基于LTCC技術(shù)雙零點(diǎn)帶通濾波器的研究

隨著射頻無線產(chǎn)品的快速發(fā)展，對(duì)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(jì)與實(shí)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(jì)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(diǎn)，成為多層無源器件和電路設(shè)計(jì)的主流，對(duì)微波無源器件的小型化起到了極大的推動(dòng)作用。文中所研究設(shè)計(jì)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。

1 具有傳輸零點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)原理

傳輸零點(diǎn)理論指的是濾波器傳輸函數(shù)等于零，即在這一頻點(diǎn)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(diǎn)處其傳輸函數(shù)是趨于零的，稱之為無限傳輸零點(diǎn)，但由于是無限遠(yuǎn)，因此沒有實(shí)際意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)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(diǎn)處引入零點(diǎn)，這便是通常所指的有限零點(diǎn)。

LTCC中有多種引入零點(diǎn)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(huì)很大，這通常會(huì)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(gè)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(gè)典型的二階帶通濾波器，如圖2所示。下面是一個(gè)對(duì)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(diǎn)位于直流點(diǎn)和無限大頻率處，引入的對(duì)地藕合電容，可以得到所需要的兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，而且對(duì)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的Z矩陣等于上下兩個(gè)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(jí)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(gè)正根就是兩個(gè)傳輸零點(diǎn)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(diǎn)頻率。

2 電路設(shè)計(jì)仿真

用插入損耗法設(shè)計(jì)濾波器。

若用其設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)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(gè)傳輸零點(diǎn)，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(diǎn)的作用，還能夠控制傳輸零點(diǎn)的位置。

3 LTCC中的結(jié)構(gòu)布局

在電磁仿真軟件中設(shè)計(jì)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(gè)對(duì)稱的電感距離越近時(shí)互感值M便越大。整體大小為3 mm×3 mm×0.7 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(jì)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(jì)出了一個(gè)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(duì)無線產(chǎn)品小型化的要求。而且它在帶外還有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，很好地實(shí)現(xiàn)帶外抑制，且能利用接地電容大小控制零點(diǎn)位置，有效地滿足了在更小的尺寸內(nèi)實(shí)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(jì)仿真效果。