新型電容耦合式LTCC帶通濾波器的設(shè)計(jì)

引言

近年來(lái)， 無(wú)論是軍用電子整機(jī)、通信設(shè)備還是民用消費(fèi)類的電子產(chǎn)品都迅速向小型化、復(fù)雜化、輕量化、多功能化和高可靠性的方向發(fā)展。

而以LTCC (低溫共燒陶瓷， Low Temperature CofiredCeramic) 為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效減小器件體積， 是實(shí)現(xiàn)元器件向小型化、片式化、高可靠性和低成本方向發(fā)展的有效途徑。濾波器是決定通信系統(tǒng)性能的重要元器件。為此， 許多論文都提出通過在阻帶內(nèi)加入傳輸零點(diǎn)來(lái)提高濾波器的阻帶衰減性能， 從而獲得陡峭過渡帶。

本文給出的設(shè)計(jì)方法涉及三個(gè)方面： 第一是通過設(shè)計(jì)一種濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)提高阻帶性能。該濾波器采用諧振單元耦合， 并在輸入輸出端引入并聯(lián)反饋電容來(lái)在阻帶內(nèi)引入傳輸零點(diǎn)。傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)與位置可以通過耦合電容和電感控制。

第二是通過濾波器結(jié)構(gòu)等效集總電路來(lái)寫出導(dǎo)納矩陣， 再用圖解和數(shù)學(xué)方法解釋傳輸零點(diǎn)情況。這對(duì)快速設(shè)計(jì)這類濾波器具有指引作用。

第三是通過仿真濾波器來(lái)證明理論的正確性。

1 LTCC濾波器的物理布局

本設(shè)計(jì)給出的濾波器的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示， 其中圖1 (a)、(b) 分別為不同角度觀察的濾波器三維圖， 其中介質(zhì)為Rogers RT/duroid5880， 介電常數(shù)為εr=2.2， 損耗角正切為0.0009，介質(zhì)為4層， 每層為500μm， 水平面積為3mm×18mm， 導(dǎo)體材料采用銀。金屬層從下至上分別為1至5層， 其中最下層和最上層為接地金屬層(為使結(jié)構(gòu)圖更清楚， 圖1中隱藏了最上層金屬層)， 中間三層為電路拓?fù)洌?其端口饋電在第三層上， 為電容饋電方式， 可與第二層和第四層電容板形成接入電容C3和C4， 調(diào)節(jié)饋電板的邊長(zhǎng)C_w1， 可以改變電容C3與C4。加長(zhǎng)接入和接出電容板， 可使兩塊電容板靠近， 并引入耦合電容C6， 電容板的間距為len， 未加長(zhǎng)時(shí)， 兩電容板的間距為2400μm。通過在左右兩個(gè)諧振腔的電容板之間加入耦合電容板， 可以引入電容C5， 調(diào)節(jié)電容板邊長(zhǎng)C_w2可控制耦合電容C5的大小。

電感在第三層， 由一根金屬線構(gòu)成， 可通過半徑為50μm的通孔接地， 金屬線的寬度為200μm，調(diào)節(jié)金屬線的長(zhǎng)度L_len可改變電感L1與L2的大小。曲線形金屬線在濾波器第二層， 為電感L3。

電容為第四層和第二層電容板與上下地形成的接地電容， 第四層與第二層電容板通過通孔相連，一個(gè)正方形電容板的面積為3mm×3mm。為使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單和便于調(diào)試， 該結(jié)構(gòu)的所有電容板都采用正方形結(jié)構(gòu)。

2 集總電路設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)的濾波器等效電路如圖2所示， 通過圖2可以看出， 該電路可分為上下兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，其濾波器的導(dǎo)納矩陣為：

其中， y11′， y12′， y21′， y22′是濾波器沒有反饋電容C6的導(dǎo)納矩陣元素。通過導(dǎo)納矩陣Y可知，形成傳輸零點(diǎn)的位置可由下列方程確定：

其中， c1′=c1+c3 c2′=c2+c4由方程(7) 可知， 左右兩曲線的交點(diǎn)即為通帶兩邊傳輸零點(diǎn)的位置。

為了解釋該理論， 本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器中心頻率為f0=2.45 GHz。設(shè)計(jì)可用插入損耗法， 并采用通帶波紋0.2 dB的二階切比雪夫低通原型。

通過阻抗變換公式可以得到圖1中各元件值： L1=L2=1.1nH， C1=C2 =3.78 pF， C3=C4 =1.34 pF， l3=5.87 nH， 反饋電容C的取值可通過圖3所示的傳輸零點(diǎn)位置來(lái)確定， 本設(shè)計(jì)中取C=0.06 pF。通過電路仿真軟件可以得到圖4所示的S參數(shù)仿真圖。

由圖3所示可以看出， 反饋電容C6=0.06 pF時(shí)， 兩個(gè)導(dǎo)納曲線相交于1.45 GHz和3.70 GHz處，表明濾波器在這兩個(gè)頻率處形成了傳輸零點(diǎn)， 圖4中圈線為未引入反饋電容C6時(shí)的二階切比雪夫帶通濾波器的傳輸特性S曲線， 實(shí)細(xì)曲線為引入反饋電容(C=0.06 pF) 后在通帶兩邊形成的一對(duì)傳輸零點(diǎn)的傳輸特性S曲線， 可見， S曲線傳輸零點(diǎn)的位置與導(dǎo)納方程的解符合的很好。

3 濾波器的實(shí)現(xiàn)與仿真結(jié)果

在沒有引入耦合電容C6時(shí)， 其接入接出電容板間距為2400 μm， 設(shè)計(jì)時(shí)可將兩電容板加長(zhǎng)并靠近。圖5為兩電容板間距從2000 μm減小至1600μm時(shí)的S參數(shù)仿真圖， 從圖5中可以看到， 兩電容板越近， 耦合電容C6越大， 兩傳輸零點(diǎn)距中心頻率越近， 而對(duì)通帶則影響不大， 通帶情況幾乎沒有變化， 這與第二部分的理論一致。

通過改變矩形金屬線電感長(zhǎng)度L_len所得到的S參數(shù)仿真圖如圖6所示。從圖6中可以看到，增大L_len， 中心頻率與兩傳輸零點(diǎn)均向低頻偏移， 插入損耗減小， 濾波器相對(duì)帶寬變寬， 通帶內(nèi)兩諧振頻率點(diǎn)相距越遠(yuǎn)， 波紋也越大。

由于濾波器（凡是有能力進(jìn)行信號(hào)處理的裝置都可以稱為濾波器）結(jié)構(gòu)中的所有電容板邊長(zhǎng)相同，都為3000 μm (用C_w表示)， 故可得到圖7所示的改變C_w的S參數(shù)仿真圖。由圖可見減小電容板邊長(zhǎng)對(duì)濾波器的影響與增大直線形金屬線電感長(zhǎng)度對(duì)濾波器的影響完全一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種小型化的新型電容耦合式LTCC帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法。仿真結(jié)果顯示，在中心頻率處， 通帶內(nèi)的插入損耗小于1.0 dB，回波損耗大于20 dB。通過多階頻率方程可以有效地得出傳輸零點(diǎn)的位置， 而且仿真結(jié)果與理論分析一致。