具有三階諧振腔的S波段LTCC帶通濾波器設(shè)計(jì)

楊海峰，邢孟江

(1.寶雞文理學(xué)院物理與信息技術(shù)系，陜西寶雞 721016;2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安 710071)

隨著無線通信的快速發(fā)展，移動終端向小型化、輕便型方向發(fā)展。濾波器作為射頻組件的重要組成部分，在無線通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［1］。高性能的濾波器對無線通信的品質(zhì)往往有很大的提升。

濾波器的性能主要取決于通帶中的衰減程度以及帶外的衰減速度。在采用插入損耗法設(shè)計(jì)濾波器過程中用巴特沃茲多項(xiàng)式或切比雪夫多項(xiàng)式逼近插入損耗函數(shù)時(shí)，帶外衰減速度隨多項(xiàng)式階數(shù)的增加而增加，但是濾波器的階數(shù)越多插入損耗會增加，同時(shí)器件的體積和制作的難度也會增加，所以在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要考慮系統(tǒng)指標(biāo)要求及封裝要求。

應(yīng)用低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)制作濾波器等無源器件有無可比擬的優(yōu)勢:①采用疊層工藝，有效地減小器件體積;②可以使用導(dǎo)電系數(shù)高的金屬，使得材料傳輸損耗小，頻率特性好;③ 可以混合集成模擬、數(shù)字、射頻等器件及電阻、電容、電感等元件組成多功能組件;④成本相對較少，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短等。所以應(yīng)用低溫共燒陶瓷技術(shù)在射頻組件的設(shè)計(jì)方面已有廣泛的應(yīng)用［2］。

本文采用低溫共燒陶瓷技術(shù)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)中心頻率為2.4 GHz，相對帶寬為10.4%的三階帶通濾波器，體積僅為3 mm×2 mm×1 mm，在無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等無線通信中有廣泛的用途。

1 濾波器設(shè)計(jì)

首先根據(jù)對濾波器指標(biāo)的要求設(shè)計(jì)出了具有切比雪夫特性的三階帶通濾波器。此種濾波器為電容性耦合，由3個(gè)并聯(lián)諧振腔組成。電路原型的求解過程:首先求出低通濾波器的原型，再由導(dǎo)納變換器和并聯(lián)諧振器把低通原型轉(zhuǎn)化為電容耦合的并聯(lián)諧振器。需要注意的是在這種變換中采用的導(dǎo)納變換器如圖1所示，即實(shí)現(xiàn)了用電容耦合［3］。

也可用ADS等射頻電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行綜合，快速得到電路原型，如圖2所示。其中的元件值C1=C3=2.58 pF，C2=2.81 pF，C4=C7=0.95 pF，C5=C6=0.40 pF，L1、L2及 L3的值均為1.23 nH。

得到電路原型之后，完成了設(shè)計(jì)的第1步。下面必須考慮如何利用低溫共燒陶瓷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)上述電路的模型結(jié)構(gòu)，這時(shí)必須考慮到此器件的工作頻段、各個(gè)元件值的大小和制作電路工藝線的條件等因素?？紤]到此次設(shè)計(jì)的濾波器工作在S波段，而且各個(gè)元件值不是很大，所以考慮使用集總參數(shù)的元件來完成設(shè)計(jì)。

應(yīng)用集中元件來實(shí)現(xiàn)射頻段的電感和電容，可以采用很多方法［4－6］，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的濾波器電路的具體參數(shù)，對于電容值較小的C4和C7采用較簡單的平板電容，如圖3(a)所示，而對于電容值較大的C1、C2和C3采用垂直指插電容，如圖3(b)所示。

圖3 電容示結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)C5和C6電容，當(dāng)然也可以采用平板電容這種最簡單的結(jié)構(gòu)，但是也可根據(jù) K.Rambabu 和 Jens Bornemann［7］提出的耦合方法實(shí)現(xiàn)小電容。本文正是采用這種方法，利用了C1、C2和C3這3個(gè)大電容之間耦合效應(yīng)，產(chǎn)生2個(gè)小的電容值即C5和C6。采用這樣的方法可以有效地減小器件的尺寸，提高元件的集成度，但是提高了器件的設(shè)計(jì)難度。

對于電感L1、L2和L3，由于它們的電感值不大，所以很容易用一段傳輸線來等效［8］。最后，根據(jù)工藝條件要求，采用Ferro A6M作為低溫共燒陶瓷的介質(zhì)材料。此種介質(zhì)的相對介電常數(shù)為5.9，每一層的介質(zhì)厚度為84.5 μm，采用金屬銀作為共燒金屬材料，金屬厚度為12 μm。在HFSS中建立的器件模型如圖4所示，共包含10層介質(zhì)和11層金屬。

圖4 濾波器三維模型

2 仿真分析

分別利用Agilent ADS和HFSS對電路原型(圖2)和三維立體模型(圖4)進(jìn)行仿真，對仿真結(jié)果進(jìn)行對比，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)建立起的三維立體器件模型在預(yù)設(shè)的通帶中較好地實(shí)現(xiàn)了濾波器的功能，通帶中 S11大于20 dB，S21小于1.5 dB，較好地實(shí)現(xiàn)了帶通濾波器的功能。

但是在高頻阻帶，三維立體模型和電路模型仿真顯著不同，HFSS仿真結(jié)果在高頻阻帶產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，這是電路原型所沒有的。在帶外產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)是由于集總參數(shù)元件的寄生效應(yīng)。

圖5 濾波器電路和三維電磁仿真對比

通過分析，寄生效應(yīng)來源于垂直指插大電容C1、C2和C3，這是由于多層金屬結(jié)構(gòu)和共地面產(chǎn)生了寄生電感。正是由于寄生電感的存在，產(chǎn)生了帶外零點(diǎn)?？紤]寄生效應(yīng)后的電路如圖6所示。

圖6 增加寄生電感的電路

此電路的阻抗矩陣是由圖2所示電路的阻抗矩陣和電感L的阻抗矩陣之和，即

當(dāng)Z21=0時(shí)，表明信號不會由端口1傳輸?shù)蕉丝?。根據(jù)Z矩陣和S矩陣的關(guān)系，此時(shí)S21也為零，即表明產(chǎn)生了傳輸零點(diǎn)。所以可以由傳輸零點(diǎn)的位置反推出電感L4的大小，通過計(jì)算為0.21 nH。

最后，對比增加寄生電感的電路和三維立體器件模型。如圖7所示，在通帶中和帶外仿真結(jié)果都比較吻合，從而驗(yàn)證了此款帶通濾波器的三維立體模型和電路模型功能一致。

圖7 考慮寄生電感的電路和三維電磁的仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出的具有切比雪夫特性的三階帶通濾波器，在用低溫共燒陶瓷實(shí)現(xiàn)時(shí)有效地利用了耦合電容，使器件結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積僅為3 mm×2 mm×1 mm，中心頻率 2.4 GHz插入損耗為1.1 dB，回波損耗為23 dB，相對帶寬為10.4%，帶外2.0 GHz和 2.8 GHz處插入損耗分別達(dá)到35 dB和40 dB。以上數(shù)據(jù)表明，該濾波器比同類型的濾波器有較優(yōu)越的性能。

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