柯皓文,謝建明,李俊生
(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院,江蘇 鹽城 224051)
高通濾波器廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、電子對(duì)抗等信息領(lǐng)域中,是必不可少的重要元件之一。在微波電路的設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的高通濾波器只能采用平面工藝,電感的設(shè)計(jì)是比較容易的,而難點(diǎn)在于串聯(lián)電容的設(shè)計(jì)。而低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝采用的疊層工藝、三維布局的方式使尺寸很小的濾波器成為可能。近些年來,基于LTCC工藝設(shè)計(jì)的濾波器得到了廣泛的關(guān)注。在2007年謝成民等對(duì)LTCC多層基板傳輸線反射進(jìn)行了研究分析[1]。2013年,牛曉威等對(duì)基于LTCC技術(shù)的方形平面電感進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析[2~4]。2016年,李永彬等和陳媛等設(shè)計(jì)了一款小型化LTCC高通濾波器[5,6]。本文設(shè)計(jì)的高通濾波器以7階切比雪夫高通濾波器為原型,具有體積小、重量輕、選頻性能好、溫度穩(wěn)定性高等特點(diǎn),并且可加工成貼片元件形式,便于與其他微波組件集成,另外,由于該濾波器是基于LTCC工藝,加工成本低,有利于批量生產(chǎn)。
根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)確定采用7階L-C模型。技術(shù)指標(biāo)為:截止頻率大于2 GHz,2.5 GHz~4.0 GHz插入損耗小于2 dB,駐波系數(shù)小于1.5,DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB。圖1為濾波器總參數(shù)電路圖,通過電路設(shè)計(jì)軟件ADS可以得到每個(gè)元件(電感和電容)的初始值。
利用全波仿真軟件HFSS構(gòu)建了三維實(shí)際器件模型。由于器件在微波階段的實(shí)際計(jì)算公式運(yùn)算復(fù)雜且過于耗費(fèi)時(shí)間,所以初步設(shè)計(jì)時(shí)使用了近似公式算出大致需要的電容、電感近似尺寸。電容的近似公式(1)使用的是低頻工作時(shí)的公式,電感的近似公式(2)是平面螺旋電感的感值公式,如下所示。

(1)

(2)
公式(1)中n為電容需要的層數(shù);ε0為真空中的介電常數(shù);εr是低溫共燒陶瓷介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);s是上下電極間的正對(duì)面積;d是上下極板間的距離。公式(2)中l(wèi)是電感有效長度;w是構(gòu)成電感的微帶線寬度;t是單層導(dǎo)線的厚度。

圖1 濾波器電路原理
高通濾波器等效電路的仿真中,出了得到各元器件的集總參數(shù)值,根據(jù)其值的大小可以設(shè)計(jì)LTCC埋層電容和埋層電感。
LTCC埋層電容的設(shè)計(jì)也主要有兩種,一種是金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu),另一種是垂直交指(VIC)結(jié)構(gòu)。由于VIC結(jié)構(gòu)的電容是由多層金屬板構(gòu)成的,這種形式構(gòu)成的電容的品質(zhì)因數(shù)(Q)值沒有MIM形式的高,因此設(shè)計(jì)者只采用MIM形式實(shí)現(xiàn)電容的設(shè)計(jì)。
電感的設(shè)計(jì)采用垂直螺旋電感和平面螺旋電感兩種形式。難點(diǎn)在于電容的設(shè)計(jì),因?yàn)閷?duì)通帶帶寬影響最大的是輸入輸出之間串聯(lián)電容的品質(zhì)因數(shù)。如果采用的LTCC陶瓷介質(zhì)的介電常數(shù)太小,則實(shí)現(xiàn)同樣容值電容的平行極板的面積就很大,面積很大的平板電容使得高通濾波器的通帶駐波特性變差,通帶帶寬也減??;然而如果構(gòu)成螺旋電感的陶瓷基板的介電常數(shù)太大,則螺旋電感(尤其是垂直螺旋電感)兩端寄生的并聯(lián)電容就會(huì)很大,大的寄生電容使高通濾波器的通帶特性變差。
通過上述方法可以得到電路中所需的集總參數(shù)元件值(電容和電感),由于電路仿真軟件ADS計(jì)算時(shí)沒有考慮元件之間的耦合效應(yīng),其實(shí),隨著頻率的升高元件之間的耦合不能忽略,因此我們采用全波仿真軟件HFSS對(duì)已建立的模型重新進(jìn)行優(yōu)化仿真,通過改變各元件之間的相對(duì)位置,降低或消除不必要的耦合。從而獲得高通濾波器結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 高通濾波器三維模型
高通濾波器仿真調(diào)試后所得S參數(shù)曲線如圖3所示,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 濾波器的S參數(shù)曲線
濾波器的加工是采用LTCC傳統(tǒng)加工工藝制作而成,濾波器使用的介質(zhì)材料的介電常數(shù)為14,介質(zhì)損耗角正切為0.002。圖4為濾波器實(shí)物圖,其中外形尺寸為4.0 mm×2.0 mm×1.0 mm。
傳統(tǒng)的加工工藝對(duì)濾波器性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響,例如疊片工藝和填孔工藝,工藝優(yōu)良直接影響平板電感的電感值和電容的電容值,也會(huì)導(dǎo)致接地通孔之間的錯(cuò)位,也會(huì)導(dǎo)致寄生電感的增加。因此在濾波器生產(chǎn)過程中,采用高精密自動(dòng)疊片機(jī),以提高疊片精度。經(jīng)分析,由于濾波器的集總元件電容采用的結(jié)構(gòu)是平板型(即上下平板重合面積偏差而變小),因此電容值也相應(yīng)變小。另外,填孔工藝會(huì)對(duì)濾波器電感有影響,即在填孔時(shí)每張瓷帶垂直通孔的表面形成一個(gè)較大的圓形焊盤,從而導(dǎo)致通孔的等效串聯(lián)電感變小,這些因素最終導(dǎo)致諧振頻率變大。不過在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮到工藝的偏差,仿真結(jié)果都留有一定的余量,最終實(shí)測結(jié)果仍達(dá)到技術(shù)要求:截止頻率大于2 GHz,2.5 GHz~4.0 GHz插入損耗小于2dB,駐波系數(shù)小于1.5,DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB,和仿真結(jié)果一致。

圖4 濾波器實(shí)物

圖5 測試結(jié)果
設(shè)計(jì)了一種基于LTCC工藝的高通濾波器,首先利用電路仿真軟件ADS提取各器件大致參數(shù),再電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化濾波器各元件值的大小與相對(duì)位置,測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,并滿足技術(shù)指標(biāo),截止頻率大于2 GHz,2.5 GHz~4.0 GHz插入損耗小于2 dB,駐波系數(shù)小于1.5,DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB。