多層耦合短路帶狀線諧振單元的設(shè)計(jì)研究

楊翠娥

(太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008)

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)相關(guān)電子產(chǎn)品及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信成為現(xiàn)實(shí)，而這一切得以實(shí)現(xiàn)依賴于至關(guān)重要的射頻微波模塊和射頻元器件。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，微波射頻元器件的小型化成為關(guān)鍵。巴倫(平衡不平衡轉(zhuǎn)換器)濾波器是一種集巴倫、濾波器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)為一體的新型小型化射頻元件，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛[1]。傳統(tǒng)的巴倫濾波器的設(shè)計(jì)方法是分別對(duì)巴倫和濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)把巴倫和濾波器連接起來(lái)組合成一個(gè)元件。不僅體積大，而且設(shè)計(jì)復(fù)雜。采用基于LTCC工藝技術(shù)的多層耦合短路帶狀線諧振單元的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以在一定程度上提高和改善巴倫濾波器的性能。

1 不同層次耦合短路帶狀線諧振單元設(shè)計(jì)

根據(jù)耦合傳輸線理論[2]，圖1給出了兩種耦合短路帶狀線諧振單元的HFSS模型。當(dāng)耦合短路帶狀線的電長(zhǎng)度為θ=π/2(對(duì)應(yīng)響應(yīng)的中心頻率)時(shí)，相鄰短路帶狀線的開(kāi)路端之間存在180°相位差，因此通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)可從相鄰短路帶狀線的開(kāi)路端口分別輸出兩路相位差為180°的信號(hào)實(shí)現(xiàn)巴倫特性。

以三層耦合短路帶狀線諧振單元為例，圖2給出了相應(yīng)的LC并聯(lián)諧振器等效電路。

圖1 寬邊耦合短路帶狀線諧振單元HFSS模型

圖2 耦合短路帶狀線諧振單元等效電路

(1)

(2)

諧振頻率為：

(3)

由此可以計(jì)算出多層耦合短路帶狀線諧振單元的初步尺寸。在實(shí)際的諧振單元設(shè)計(jì)中可以借助HFSS仿真軟件根據(jù)計(jì)算的初步尺寸對(duì)諧振單元進(jìn)行三維建模和仿真優(yōu)化，并獲得所需的諧振頻率及其相關(guān)特性。

2 HFSS軟件仿真分析

以圖1(a)中的兩層耦合短路帶狀線諧振單元為例，對(duì)兩層耦合短路帶狀線諧振單元進(jìn)行HFSS仿真分析，得到如圖3(a)所示的S參數(shù)曲線和圖3(b)所示的兩層帶狀線的開(kāi)路端相位差曲線。諧振單元的物理尺寸為：上下兩層帶狀線的線寬分別為w1=0.21 mm，w2=0.24 mm，屏蔽層間距b=1.2 mm，兩帶狀線間距d=0.03 mm，線長(zhǎng)l=3.6 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=9.4 mm。

圖3 兩層耦合短路帶狀線諧振單元仿真分析

由圖3(a)可知兩層耦合短路帶狀線的諧振頻率為2.3 GHz，諧振單元實(shí)現(xiàn)了很好的濾波特性。作為諧振器，品質(zhì)因數(shù)Q越大，選頻就越精確，但是帶寬就越小。反之，品質(zhì)因數(shù)Q越小，帶寬就越大，但是抗干擾能力也越差。由圖3(b)可知兩層耦合短路帶狀線的開(kāi)路端在諧振頻率點(diǎn)處的相位差為180°。當(dāng)信號(hào)頻率低于諧振頻率時(shí)，諧振單元呈電容性，當(dāng)信號(hào)頻率高于諧振頻率時(shí)，諧振單元呈電感性。仿真結(jié)果表明，耦合短路帶狀線諧振單元具有良好的諧振、選頻特性。

同樣，對(duì)圖1(b)中的三層耦合短路帶狀線諧振單元也可以進(jìn)行HFSS仿真分析，分析結(jié)果表明，隨著短路帶狀線層數(shù)的增加，諧振單元的諧振頻率變小，由2.3 GHz變成了1.86 GHz；相位差曲線的180°相位點(diǎn)也會(huì)跟著諧振頻率發(fā)生同樣的變化。短路帶狀線的層數(shù)并不是越多越好，層數(shù)越多，損耗越大。因此，實(shí)際中需要根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)需求選擇合適的短路帶狀線的層數(shù)得以實(shí)現(xiàn)小型化、低損耗的巴倫濾波器的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于LTCC工藝技術(shù)，采用多層耦合短路帶狀線結(jié)構(gòu)形成諧振級(jí)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)巴倫和濾波器的功能，與傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的巴倫濾波器相比，這種巴倫濾波器不僅尺寸小、而且可以很方便地通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)改善濾波器參數(shù)，獲得更好的濾波特性。