计一个带内波纹为O.2 dB的切比雪夫二阶带通滤波器,根据滤波器设计原理可以确定电路中各元件的值。L1=L2=1.46 nH,C1=C2=0.82 pF,C3=C4=2.55 pF,M=10.02 nH,接地电容C=18 pF。利用ADS电路仿真软件来仿真,利用该软件得出电路的散射参数S,如图5所示。由式(7)知该电路有两个传输零点,在图中可以看到它们分别位于通带的两端,起到了带外抑制作用。而另一条曲线显示的是没有加接地电容,显然带外抑制效果差。

接地电容对滤波器散射参数的影响
不同的接地电容对滤波器散射参数的影响

图5所示,接地电容不仅能够起到引入传输零点的作用,还能够控制传输零点的位置。

3 LTCC中的结构布局

在电磁仿真软件中设计LTCC布局,为了有效利用电感之间的耦合,构造出图1所示的结构。所用介质材料的介电常数εr=7.8,3层为0.08 mm,第4和第5层0.18 mm,最下面的l层为0.25 mm,1层6层为接地面,1层和2层构成C5,2层和3层构成C3与C4,4层和3层构成C1与C2,第5层为螺旋电感构成L1和L2,它们之间耦合形成M。其结构由图6给出,当这两个对称的电感距离越近时互感值M便越大。整体大小为3 mm×3 mm×O.7 mm。

滤波器三维结构图

仿真工具选用AnsoftHFSS和IE3D,分别在各自环境下根据前面得到的元器件数值,设计出符合要求的集总元件尺寸。图7便是两种仿真软件所得出的结果,与ADS电路仿真结果吻合。

两种仿真软件所得出的结果

4 结束语

结合LTCC设计出了一个中心频率在2.45 GHz的二阶带通滤波器,它不仅尺寸小巧,符合现代对无线产品小型化的要求。而且它在带外还有两个传输零点,很好地实现带外抑制,且能利用接地电容大小控制零点位置,有效地满足了在更小的尺寸内实现较好的射频功能。在电感电容等集总元件基础上,利用电路仿真,电磁仿真分析相结合的方法得到了设计仿真效果。



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