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        毫米波段LTCC濾波器的小型化設(shè)計(jì)

        2013-12-30 09:48:38劉玲玲
        電子器件 2013年4期
        關(guān)鍵詞:層高傳輸線濾波器

        丁 勇,劉玲玲

        (1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,南京210094;2.中國電子科技集團(tuán)第十六研究所,合肥230043)

        濾波器在現(xiàn)代射頻、微波系統(tǒng)中是不可缺少的元件,而隨著通信系統(tǒng)對濾波器小型化、高性能的要求,LTCC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]。平面平行耦合線微帶帶通濾波器采用窄邊耦合,雖然容易制作,但占用面積較大[2-4],隨著LTCC工藝的日益成熟,利用LTCC技術(shù)使得耦合線向Z維度(采用寬邊耦合)集成能大大減小其占用面積[5-6],但又由于采用寬邊耦合,耦合強(qiáng)度較大適合做寬帶濾波器[7],若設(shè)計(jì)窄帶濾波器,為減小層與層之間的耦合,則不得不增加層與層之間的間距,使得Z維度較大,反而增大了濾波器的體積,而實(shí)際上LTCC的工藝可以使層間距可以做到很小。為充分利用LTCC工藝的優(yōu)點(diǎn),縮小Z維度上的大小是有必要的。為此,我們提出新型寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元。

        1 結(jié)構(gòu)單元及奇偶模分析

        1.1 新型寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元

        由此我們提出了一種使用類共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的LTCC帶通濾波器以減小Z方向的大小。通過在帶狀線兩側(cè)鋪上接地板,該結(jié)構(gòu)是改進(jìn)型帶狀線結(jié)構(gòu),帶狀線和兩側(cè)的地也產(chǎn)生了電容,增加了耦合傳輸線和地之間的電容,同時(shí)可有效減弱電磁串?dāng)_,新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

        圖1 提出的新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)

        1.2 奇偶模分析

        耦合傳輸線的理論已經(jīng)相當(dāng)成熟,該新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)的奇偶模分析可采用經(jīng)典的分析方式[8],奇模激勵(lì)下電場分布和等效電容網(wǎng)絡(luò)分別如下圖2(a)、圖2(b)所示。

        圖2 新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)的奇模激勵(lì)

        C12代表帶狀線導(dǎo)體之間的電容,C11和C22分別表示兩帶狀線和地之間的電容(包括上下地和左右地之間的電容)。

        分析時(shí)假設(shè)帶狀線的尺寸相等,且它們相對于接地導(dǎo)體之間的位置是相等的,即C11=C22;并假設(shè)該結(jié)構(gòu)傳輸TEM波,則奇偶模的相速度是相等的。對于奇模的特性阻抗是:

        現(xiàn)考慮偶模激勵(lì),偶模激勵(lì)下電場分布如圖3(a)所示,等效電容網(wǎng)絡(luò)如圖3(b)所示。

        圖3 新型耦合傳輸線LTCC單元結(jié)構(gòu)的偶模激勵(lì)

        同樣假設(shè)這兩個(gè)帶狀線導(dǎo)體在尺寸上和位置上

        相同,則偶模的特征阻抗是:

        2 單元結(jié)構(gòu)具有較小的Z維度論證

        2.1 理論分析

        耦合傳輸線之間的耦合系數(shù)[9]

        比較傳統(tǒng)帶狀耦合傳輸線和該新型耦合傳輸線知,若它們耦合傳輸線尺寸一樣,之間的距離也一樣,則帶狀線導(dǎo)體之間的電容也即C12=C'12(帶“撇”的表示傳統(tǒng)帶狀耦合傳輸線參量),又由于該新型耦合傳輸線與地之間的距離相比傳統(tǒng)耦合帶狀線大大縮小,再加上和兩側(cè)地之間形成的電容,則C11=C22>C'11=C'22,則kij<k'ij。即同樣層與層之間的距離,該新型耦合傳輸線耦合系數(shù)更小??紤]到對某耦合線,耦合系數(shù)越大和層與層之間的距離越小,因此,實(shí)現(xiàn)同樣的耦合強(qiáng)度,新型耦合傳輸線使用的距離將大大縮小,即減小了Z維度上的大小。

        另一方面耦合線特性阻抗[8]:

        在耦合線兩側(cè)加地后,Ce不變,由于和兩側(cè)地之間的電容,Co將變大,特性阻抗Z0將變小,為保證50 Ω的特性可行的方式是減少耦合線的寬度,這樣耦合線之間的容性耦合強(qiáng)度減小,事實(shí)上也能夠減小Z方向上的大小。

        2.2 HFSS仿真驗(yàn)證

        其他條件不變下,通過增加兩側(cè)的接地面以及縮小帶狀線與兩側(cè)地之間的距離來減小帶狀線之間的耦合系數(shù)。耦合傳輸線之間的距離保持不變,如圖4(a),耦合系數(shù)隨兩側(cè)地與帶狀線之間距離(有無)變化,w表示帶狀線和地之間的距離(其中w=0.9時(shí)表示兩側(cè)沒有地),h表示層之間的距離。

        可以圖4(b)看出,當(dāng)h一定時(shí),通過在帶狀線兩側(cè)有地時(shí),隨著帶狀線和地之間的距離w減小,耦合系數(shù)k大大減小,即當(dāng)兩側(cè)地距帶狀線的距離越近,耦合系數(shù)越小,且該距離越近,減小得越快。另外,w帶狀線和地之間的距離一定時(shí),當(dāng)層高h(yuǎn)增大時(shí),耦合系數(shù)也是減小的,這與理論推導(dǎo)是一致的。所以為減小耦合系數(shù)k,又要不增加濾波器Z-維度上的體積,應(yīng)盡量縮小兩側(cè)地距帶狀線的距離。

        舉例說明,采用傳統(tǒng)帶狀線實(shí)現(xiàn)濾波器,即帶狀線兩側(cè)沒有地,對應(yīng)圖4(b)即w=0.9 mm,若用層高h(yuǎn)=0.25 mm實(shí)現(xiàn)耦合,耦合系數(shù)k=0.34;若耦合帶狀線兩側(cè)加地,若采用層高h(yuǎn)=0.15 mm,則w=0.35 mm,亦可實(shí)現(xiàn)耦合系數(shù)k=0.34,但層高h(yuǎn)只有0.15 mm,Z方向上的維度減少了57%,且濾波器是基于耦合矩陣的,所以濾波器性能并沒有變,卻大大降低了Z維度的大小,若按照現(xiàn)有的加工工藝,w最小可取0.1 mm,因此這個(gè)層高h(yuǎn)還可以減少。

        圖4 新型耦合線LTCC單元結(jié)構(gòu)

        通過寬邊耦合制作窄帶濾波器需要較小的耦合系數(shù),因而層高h(yuǎn)較大,兩測加地可大大減小層高h(yuǎn),因此該新型耦合線單元結(jié)構(gòu)使用在窄帶濾波器比寬帶濾波器更具有明顯的效果。

        由于可以通過改變帶狀線和地之間的距離w來控制耦合系數(shù),比原來僅能通過改變層高h(yuǎn)和錯(cuò)位方式改變耦合系數(shù)k增加了設(shè)計(jì)維度,提高了設(shè)計(jì)靈活性。

        但由于LTCC工藝限制,這個(gè)距離不可能無限小,根據(jù)不同的加工工藝,應(yīng)盡可能小,達(dá)到最大程度減小Z方向上的電路尺寸的目的。

        3 設(shè)計(jì)實(shí)例

        設(shè)計(jì)了7級耦合傳輸線結(jié)構(gòu),中間一級四分之一波長短路線的目的是方便進(jìn)行LTCC立體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),其平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖5所示。

        利用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS可得到上文設(shè)計(jì)的新型耦合線帶通濾波器,尺寸如下:從下到上的高度依次是h1=h6=0.09 mm,h2=h5=0.24 mm,h3=h4=0.35 mm,所有耦合線長度L=1 mm,寬度w=0.1 mm,厚度T=0.01 mm,介電常數(shù)為4.5,介質(zhì)損耗角正切為0.002,帶狀線和兩側(cè)地之間的距離w=0.1 mm,濾波器體積僅為 4 mm×1.4 mm×0.4 mm。從圖6(b)中可以清楚地看到,由于交叉耦合,新型濾波器的頻率響應(yīng)仿真曲線在10 GHz和53 GHz處分別出現(xiàn)一個(gè)傳輸零點(diǎn),3 dB帶寬1.2 GHz,插入損耗2.5 dB,且衰減可達(dá)到70 dB以上,回波損耗S11<-15dB。由此可見,新型濾波器在減小體積的同時(shí),也獲得了較好的頻率選擇特性,如下圖6所示。

        圖5 平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        圖6 HFSS模型及仿真結(jié)果

        4 結(jié)論

        本文提出了一種寬邊耦合LTCC結(jié)構(gòu)單元,并進(jìn)行了多級LTCC帶狀線帶通濾波器的設(shè)計(jì),仿真結(jié)果較好。新型LTCC濾波器結(jié)構(gòu)單元在有效減小濾波器體積的同時(shí),由于采用多層結(jié)構(gòu)引入交叉耦合在通帶兩側(cè)各產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn),獲得了更加優(yōu)越的頻率選擇特性。新型濾波器無論在體積上、還是在性能上都優(yōu)于傳統(tǒng)濾波器。

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