基于LTCC的小型化中頻帶通濾波器設(shè)計

羊紹林,張慶重,奚　望,梁孝彬,石　玉

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院,四川 成都　610054)

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基于LTCC的小型化中頻帶通濾波器設(shè)計

羊紹林,張慶重,奚望,梁孝彬,石玉

(電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院,四川 成都610054)

摘要采用LTCC技術(shù)實現(xiàn)濾波器時,大電感值會引起加工復(fù)雜、寄生參數(shù)多等問題。文中通過部分電路等效法(PEEC)、三角形和星形聯(lián)結(jié)等效變換法,將二階直接耦合濾波器中的三角形連接電感等效為兩個并聯(lián)的耦合電感,減少了電感數(shù)量及感值。使得濾波器的設(shè)計復(fù)雜程度降低,標準化程度及一致性更高,封裝更小。最終實現(xiàn)了一個中心頻率70 MHz、相對帶寬14.28%、插入損耗1.83 dB、回波損耗<-15 dB的小型化中頻濾波器。

關(guān)鍵詞中頻帶通濾波器;LTCC;PEEC;電感耦合

中頻濾波器主要應(yīng)用于數(shù)字化接收機中。其作用主要體現(xiàn)在對接收機中的干擾信號如:本振信號、混頻組合干擾頻點以及在多次變頻方案中對鏡像頻率信號的濾除,實現(xiàn)對中頻信號頻譜整形。在保持通帶寬度的情況下也保護接收機各級電路避免由于雜散信號的干擾而引起后續(xù)器件飽和或失真,其性能的優(yōu)劣對接收機性能起著至關(guān)重要的作用。

目前運用于數(shù)字化接收機的中頻濾波器主要有介質(zhì)濾波器、聲表面濾波器、晶體濾波器、LC濾波器和LTCC濾波器。相對于其他濾波器,LTCC濾波器具有成本低、一次成型、小型化、焊接方便及損耗小等優(yōu)點,具有重要的研究價值[1]。近年來,隨著LTCC工藝的發(fā)展,眾多性能優(yōu)良的LTCC濾波器已被研究出來并投入實際生產(chǎn)和運用中。本文研究運用PEEC法、三角形和星形聯(lián)結(jié)等效變換法將直接耦合帶通濾波器等效為一個電感量小的拓撲結(jié)構(gòu),并采用LTCC技術(shù),實現(xiàn)一款中心頻率為70 MHz、帶寬10 MHz的中頻濾波器。利用此方法,還可實現(xiàn)更多不同頻率范圍的帶通濾波器。

1電路設(shè)計及仿真

本文設(shè)計一款二階直接耦合濾波器[2],其結(jié)構(gòu)如圖1所示,由AWR仿真可得到元器件值為C1=28.68 pF,C2=95.33 pF,L1=397 nH,L2=L3=50 nH,仿真結(jié)果如圖2所示。這里注意到由于頻率較低,電感L1值較大,用LTCC工藝實現(xiàn)較困難,且隨著電感值增大,各圈及不同層的線圈之間相互耦合等影響將引入眾多不可控的寄生參數(shù),相應(yīng)的頻率特性會變得很差,而且標準化程度也會降低[3]。因此,要盡量避免大電感量的電感出現(xiàn),本文主要結(jié)合PEEC、三角形和星形聯(lián)結(jié)等效變換法將電路拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換[4]。最終決定采用兩個電感耦合的方法來實現(xiàn)濾波器中電感的功能,此法不僅能省去大電感L1,且能使L2和L3的感值更小。

圖1　傳統(tǒng)濾波器原理圖

圖2　傳統(tǒng)濾波器頻率響應(yīng)

任意無源互易二端口網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)中有且只有3個相互獨立,從而使得這樣的二端口同時存在由Z參數(shù)所確定的惟一T型等效電路和由Y參數(shù)所確定的惟一π型等效電路。所以,星形結(jié)構(gòu)的三端無源互易網(wǎng)絡(luò)和三角形結(jié)構(gòu)的三端無源互易網(wǎng)絡(luò)之間存在等效變換且變換關(guān)系惟一。星形連接的電阻網(wǎng)絡(luò)可看作某個二端口的T型等效電路,這個二端口必然也存在與之等效的π型等效電路即三角形連接的電阻網(wǎng)絡(luò);同樣,三角形連接的電阻網(wǎng)絡(luò)可看作某個二端口的π型等效電路,這個二端口必然也存在與之等效的T型等效,電路即星形連接的電阻網(wǎng)絡(luò)[5]。在此濾波器電路中,由PEEC法可知,文中可將其中一部分獨立電路取出來單獨分析,只要保證端口參數(shù)不變,其對整個電路的性能在理論上不會有任何影響。此次LTCC設(shè)計中,由于電感和電容相對距離較遠,相互之間影響很小,可將電感部分視為一個獨立的二端口網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計濾波器時將中間的幾個電感單獨取出,運用PEEC法和三角形與星形連接相互轉(zhuǎn)換法,用更簡單的電路予以實現(xiàn)。

圖1所示的傳統(tǒng)濾波器中三個電感可看作是一個三角形連接的阻抗網(wǎng)絡(luò),則必然存在且唯一存在一個星形連接的阻抗網(wǎng)絡(luò)與之等效,且其結(jié)構(gòu)如圖3所示,可推出

(1)

(2)

(3)

圖3　三角形與星形連接電路等效

圖4　耦合電感等效電路

其中

(4)

(5)

耦合因子

(6)

可得出L4=45.2nH,L5=45.2nH,K=0.126。

將PEEC法和三角形和星形聯(lián)結(jié)等效變換法等效處理后得到的等效電路帶回原濾波器,得到如圖5所示的新電路。其各個元器件值C1=28.68pF,C2=95.33pF,L4=45.2nH,L5=45.2nH。

圖5　采用等效及耦合后實際電路

2器件制作與測試

根據(jù)新電路和已得出的元器件值,采用HFSS建立三維仿真模型[6]如圖6所示,本次設(shè)計將L4和L5并排設(shè)計,通過調(diào)節(jié)L4、L5之間的距離控制兩個電感間的耦合因子,從而實現(xiàn)對電感耦合因子M的控制。LTCC生瓷帶采用Ferro公司的A6M材料(磁導(dǎo)率5.7,厚度90 μm),共5層完成器件的疊壓與制作。兩個電感工藝參數(shù)均為0.2 mm線寬,尺寸為3 mm× 1.8 mm,均為3圈立體螺旋結(jié)構(gòu);內(nèi)置電容采用不同的導(dǎo)體層來實現(xiàn)[7],底層接地側(cè)面有接地封裝焊盤,輸入輸出端口采用Lumped Port。LTCC濾波器仿真優(yōu)化后數(shù)據(jù)如圖7所示,可看出濾波器實現(xiàn)了中心頻率70 MHz,3 dB帶寬10 MHz,插入損耗-1.53 dB,回波損耗<-15 dB的要求。

圖6　HFSS 仿真建模圖

圖7　HFSS建模仿真結(jié)果

圖8給出了濾波器的測試[8]結(jié)果,可看出其中心頻率70 MHz,3 dB帶寬10 MHz,插入損耗-1.83 dB,回波損耗略>-15 dB。可看出仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果近似,滿足設(shè)計要求。

圖8　濾波器的測試結(jié)果

3結(jié)束語

本文采用改進的軸向耦合濾波器電路及LTCC技術(shù),實現(xiàn)一個中心頻率70 MHz相對帶寬14.28%的中頻濾波器。在濾波器的設(shè)計中采用PEEC、三角形和星形連接相互轉(zhuǎn)換的方法,將二階直接耦合濾波器中3個三角形連接的電感等效為兩個并聯(lián)的耦合電感[9]。此方法在LTCC電路設(shè)計中也不失為一種好的思路,特別是對于電感較大的低頻濾波器,可大幅的減小設(shè)計、工藝的難度,并能一定程度上減小濾波器的體積。

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Design of Miniaturized IF Band Filter Based on LTCC

YANG Shaolin,ZHANG Qingzhong,XI Wang,LIANG Xiaobin,SHI Yu

(School of Microelectronics and Solid-state Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

AbstractLarge inductor value will cause multiple problems such as difficulties in manufacturing and complexity in parasitic parameters while implementing filters using LTCC technology.Due to partial-element equivalent-circuit model (PEEC),delta and star-connected circuit equivalent transformation,three inductors of the second order direct coupling filter can be replaced by two parallel coupling inductors,leading to lowering in the complexity of design,improving in standardization and consistency and smaller packing.Finally a small size intermediate frequency filter of 70 MHz center frequency,14.28% relative bandwidth,1.83 dB insertion loss and less than -15 dB return loss is achieved.

Keywordsband-pass filters;LTCC;PEEC;inductive coupling

中圖分類號TN713+.5

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-147-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.039

作者簡介:羊紹林(1990—),男,碩士生研究。研究方向:電子科學(xué)與技術(shù)。石玉(1965—),男,教授。研究方向:磁性材料和射頻器件與電路。

收稿日期:2015- 09- 08