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带外衰减(低通滤波器)

发布时间:2022-07-16 10:20
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带外衰减(低通滤波器)

摘要:科技的发展带来更加严格的器件指标,电子器件的小型化、高性能趋势日益明显。滤波器作为射频元器件的重要组成部分,小型化研究已迫在眉睫。基于先进的LTCC工艺技术,选用带状线结构,实现了一款带通滤波器的小型化设计。通过交叉耦合的方式插入零点,提高边带的陡峭度,实现了优异的性能。经过大量仿真优化后投入生产加工,实物测试结果吻合仿真曲线,中心频率为3 400 MHz,带宽为200 MHz,在3 200 MHz频率上的衰减优于30 dB,在3 720 MHz频率上的衰减优于20 dB,尺寸仅为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。

0引言

微波滤波器是无源射频器件中重要的组成部分,用以有效控制系统的频响特性。直观表现为,在滤波器所设定的额定频率范围内,信号可以尽可能地无损通过,而在此频率范围以外,信号需要被尽可能地衰减[1]。作为系统中重要的组成部分,对于其小型化、高性能、低成本、易集成等诸多方面的要求越来越严格。如何综合实现诸多要求的滤波器,必然成为今后研究的重要热点之一[2]。

低温共烧陶瓷[3](Low Temperature Cofired Ceramic,LTCC)与传统的封装集成技术相比,有着诸多优点:(1)采用了多层堆叠技术,易于实现多层布线与封装一体化结构,易于故障的排查,成品率高,且组装密度提高,实现了小体积与低重量;(2)具有良好的高频特性和高速传输特性,同时,在大电流且高温的特定情况下,具有相对较小的热膨胀系数和介电常数温度系数,热传导性优良。(3)LTCC技术的兼容性能优良,易于形成多种结构的空腔;(4)LTCC产生废料少,非常节能环保。

此款基于LTCC技术的带通滤波器选择了带状线结构[4]的方式进行设计,相比于LC型集总结构滤波器,结构更加简单[5]。先进的LTCC技术保证了其体积小、重量轻、性能高、易生产、稳定性好、结构简单、兼容优良等诸多优点。此滤波器的设计指标如下:中心频率为3 400 MHz,带宽为200 MHz,带内插入损耗小于3.5 dB,在3 200 MHz处带外抑制≥30 dB,在3 720 MHz处带外抑制≥20 dB,电压驻波比≤1.7。在引入交叉耦合添加带外传输零点后,边带陡峭度明显提高,最终产品尺寸为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。

1滤波器原理设计

带通滤波器通过若干谐振电路的组合,实现滤波效应。带状线型滤波器的谐振单元不再选用集总模式下的电感电容,而是通过一段传输线来实现。此款带通滤波器选择六条带状线形成带通效应,等效为六个谐振单元,相邻谐振单元之间通过磁耦合的方式传递能量。初步设计出的六级带状线带通滤波器,虽然有着带通滤波的作用,但性能不佳,阻带插损不够,与既定的技术指标相去甚远。因此,考虑引入Z字形结构,通过交叉耦合的方式来引入传输零点,以期改善其不良的边带抑制度问题[6]。此时已基本达到初步设计要求,为了优化滤波器性能,引入U形结构,用以加强谐振级之间的磁耦合效应,完成最终的设计目标[7]。电路原理图如图1所示,其中L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5、L6和C6为六个等效为谐振单元的带状线,L7、L8、L9、L10、L11为相邻带状线之间磁耦合等效的串联电感,C16是加入Z字形结构后的交叉耦合电容,L23和L45是引入U形结构后磁耦合等效串联电感。

2LTCC三维实现

本设计的中心频率是3.4 GHz,属于S波段,相比于LC集总结构滤波器,带状线型LTCC带通滤波器不再选用通孔结构来连接不同空间的传输线,取而代之的是通过将带状线的一侧接在已经包裹上金属面的介质盒的前后接地面[8]。搭建此款带通滤波器的三维模型,综合考虑材料选择,选用相对介电常数为13.3、介质损耗角为tanθ=0.000 58的陶瓷材料,体积为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm。优化后的滤波器三维模型如图2所示。

滤波器的三维模型自上而下共七层,第一层是矩形小块,用以显示器件的上下层,矩形小块所在面为上,第二层和第七层为接地层,第三层为耦合U形结构,第四层为加载电容层,第五层为主谐振层,第六层为第一谐振与第六谐振间的交叉耦合电容。器件的四周加有金属屏蔽盒,不仅可以防止外界的电磁干扰和内部能量的外向辐射,还可以保护电路,便于安装插头以及与其他器、部件的固定。仿真测试结果如图3所示。

由图3可知,中心频率3 400 MHz处的插损为1.85 dB,带宽3 300 MHz以及3 500 MHz处的插损分别为2.7 dB和2.3 dB,电压驻波比≤1.4,频率在3 200 MHz时,带外衰减为33.1 dB,频率在3 720 MHz时,带外衰减为35 dB。性能优良,选择投入生产加工,进行实物测试。

3实物生产与测试曲线

软件仿真优化完成后,依照设计参数交付生产线进行加工制造,并获取实物测试曲线图。此款LTCC带状线型带通滤波器最终产品体积为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,选择相对介电常数为13.3、介质损耗角为tanθ=0.000 58的陶瓷材料进行填充,测试结果如图4所示。

由图4可知,此款带通滤波器的带内插损最大值为3.4 dB;频率为3 200 MHz时,带外抑制为30 dB,频率为3 720 MHz时,带外抑制为20 dB;驻波优于1.7。实物制造与测试结果均验证完毕,此款带通滤波器不仅实现了小型化的预期,性能上也完全优于设计指标,达到了实验目标。

4结论

为了实现小型化、高性能的带通滤波器,本次研究基于LTCC技术,选用了带状线型结构进行设计,在六级谐振的基础上进行优化。通过插入Z字形结构的方式进行交叉耦合以添加传输零点,提高边带陡峭度;插入U形结构,用以加强相邻谐振级之间的磁耦合效应。软件仿真及优化后的测试结果优于设计指标,允许投入生产制造。实物完成后的体积仅为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm,满足小型化的初衷。测试结果均优于设计指标并留有余量。综上,此款LTCC带状线型带通滤波器体积小、重量轻、易生产、性能优,是一款非常实用的带通滤波器,并可大量投入生产,此次研究圆满达成目标。

参考文献

[1] 赵文昌,刘强,陈录根,等.基于转差分频原理的挖掘机节能控制方法研究[J].微型机与应用,2013,32(10):6162,65.

[2] SONG H S, LEE Y S. A miniaturized 2.4 GHz band multilayer bandpass filter using capacitive loaded quarter wavelength slowwave resonator[C]. IEEE MTTS International. Microwave Symposium. Digest, 2003:515518.

[3] 李宝山.边带陡峭LTCC滤波器的设计与研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[4] 夏红,徐自强,王浩勤. LTCC带通滤波器的设计[J]. 电子科技大学报, 2008(S1):4749.

[5] 李章涛. 双传输零点LTCC带通滤波器的设计与仿真. 中国电子科学研究院学报, 2010,4(5):209212.

[6] JENG Y H. CHANG S F R, LIN H K.A high stopbandrejection LTCC filter with multiple transmission zeros[C]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006,54(3):633638.

[7] 李玲玲.移动通信系统中频率复用方案理论探讨[J].微型机与应用,2013,32(11):7072.

[8] DAVID M P. Microwave engineering [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.


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