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        一種小型化雙層拓?fù)涞牡屯↙C濾波器*

        2021-11-10 08:08:04雄,張鵬,王
        空間電子技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:插入損耗截止頻率低通濾波器

        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)代無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展,其微波電路結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,性能要求越來越高,體積越來越小,重量越來越輕。在現(xiàn)代無線通信系統(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)對于多個(gè)頻帶的兼容性與頻率的選擇性要求越來越苛刻,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,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,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存儲磁能,電容C存儲電能,當(dāng)存儲的電場能量等于存儲的磁場能量時(shí)電路產(chǎn)生諧振,此時(shí)可以使通帶范圍內(nèi)的信號幾乎無衰減地通過,抑制帶外信號通過[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時(shí),輸出信號的幅度下降到其最大值0.707倍對應(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)

        相對帶寬(FBW):用來表示濾波器的帶寬:

        FBW=(f2-f1)/f0

        (3)

        插入損耗(IL):信號經(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,對于低通濾波器[9]:

        LAr=10log

        (7)

        其中n對應(yīng)濾波器的階數(shù)。

        對于本文設(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)的信號幾乎無衰減地通過,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引線和過孔對應(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)的場解器,能計(jì)算任意形狀三維無源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)和全波電磁場,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,通過上下層表面穿孔,過孔的導(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。對于成品PCB電路,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器的具體參數(shù)進(jìn)行測試。

        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,接下來對濾波器進(jìn)行測試,其具體參數(shù)如圖4所示。

        從網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試結(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)分析儀的測試結(jié)果與在電磁仿真軟件得出的仿真結(jié)果相對比,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 濾波器仿真與測試結(jié)果對照圖

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

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

        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。通過對試驗(yàn)結(jié)果的對比分析,測量結(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。

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