陳依軍 袁 野

成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 四川 成都 610097

濾波器是電路中一個(gè)重要的組成部分,尤其是在通信或是雷達(dá)系統(tǒng)中,對(duì)信號(hào)的頻率選擇性要求較高,如果濾波性能不佳,很容易導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象的發(fā)生,因此性能優(yōu)異的濾波器可以改善整個(gè)系統(tǒng)的性能[1]。低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò),但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。微帶濾波器因其體積小、便于集成等優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)中被廣泛使用,低通微波濾波器是雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等必不可少的組成部分,一般被用來(lái)抑制器件產(chǎn)生的高次諧波和其它有源器件產(chǎn)生的高頻噪音信號(hào)。文獻(xiàn)[2]是基于切比雪夫函數(shù)原型,在微帶短截線(xiàn)理論的基礎(chǔ)上采用高低阻抗線(xiàn)方式設(shè)計(jì)的一款通帶頻率范圍為0-6GHz的低通濾波器,通帶內(nèi)衰減小于3dB,在8GHz衰減大于20dB。該方法設(shè)計(jì)的濾波器一方面尺寸較大,過(guò)渡帶較寬,另一方面由于相鄰耦合線(xiàn)阻抗差距太大而導(dǎo)致不連續(xù),帶內(nèi)插入損耗較大。文獻(xiàn)[3]采用半圓型缺陷地結(jié)構(gòu)單元和圓型階梯阻抗并聯(lián)枝節(jié)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出的寬阻帶低通濾波器,3dB截止頻率為2.7GHz,阻帶為4-15GHz。該方法設(shè)計(jì)的濾波器在縮小尺寸的同時(shí)也提升了帶外抑制性能,但設(shè)計(jì)加工較為復(fù)雜,對(duì)加工精度要求較高。文獻(xiàn)[4]采用橢圓函數(shù)原型,設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊、插損小、過(guò)渡帶陡峭的高低阻抗線(xiàn)微帶低通濾波器,相比前面兩款在尺寸和帶外抑制性能上都有了不少提高。但是由于仍舊采用的是高低阻抗線(xiàn)方式,尺寸仍然相對(duì)較大,對(duì)目前越來(lái)越小型化的組件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)仍有很大弊端。

本文基于陶瓷薄膜工藝,采用7階橢圓函數(shù)原型設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)緊湊的低通濾波器。陶瓷薄膜工藝采用Al2O3作為襯底基材,其介電常數(shù)達(dá)到了9.9,射頻性能優(yōu)異,尤其是溫度系數(shù)很小,邊帶隨高低溫變化產(chǎn)生的溫漂很小,非常適合現(xiàn)代微波射頻器件應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)中將橢圓函數(shù)原型中的集總參數(shù)用分布參數(shù)直接代替,設(shè)計(jì)思路清晰明了。將串聯(lián)電容、并聯(lián)電容和并聯(lián)電感用交指電容、平行板電容和細(xì)長(zhǎng)微帶線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)分別替代,并進(jìn)行全波仿真優(yōu)化,最終設(shè)計(jì)了一款小型高性能該濾波器。通帶頻段為DC-3.5GHz,回波損耗<-16.5 dB,帶內(nèi)插損為<2.1dB,帶外抑制度好,結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸僅為6.5×4.5mm2。

1 電路設(shè)計(jì)

濾波器的設(shè)計(jì)要求輸入和輸出阻抗均為50Ω,截止頻率3.5GHz,通帶波紋<0.2dB,阻帶邊帶4.2GHz>35dBc。選取橢圓函數(shù)低通濾波器結(jié)構(gòu)形式,要滿(mǎn)足上述設(shè)計(jì)指標(biāo)最少需采用7階結(jié)構(gòu)。7階橢圓函數(shù)低通濾波器原型,如圖1所示。查表獲得橢圓函數(shù)低通濾波器的原型元件值:go=1.0,gL1=1.1726,gL2=0.6107,gL3=0.6906,gC1=0.9923,gC2=0.2380,gC3=1.2898,gC4=1.3153,gC5=1.0545,gC6=0.9385,gC7=0.5937。根據(jù)阻抗變換和頻率變換,可得到實(shí)際LC原件值:C1=0.877p F,C2=0.211p F,C3=1.14p F,C4=1.163p F,C5=0.932p F,C6=0.83p F,C7=0.525p F,L1=2.592n H,L2=1.35n H,L3=1.527n H。

我們使用仿真軟件ADS設(shè)計(jì)優(yōu)化電路原理圖,根據(jù)計(jì)算得到的L和C的理論值,經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化確定最終合適的數(shù)值,在此基礎(chǔ)上著手建立分布參數(shù)模型。

1.1 串聯(lián)電容的設(shè)計(jì) 串聯(lián)電容采用交指電容,如圖2(a)所示,選用0.254mm厚度的Al2O3作為襯底基材,介電常數(shù)為9.9,損耗角正切為0.002,考慮到加工的可實(shí)現(xiàn)性,最小線(xiàn)寬設(shè)置為60um,最小線(xiàn)間距設(shè)置為60um。改變電容的方式主要有兩種:(1)通過(guò)改變交指枝節(jié)的數(shù)目;(2)通過(guò)改變交指枝節(jié)的長(zhǎng)度。采用電磁場(chǎng)仿真軟件可以方便的計(jì)算出模型的電容值,但由于兩邊微帶線(xiàn)寄生參數(shù)的緣故,其對(duì)地會(huì)寄生出到地電容,其等效π模型如圖2(b)所示。以下圖2(b)中C2電容為例,其兩邊的到地電容C1和電容C3就是由于結(jié)構(gòu)本身的寄生參數(shù)引起的。通過(guò)觀察圖1低通濾波器原型可以發(fā)現(xiàn),串聯(lián)電容兩邊恰好有兩個(gè)到地電容存在,寄生電容剛好可以作為兩邊到地電容的一部分存在。這種寄生電容的存在反而方便了電路本身的設(shè)計(jì),可以減小兩邊電容的容值。

圖1 橢圓函數(shù)低通濾波器原理圖

圖2 (a)交指電容模型;(b)交指電容等效電路

1.2 并聯(lián)電容的設(shè)計(jì) 并聯(lián)電容采用圖3所示的平行板到地電容模型,由于襯底基材底部鍍金,可與基板上表面的金屬板形成并聯(lián)到地電容。在4GHz以下由于邊緣寄生影響較小,可以直接忽略,完全等效為一個(gè)到地電容。

圖3 平行板到地電容模型

1.3 并聯(lián)電感的設(shè)計(jì) 觀察圖1中低通濾波器原型中的電感值,發(fā)現(xiàn)其電感值很小,最大只有2.592n H。此種情況下電感可以直接等效為一段細(xì)的微帶線(xiàn)。其模型如果4所示,通過(guò)電磁場(chǎng)仿真軟件可以方便的得到所需的電感值。

圖4 微帶線(xiàn)電感模型

根據(jù)上述對(duì)串聯(lián)電容、并聯(lián)電容和串聯(lián)電感物理模型的分析,可以方便得到各個(gè)原件的初值。但是從實(shí)際設(shè)計(jì)角度考慮,首先應(yīng)該從中間電路元件開(kāi)始,將C4的分布結(jié)構(gòu)物理模型代入到ADS的濾波器模型中,然后重新進(jìn)行優(yōu)化。采用逐個(gè)元件進(jìn)行替換的思路,這樣才能保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和便捷性。采用此設(shè)計(jì)方法最終得到如圖5所示的低通濾波器模型。圖1原理圖中的C1、C3和C5因?yàn)榇?lián)電容寄生到地電容的原因在優(yōu)化中被直接省去。濾波器仿真結(jié)果如圖6所示,濾波器的回波損耗都在-20dB以下,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 陶瓷低通濾波器模型

圖6 陶瓷低通濾波器模型仿真結(jié)果

2 低通濾波器的實(shí)物與測(cè)試結(jié)果

采用厚度為0.254mm的Al2O3陶瓷基板進(jìn)行實(shí)物加工,其介電常數(shù)為9.9,損耗角正切為0.002,最終的實(shí)物加工圖如圖7所示。其測(cè)試結(jié)果如圖8所示,在DC-3.5GHz通帶內(nèi),回波損耗<-16.5dB,邊帶插入損耗<2.1 dB,帶外抑制效果好,在4.15GHz>35 dBc,測(cè)試和仿真結(jié)果吻合的很好,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,濾波器結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸僅為6.5 mm×4.5 mm。

圖7 低通濾波器實(shí)物圖

圖8 低通濾波器測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用橢圓函數(shù)低通原型,基于陶瓷薄膜工藝設(shè)計(jì)了一款DC-3.5GHz小型化高性能低通濾波器,針對(duì)原理圖首先給出了分布參數(shù)模型電容和電感的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)采用交指電容、平行板電容和細(xì)微帶傳輸線(xiàn)的方式分別實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容、并聯(lián)電容和并聯(lián)電感結(jié)構(gòu),并重點(diǎn)分析了串聯(lián)電容的π模型參數(shù)。在此結(jié)構(gòu)中π模型兩邊寄生到地電容不僅影響整個(gè)電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,而是可以直接等效到原型中的到地電容中去,有利于電路尺寸的設(shè)計(jì)減小。其次給出了整體電路模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路,應(yīng)該首先從中間元件可以進(jìn)行逐一替代,每替換一個(gè)元件都要對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化仿真,這樣才能保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和便捷性。最后加工了實(shí)物,通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)物加工圖的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合,證明了設(shè)計(jì)思路的準(zhǔn)確性。該濾波器結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良,具有很高的工程實(shí)踐價(jià)值。