陳 雄，張 鵬，王 玲

(天津大學(xué) 微電子學(xué)院，天津 300072)

0 引言

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，其微波電路結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，性能要求越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕。在現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中，高性能的濾波器器件依然是不可或缺的一部分，通信系統(tǒng)對(duì)于多個(gè)頻帶的兼容性與頻率的選擇性要求越來(lái)越苛刻，此時(shí)需要濾波器具備更高的阻帶抑制與寬阻帶性能[1]。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，微波以及毫米波濾波器正朝著小型化、高頻帶寬化、集成化方面快速發(fā)展。同時(shí)，在空間航天技術(shù)中，航天器和基站中對(duì)濾波器的要求極為苛刻，其性能要求較高，體積要求較小，因此高集成度和高性能濾波器成為發(fā)展的方向[2]。

集總元件和分布元件是微波以及毫米波濾波器的主要設(shè)計(jì)形式，集總參數(shù)元件尺寸小、價(jià)格低、可實(shí)現(xiàn)寬帶，目前仍然具有極大的優(yōu)點(diǎn)[3]。本文主要研究了一種結(jié)構(gòu)新穎、性能獨(dú)特的LC低通濾波器，并提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法[4]。相較于傳統(tǒng)的LC低通濾波器[5]，本文采取了雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在盡量小的空間內(nèi)布局盡量多的LC元器件，使得其整體結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的單層結(jié)構(gòu)體積較小，并且其性能優(yōu)越，適用于空間航天等對(duì)于濾波器體積與性能有著苛刻要求的環(huán)境中[6]。本文設(shè)計(jì)的濾波器仿真結(jié)果很好，并把其中濾波器進(jìn)行了加工實(shí)測(cè)，結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較好，有廣泛的工程應(yīng)用前景。

1 電路模型與理論基礎(chǔ)

1.1 LC濾波電路

LC濾波器是一個(gè)選頻電路，電感L存儲(chǔ)磁能，電容C存儲(chǔ)電能，當(dāng)存儲(chǔ)的電場(chǎng)能量等于存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能量時(shí)電路產(chǎn)生諧振，此時(shí)可以使通帶范圍內(nèi)的信號(hào)幾乎無(wú)衰減地通過(guò)，抑制帶外信號(hào)通過(guò)[7]。LC濾波器為微波濾波器如螺旋濾波器、微帶濾波器及腔體濾波器等提供理論基礎(chǔ)[8]。通常濾波器有以下基本指標(biāo)：

截止頻率：是指給濾波器輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)的幅度下降到其最大值0.707倍對(duì)應(yīng)的頻率，也即是-3 dB點(diǎn)處。低通和高通濾波器分別有一個(gè)截止頻率，對(duì)于帶通和帶阻濾波器，則是上截止頻率和下截止頻率。

中心頻率(f0)：上截止頻率f2和下截止頻率f1求得均值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為：

f0=(f1+f2)/2

(1)

帶寬(BW)：是指頻段寬度，即：

BW=f2-f1

(2)

相對(duì)帶寬(FBW)：用來(lái)表示濾波器的帶寬：

FBW=(f2-f1)/f0

(3)

插入損耗(IL)：信號(hào)經(jīng)濾波器傳輸時(shí)，功率的損耗為：

(4)

Pout是輸出功率，Pin是輸入功率，|Γin|是輸入端的反射系數(shù), 插入損耗可用S21表示。

回波損耗(RL)：是指濾波器和其他器件連接時(shí)由于內(nèi)部阻抗不匹配，用以描述信號(hào)反射強(qiáng)弱的參數(shù)：

(5)

Pr是反射功率，回波損耗也可以用S11表示。

帶內(nèi)波紋(LAr)：是指通帶內(nèi)插入損耗隨頻率的變化量。

1.2 濾波器響應(yīng)

在插入損耗法中，濾波器響應(yīng)是由插入損耗定義的，即由式(4)決定，Γin是輸入端的反射系數(shù)：

(6)

其中ω為變量頻率，ω1為濾波器的截止頻率。

當(dāng)濾波器的階數(shù)已經(jīng)確定，如果指標(biāo)中最關(guān)鍵的是帶內(nèi)插損，那么最平坦響應(yīng)濾波器就是最優(yōu)選，對(duì)于低通濾波器[9]：

LAr=10log

(7)

其中n對(duì)應(yīng)濾波器的階數(shù)。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的LC低通濾波器，其設(shè)計(jì)面向?qū)τ隗w積、插入損耗等參數(shù)有著較高要求的環(huán)境[10]。本文通過(guò)調(diào)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得體積縮小，此時(shí)關(guān)鍵的指標(biāo)就是帶內(nèi)插損，因此巴特沃斯型響應(yīng)完全符合條件，所以選擇此種響應(yīng)方法。選擇歸一化低通濾波器原型電路[11]，根據(jù)歸一化濾波器設(shè)計(jì)表，可得歸一化低通濾波器原型電路，假定其源阻抗為1 Ω，截止頻率為ω1=1，源電阻g0=1，此時(shí)：

(8)

gk為電感或者電容的值，gn+1為負(fù)載電阻，此時(shí)各電容電感的值為：

g1=0.347 3，g2=1.000 0，

g3=1.532 1，g4=1.879 4……

LC低通濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基于LC濾波電路產(chǎn)生諧振，可以使通帶范圍內(nèi)的信號(hào)幾乎無(wú)衰減地通過(guò)，符合其設(shè)計(jì)要求。各個(gè)諧振節(jié)的電容電感值如圖1所示。

圖1 低通濾波器電路原理圖

2 電路仿真與試驗(yàn)測(cè)試

本文旨在實(shí)現(xiàn)一種寬阻帶、雙層結(jié)構(gòu)的LC低通濾波器。提出的濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，該電路是由8個(gè)串聯(lián)電感和8個(gè)并聯(lián)電容組成的LC 低通濾波器。

2.1 ADS模型仿真

基于圖1所提出的低通濾波器電路原理圖，借助電路仿真軟件ADS，進(jìn)行濾波器的建模與仿真。根據(jù)ADS仿真軟件選擇巴特沃茲類型后，建立仿真原理圖，如圖1所示，對(duì)濾波器進(jìn)行仿真分析[12]，掃描頻率設(shè)置為100 MHz～4 000 MHz，頻率間隔1 MHz。

2.2 HFSS模型建立與仿真

相較于傳統(tǒng)的LC低通濾波器，本文采取了雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]，在ADS中進(jìn)行的是二維平面上的仿真，因此接下來(lái)在HFSS中進(jìn)行三維模型的設(shè)立，為盡可能的縮小空間，將之前確定的電子元件進(jìn)行折疊式排布[14]，使得其占據(jù)空間較小，其平面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電感的分布如圖2所示，其中8個(gè)電感分布在上層表面上，以折疊式排列，這樣在20 mm長(zhǎng)度的PCB板上，可以容納近兩倍數(shù)量的電子元器件，使得濾波器實(shí)現(xiàn)小型化、集成化[15]。

根據(jù)所采用的電感和電容資料，可以計(jì)算出電感和電容的寄生參數(shù)。同時(shí)考慮實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中的PCB引線和過(guò)孔對(duì)應(yīng)的等效電感，需要進(jìn)一步優(yōu)化仿真，電磁仿真軟件HFSS具有精確自適應(yīng)的場(chǎng)解器，能計(jì)算任意形狀三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場(chǎng)，優(yōu)化部件的性能指標(biāo)，并進(jìn)行容差分析[16]。

(a) 頂層電感示意圖

(b) 底層電容示意圖

電容分布在下層表面上，其排列結(jié)構(gòu)與電感相同，電感與電容之間的連接，通過(guò)上下層表面穿孔，過(guò)孔的導(dǎo)線進(jìn)行串聯(lián)。在HFSS中進(jìn)行三維模型的建模，通過(guò)此種排列方式，使得其整體結(jié)構(gòu)縮小。并且在該低通濾波器兩端，添加具備SMA接口的焊盤，引腳間距4.2 mm，引腳長(zhǎng)度4 mm。進(jìn)行濾波器的仿真分析，掃描頻率為100 MHz～4 000 MHz，頻率間隔1 MHz，其仿真結(jié)果與理論計(jì)算值相符合。

3 濾波器實(shí)物測(cè)試

根據(jù)上節(jié)中優(yōu)化得到的濾波器結(jié)構(gòu)，進(jìn)行下一步工作，完成LC低通濾波器的制作加工。對(duì)于成品PCB電路，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器的具體參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)仿真軟件設(shè)計(jì)所加工的濾波器如圖3所示，此LC濾波器采取4層PCB結(jié)構(gòu)，電感和電容元器件分別焊接在上表面與下表面，接下來(lái)對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試，其具體參數(shù)如圖4所示。

從網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果圖可以看出，其濾波器實(shí)物的工作指標(biāo)為：在0 MHz～800 MHz通帶內(nèi)，濾波器插入損耗小于1.5 dB。頻率大于1 000 MHz時(shí)，阻帶的損耗大于40 dB。

(a) 頂層電感實(shí)物圖

(b) 底層電容實(shí)物圖

同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果與在電磁仿真軟件得出的仿真結(jié)果相對(duì)比，可以看出，在HFSS得到的仿真結(jié)果為：在0 MHz～800 MHz通帶內(nèi)，濾波器的插入損耗小于1.5 dB。當(dāng)頻率大于1 000 MHz，帶外大于50 dB。實(shí)物的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，符合其設(shè)計(jì)要求。

圖4 濾波器仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)照?qǐng)D

通過(guò)對(duì)比所加工的濾波器，與網(wǎng)上的現(xiàn)有設(shè)計(jì)的廠家的成品相對(duì)比，如表1所列：

表1 與現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的性能對(duì)比

可以看出所加工的濾波器與市面上的部分濾波器參數(shù)大致類似，然而其封裝體積為20 mm×15 mm×10 mm，其體積遠(yuǎn)小于市面上的濾波器成品，在較小的體積要求下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的性能。所以具有低成本、高集成度、高性能的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文從理論上研究了濾波器的原理與設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，提出了一種雙層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低通濾波器模型，通過(guò)電感與電容的連接導(dǎo)線折疊，使得在盡量小的空間內(nèi)布局盡量多的LC元器件，使得其整體結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的單層結(jié)構(gòu)濾波器體積縮小一半左右。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算、仿真值吻合較好，驗(yàn)證了模型的正確性。本文設(shè)計(jì)的低通濾波器具有小型化、高頻帶寬化、集成化的優(yōu)點(diǎn)，適用于空間航天等對(duì)體積、插入損耗等有著較高要求的環(huán)境，同時(shí)其成本較低，易于加工，有廣泛的工程應(yīng)用前景。