LTCC微波带通滤波器集总电路和微带结构的研究(硕士论文)(可编辑)

LTCC微波带通滤波器集总电路和微带结构的研究(硕士论文)(可编辑) LTCC微波带通滤波器集总电路和微带结构的研究(硕士 论文) 浙江工业大学硕士学位论文 微波带通滤波器集总电路和微带结构的研究 摘 要 随着微电子信息技术的迅猛发展,电子整机、通讯类产品迅速向小、轻、薄的方向发 展,促使了电子元件也趋于微型化、集成化和高频化。以低温共烧陶瓷技术 . ,为基础的层叠结构具有体积小、成本低、性能可靠等优点,在滤波 器、振荡器、混频器、天线等方面获得了广泛应用。 本项目是与深圳顺络电子有限公司合作,基于工艺,通过场路结合与电磁场仿 真软件辅助的设计方法,研制适于工程需要的小型微波带通滤波器,主要研究内容如下: .折叠线谐振腔的研究。首先运用奇偶模的方法得出了几种耦合微带单元的网络 参量和等效电路。再则利用电路分析与电磁场仿真相结合的方法, 指出由多级谐振腔耦合 而引起的带内谐振频率分离现象,并得到谐振单元的个数与散色参数在通带内极点的 个数相同。最后提出一种折叠线型谐振腔,可将/均匀微带线谐振腔缩小 到.左右来实现.的中心频率,缩小器件的体积。 .滤波器集总电路的设计。包括滤波器的通带设计、阻带设计、端口设计和电路综 合四个部分。采用传统的切比雪夫型滤波器设计方法设计通带。在阻带设计上,从信号传 输的角度分析电路得出传输零点的形成原理,利用单级谐振腔串联电容和级间耦合的方式 获得了低阻带的传输零点。在端口设置上给出了二种结构的信号加入方式:抽头式和电容 耦合式。最后综合出二种结构的集总电路形式,并证明了该结构在低阻带形成传输零点的 可行性。 .带状线滤波器的建模。微波器件小型化以后,谐振腔与谐振腔的间距缩小,以致 谐振腔之间、谐振单元的层与层之间的电磁耦合现象变的十分复杂,本文借助电磁场仿真 软件进行模拟,采用多步优化的方法结合电路分析的结果对模型 仿真、调试最终 得到了中心频率为. ,带宽 ,外形尺寸为.×. .,带内插损. ,并且在低阻带产生两个传输零点的滤波器,其性能满足各项技 术指标要求。 关键词:带通滤波器,,折叠线谐振腔,传输零点浙江工业大学硕 士学位论文 月 ?么气 月 、聃 ,., ? , . .圮 : . ,. . ... ., .. . ,,. , , . . ,. . . . . . . ? 浙江工业大学硕士学位论文 . . .. . . , , :浙江工业大学硕士学位论文 论 第章绪 . 微波滤波器的研究背景 微波滤波器是微波系统中用于控制系统频率响应特性的二端口网络,在其通带频率内 对信号现为传输特性,而在其阻带频率内表现为衰减特性,是通讯设备中的重要器件之 一,其性能的优劣往往直接影响整个系统的性能。 为了减小微波器件的体积,适应通信系统的小型化要求,低温共烧陶瓷 技术的研发为通信设备的小型化和便携化奠定了良好的基 础。基于低温共烧陶瓷技术的多层结构陶瓷滤波器是将若干个电感器、电容器以及电阻器 集成到一个陶瓷基体上低温烧制而成【】。该产品广泛用于移动通讯设备及其基站、蓝牙模 块、无线局域网和无绳电话产品中。 滤波器的发展: 年休斯公司开发的一种新型组装技术,包括流延,制陶瓷生带,打孔, 印刷,低温烧结等过程【。将陶瓷粉制成生瓷带,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆并 将多个电子元件埋入多层陶瓷基板中,然后压叠在一起,在下烧 结,制成三维结构 的组件。 年,.提出了多层陶瓷滤波器的概念【。随后.用微带线 的结构实现了多层陶瓷滤波器【】。 年至年村田公司,采用无铁氧体印刷电极电感线圈和与之匹配的在 度以下烧结的介质系统,在高频段获得高值的低电感与低电容值,从而制成了多 层陶瓷微波滤波器。 年,公司开发出以下烧结的银电极低温共烧介质系统,研制成功 以银作为印刷导体的多层陶瓷微波滤波器。 随后几年技术开始被广泛关注,各种谐振腔结构的滤波器被研制,体积逐 渐缩小,滤波性能有所提高,插入损耗减小,提出了带外抑制的方法如:设置传输零点等。 谐振腔由最初的均匀微带线结构到阶梯阻抗谐振腔到折叠线型谐振腔,不断有新的更小体 积谐振腔结构出现。有代表性的如:台湾国立交通大学的. 对微带滤波器做了大 量的研究,分析和设计了各种结构的滤波器,更将微波器由单一通带的功能扩展到双通带 ..浙江工业大学硕士学位论文 滤波功能【】。台湾国立中正大学的. 在设置传输零点上更提出了独到见解将 测试夹具上的通孔加入滤波器结构进行分析得到带外传输零点【。日本的 和 对微波谐振腔做了系统的分析研究。 多层无源滤波器的研究,目前在全球滤波器市场上仍以日本厂商为主,如:村田。 根据台湾产业经济与趋势研究中心的调查资料显示年,村田公司的占有率达 到了%。我国国内在年有器件生产厂商开始引进国外的生产设备,开始研发此类产品, 烧结温度为摄氏度,采用电阻率低的金属金、银、铜做导体材料,主要有中 国电子科技集团第四十三研究所、深圳顺络电子、浙江正原电气有限公司等。开发出来一 系列的产品但我国在材料的研发上还不能生产出系列化的介电常数的材料,各个生产厂商 目前已有的制作工艺有自己的局限性如:通孔技术,共烧技术,叠层的厚度等,因此对滤 波器的设计由于工艺的限制,使设计的自由度减少,这样对结构的设计就比较苛刻。相对 于国外的技术的发展水平国内的研究仍然有很大的差距,因此深 入研究的相关 技术具有重要的现实意义。 .项目介绍 本项目是与深圳顺络电子有限公司合作,设计基于技术的微波带通滤波器。根 据市场需求和自身的工艺水平,提出了如下设计指标参考产品 】:带通滤波器外形尺寸是.×.×.,,中心频率为., 通带内插损小于.,带宽为,其具体的参数如表.所示。其中材料介电常 数,,微带线采用金属银。由于工艺的局限,无法制作通孔,微带线层间距最小达 到。 ? : /\ ,. ,。 ’萝 门、 、 ? 、, , :; . 赫尹 口 图卜外形结构 图.带通滤波器衰减特性曲线浙江工业大学硕士 学位论文 表 带通滤波器设计指标 中心频率 : 带宽 . 通带内插入损耗 。 之阻带衰减 办 芝~ ~ 带内纹波 . . 带内电压驻波比 端口特性阻抗 额定功率 从图?中可以看出在低阻带要求设置二个传输零点来提高阻带特 性增加带外衰减。 中心频率在.属于 ,此频段.. 主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用,该频段是依据美国联邦通讯委员会 ,没有使用授权的限制。.为各国共同的 所定义出来,属于 频段。因此该滤波器可使用在无线网卡,蓝牙,元件上。 .本文的研究内容及意义 本项目是基于湿法覆膜的工艺,在无通孔技术的前提下,由电子陶瓷材料流延成 型工艺、高精度印刷叠层技术及低温烧结技术来设计小型和高性能微波带通滤波器,给出 模型结构,利用仿真软件测试性能指标,以达到批量生产的目的。这一课题的开展研 究是在国内外技术差距比较大,国内微波滤波器产业需求量增大,公司加工工艺相对 落后的情况下,利用模型设计来弥补加工工艺的不足,来设计微波带通滤波器。本文的研 究对以后微波滤波器的设计具有一定的参考和借鉴作用。 本文在具体项目的基础上,围绕如何实现微波带通滤波器的小型化和高性能化上进行 设计和研究,并把重点放在带状线结构的滤波器上。在微波滤波 器的研究设计 中,我们首先从单个的谐振单元入手,采用了折叠线性谐振腔结构,研究折叠线形 微带模型与集总电路中电容、电感元件的对应,利用仿真软件分析电磁场分布,结合 ..浙江工业大学硕士学位论文 模型仿真的结果对均匀带状线的等效的电容电感公式加以修正,并将谐振单元用具体的带 状线尺寸实现。然后在采用多级级联的方式实现滤波器,在阻带特性的设计上,根据要求 在低阻带设计二个传输零点,利用极间耦合和引入交叉电容的方式得到。同时可结合集总 电路分析出传输矩阵方程,得参数,分析出传输零点位置。最后完成整体滤波器的电 路设计,并了仿真结果,给出了仿真规律。对得到的滤波器性能进行优化,找出影响 插损、中心频率及带宽的因素,使设计的结果完全满足项目指标的要求。 在多层微波滤波器设计中存在一些难点: 在微带电路设计中采用了阶梯阻抗微带结构,需要考虑边缘效应,这样 在利用由无限长均匀传输线公式来计算时就要做修正【。 器件的小型化,层与层之间距离减小使得金属层之间的耦合更加复杂,除了要 考虑相邻金属层的耦合,隔层之间的耦合也不能忽略。 针对以上问题和研究内容,本论文的主要结构体系如下: 第一章:绪论。简要介绍滤波器的发展进程、现状及前景。然后对本文的研究内 容进行了总结并说明了本文的研究意义。 第二章:技术。系统的介绍了术的制造工艺、技术特点及发展趋势。并提 出了在元件制造过程中,由于收缩率和基板散热问题等对设计的影响。 第三章:带状线谐振腔。首先介绍了各种类型的谐振腔结构及适用范围,然后分析了 谐振腔的谐振条件及特性。接着对级联谐振腔间的电磁耦合做了系统的分析,给出了 等效的电路结构。最后提出了一种折叠线性结构的谐振腔,进一步缩小了谐振腔体积, 并对折叠线性结构的谐振腔的特性做了总结。 第四章:带状线滤波器设计。从基本的切比雪夫滤波器低通原型出发,经过频率及元 件变换得到带通原型,考虑到实际微带线结构谐振腔易用一种形式的串联或并联结构实 现,通过变换器变换将带通原型统一成了并联结构。详细介绍了折叠线型皆振单元的 相关尺寸的,并对公式进行了仿真验证,将集总电路图用微带电路实现。其次利 用传输零点的基本形成原理,设计了两个集总电路图并证明了该集总电路能在低阻带实现 二个传输零点的可行性。 第五章:带状线滤波器的实现及仿真。将集总电路模型用具体的微带线结实现,并用 软件仿真,利用场路结合的办法,总结出了皆振腔结构滤波器调节的通用规律。 最后设计了中心频率.带通滤波器,仿真结果完全符合项目的指标要求。 第六章:总结与展望。总结本论文的主要研究结果,并对下一步的工作提出几点建议。浙江工业大学硕士学位论文 第章技术 . 的制造技术 是电子封装技术的一种,采用多层陶瓷技术,能够将无源元件内埋置于介质基 板内部同时可以将有源元件贴装于基板表面制成无源/有源集成的功能模块,对各层可以 分别设计、一体烧结,从而实现了三维结构的无源集成组件,可提 高生产效率和成品率, 降低成本,缩小体积。从成本角度考虑,微波元器件的片式化,需要微波介质材料能与熔 点较低、电阻率低的廉价金属或的电极共烧,这就要求微波介质陶瓷材料能与 或低温共烧,为此人们开发出了新型的低温共烧陶瓷技术。 技术目前主要包括设计技术、生磁瓷料带技术和混合集成技术【。生磁瓷 料带技术主要是指四大无源器件材料的低温烧结黑白陶瓷技术,包括电容器陶瓷、电阻器 陶瓷、电感器铁氧体和变压器铁氧体、生磁带材低温共烧“陶瓷/浆”、“铁氧体/ 浆、“铁氧体/子陶瓷/浆’’体系,通过优化设计,采用不同的配料方法可生产出 品种不同、性能各异的生瓷带。 材料是一种玻璃、陶瓷介电材料,并掺有有机填充物,添加有机填充物是考虑 热膨胀原因而控制材料的收缩率,进而获得预期的电气性能【。实现的方法目前 主要有种【: 掺人适量的烧结助剂低熔点氧化物或低熔点玻璃进行液相活性烧结,即陶瓷 玻瑞复合体系。 采用化学法制取表面活性高的粉体。 尽可能采用颗粒度细、主晶相合成温度低的材料。 采用微晶玻璃或非晶玻璃。 这种方法根据材料的不同用途而分别便用,基板材料主要采用第一种和第四 种方法。材料对电路性能起关键作用的主要是介质损耗、介电常数、绝缘电阻和介 质强度,产品性能好坏完全依赖所用材料的稳定性和工艺。 技术流程比较复杂,主要有混料、流延、打孔、填孔、丝网印刷、叠片、等静 压、排胶烧结等主要工序,工艺流程图.如下【】【】:浙江工业大学硕士学位论文 一鎏 》 ?丽辱 ;; 排胶烧结卜??一测试卜??.成品【同‘冒 目? 一回 图工艺流程凰 一鲴母田 以技术制造片式滤波器,陶瓷材料应具备以下几个要求:烧结温度应低于 ,保证能与银、铜等高电导率的金属共烧;介电常数和介电损耗适当,一般要求 值越大越好;陶瓷与内导体相应的热膨胀系数,保证封装的兼容性,陶瓷与内电极材料等 无界面反应,扩散小,相互之间共烧要匹配;谐振频率的温度系数应小等。 . 技术特点及发展趋势 作为一种适用范围很广的高密度封装技术,普遍应用于多层芯片线路模块化设 计巾。目前能将多个不同类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内的方法有多种,主 要有低温共烧陶瓷技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术等。 技术在成本、集成封装、布线线宽和线问距、低阻抗金属化、设计的多样性及优良的高频 性能等方面都显现出众多优点,已成为无源集成的主流技术。与传统的封装集成技术相比 较,具有以下特点四: 根据配料的不同,材料的介电常数可以在很大范围内变动,增加 了电路设 计的灵活性。使用电导率高的金属材料作为导体,可以提高电路的品质因数具有优良的高 频和高速传输特性。 制作线宽可以达到 的细线结构可以实现更多布线层数,能集成的元件种 类多:制作层数高基板层数可咀达到层,易于形成多种结构的空腔;内埋蹙元器件, 免除了封装组件的成本,减少连接芯片导体的长度与接点数,有利于提高电路的组装密度。 可适应太电流及耐高温特性要求,具有较好的温度特性,如:较小的热膨胀系 一一浙江工业大学硕士学位论文 数、较小的介电常数温度系数。基板材料的热导率是有机叠层板的倍,故可简化 热设计,明显提高电路的寿命和可靠性。 与薄膜多层布线技术具有好的兼容性, 二者结合可实现更高组装密度和更好性 能的混合多层基板和混合型多芯片组件。 易于实现多层布线与封装一体化结构, 进一步减小体积和重量,提高可靠性、 耐高温、高湿、冲振,可以应用于恶劣环境。 非连续式的生产工艺,便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查, 有利于提高多层基板的成品率和质量,缩短生产周期,降低成本。 技术已广泛应用于高频无线通讯领域、航空航天工业、军事、存储器、汽车电 子等产业。美国、日本等著名的、、、、、等大公司力推 技术的应用。利用技术,既可制造单一功能元件如电阻、电感、天线、双工器、 滤波器等,还可以整合前端元件,如天线、开关、滤波器、双工器、、率放大器等制 成前端模块,可有效地降低产品重量及体积,达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要 求。产品按技术层次划分,可粗略地分为以下四类: 高精度片式元件:如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等。 无源集成功能器件:如滤波器、定向祸合器、功分器、功率合成器、、天 线、延迟线、衰减器,共模扼流圈及其阵列,抑制器等。 无源集成基板:如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。 功能模块:如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等。 虽然技术有以上提到诸多优点但是它本身也存一些问题,主要是收缩率和基板 散热问题【 】,生产过程中基板与布线共烧时收缩率与热膨胀系数的匹配是一个难 点。在技术应用于高度集成、高性能系统时,由于金属布线的间距非常细小,最小 的在.以下,烧结时布线不能发生明显变形:同时,多层基板上打了许多孔径 很小的信号孔和热通孔.共烧时,如果基板尺寸收缩过大,易导致烧成后的基板表 面不平,分层,内部布线变形及孔的错位,严重影响系统的性能。 再者,由于基板的集成度高、层数多器件工作功率密度高,所以散热问题仍是 一个关键因素。这限制了技术在大型、高度集成、高性能计算系统中的应用.如何 使基片热量及时有效地散发出去,保障器件系统工作的稳定性,是技术所面临的难 题。相信随着以后技术的不断成熟,上述不足会逐步得到解决,技术将会在更多领 域得到广泛的应用。浙江工业大学硕士学位论文 第章带状线谐振腔 .微波传输线谐振腔 微波传输线是用来传输微波信号和微波能量的传输线。按其传输电磁波的性质可分为 三类:传输模的平行双线、同轴线、带状线、微带线;传输模和模的矩形 波导、圆波导等;传输混合模的表面波传输线。其中带状线和微带线可印制在很薄的介质 基片上,其横截面尺寸比波导、同轴线要小得多,其纵向尺寸虽和工作波长可以相比拟, 也可以方便地解决匹配问题。同时整个带状线共用接地板,可以制成多层结构,使整个电 路的结构大为紧凑。因此,带状线结构与微带线、波导、同轴线构成的元件相比,大大地 缩小了体积、较好地解决了小型化问题,是微波电路中最常选用的传输线。 .. 谐振原理 谐振器是由一端短路或两端开路的传输线组成,其电磁场在三个坐标方向均为驻波分 布,此时电磁波在开路端或短路端上全反射,从而发生谐振,能量不能传输具有储能与选 频特性。考虑一条特性阻抗为磊的传输线,如图.所示, 上 三三;三爿。 磊? 图.特性阻抗为的传输线 它的终端连接着阻抗为的负载。假设在输入端处入射电压与反射电压分别为和 一,相应的电流分别为,和厂。传输线输入端的阻抗:乙筹乙而等 与输入端相距,处的输入阻抗,:浙江工业大学硕士学位论文,万丽研 可得: ? 乙黜 传播常数口,对于无耗传输线届,公式.可简化为: 乙揣 由上式可见,在传输线上每隔二分之一波长,磊就周期性地重复一次。即?/在 各点相应的输入阻抗是相同的,其中疗是整数。 由公式分别讨论负载为短路和开路的情况,在,?丁一等,,,刀时,有如 表.的规律【】: 表. 谐振传输线的等效电路参数 兄/ ,兄/ 结构 开路 短路 开路 短路 谐振 串联 串联 并联 并联 , 。 , ,。锄 砒 砒 么。锨 冗死 丘 无% 刀 。 万 万 二’ 万磊%.口 口 ..谐振腔的类型 带状线谐振腔具有小尺寸、易于加工、与其他有源电路元件易于 兼容等优点,在射频 电路中得到了广泛的应用。图展示了谐振腔常见的物理结构:浙 江工业大学硕士学位论文 鱼萝 图均匀传输线谐振脏 亘堕 图螺旋线形谐振腔 幽 型凿振腔 图 各种形式的谐振腔 图在介质基板上生成总长度为半波长的均宽带状导体,具有均匀 特性阻抗的谐 振腔,这种结构简单,易于设计而被广泛应用,但由于结构简单而使设计参数有 限,还存在与本振频率整数倍的杂散响应。 图阶梯阻抗谐振腔是由两个毗上不同特征阻抗的传输线组合而成的横 向电磁场或准横向电磁场模式的谐振腔。谐振腔增加了设计的灵活性、缩小振尺 寸、偏移了高次谐波,己得到了足够的重视。目前谐振器有很多变形,如多阶阶跃 阻抗谐振器,锥形谐振器等。 图是螺旋线性谐振腔,可以在相同面积或空间产生更大电感,主要应用在滤波 器、、天线等的设计中。 ?图是发夹式谐振腔形状象大写的字母,这种结构可以缩小谐振器尺寸,但内 部的耦合较复杂,不易做定量分析,随着电磁场仿真软件的使用,使得数据分析和优化计 算的时间减少,这种结构也得到了应用四。另外还有一些其它形式的谐振腔,也都是这 些常见谐振腔的变形。 . 阶梯阻抗谐振腔 谐振腔的谐振条件及特性 基于节提出的谐振腔的优点,本节对谐振器做了详细的研究四。常见 谐振腔的结构分别有/、,如图所示。浙江工业大学硕士学位论文 图以/谐振腔 图乃/谐振腔 图. 谐振腔 它们都包括短路面,开路面和阶跃阻抗面。舅、幺为左右两部分的电长度、分 别为两部分的特性阻抗。在考虑系统的微型化时,首选以/谐振器。如果忽略阶跃非连 续性和开路端的边缘电容,图输入阻抗,的表达式如下: , 互嗳糍 在时发生谐振,谐振条件为: ? 一 锄岛岛 可得:/锄岛 式中为阶梯阻抗谐振器阻抗率,可以看出的谐振条件取决于岛、岛和阻抗率。 对于均匀阻抗谐振器的谐振条件仅取决于传输线的长度,而要同 时计入长度 和阻抗比,因此比多了一个设计的自由度,更为灵活‘。 设的总电学长度为臼可表示为: 秒岛岛 代入公式?后得: :塑刍竺皇二塑虫 日 . ?。, 口击 一 陋击 ‘切 对谐振腔的电长度,在阻抗率?时有极大值,时有极小值。 当,秒万/时,浙江工业大学硕士学位论文 ?坐乙 . 一屹 当岛?心时口有极小值: 七 。吐鹰 上述表明在上下两部分相等时即,有极小电长度,可通过采用较 小的值 .. 的不连续性 上一节中忽略了的阶跃非连续性和开路端的边缘电容,要获得准确的表达式 必须对此做出分析。它包括两种不连续性:一种是开路端的边缘电容,一种是由传输线中 阶跃阻抗接合面引起的不连续电容。 由开路端引起的电容可以转化成附加的长度,就相当于微带线的开路端向外延伸了一 段距离‘。对于微带线,等效的延伸长度?,可由下式计算: . :些睦 “ 是特性阻抗,是真空中的光速,可以得出边缘电容取决于带线宽度,介质板厚度 以及相对介电系数。滤波器的中心频率?/万?历,电容增大,那么实际产生的中心 频率会比忽略不连续性设计的中心频率小。由平板电容公式占/,可以通过改变谐振 器的宽度和长度的方式来改变电容值。边缘效应转化成附加的长度,因此在设计时可进一 步缩小谐振器的尺寸。 图. 谐振腔及其等效电路 图.所示等效的集总电路图中电感和电容可用下列公式近似得出:浙江工业大学硕士学位论文 .等一鲁器黼灿 厶:忑 ,厶:‰ 其中 ‰乙厍/ 瑚.嗍办旧厨叫 厶竹,是微带线每单位长度的电感,乙,%。分别是特性阻抗和相对介电常数。在 .耦合带状线 许多带状线元件利用了平行导体间所存在的自然耦合,这些元件有定向耦合器,滤 波器,平衡不平衡变换器等。耦合微带线之间的耦合有电耦合、磁耦合以及混合耦创。 图.中给出了几种常见的耦合结构,应用在弱耦合的情况,属于窄边耦合;应用在强耦 合的情况,属于宽边耦合。根据微带线位置的不同,电耦合与磁耦合的强弱不同。对于这 些耦合线的特性可借助于奇、偶模阻抗理论乙和乙来分析,和定义为两条线电 流相等但方向相反的电流时单根线对地的特性阻抗。在谐振频率附近,集总电路模型和分 布式电路模型是等效的,本节将以集总电路模型来分析谐振腔之间的关系,提取耦合系数。 图.多种耦合方式的微带线浙江工业大学硕士学位论文 图以并行的窄边耦合为例,给出了耦合微带线在奇、偶模激励情况下横截面上的 电场结构。 为奇模激励下的奇模场型,其对称面为电壁,为偶模激励下的偶模场型,其 对称面为磁壁。 偶对称的轴 奇对黔的轴 ? ? 图偶模激励 图奇模激励 图.耦合带状线中偶模和奇模的电场结构 .. 电耦合 平行耦合线,两根带线有相同的高度,在只考虑电场的情况下,两带线之间靠电场相 互耦合,可将图.的电场分布看成等效的电容,带线之间的奇模场和偶模场的作用使得 不相连的两个带线相互耦合传递能量。假定两带线相当宽以致每根线左边和右边的边缘场 间的相互作用可忽略。平行耦合带状线的电容分布如图.,带线对地的平板电容、, 边缘电容以及偶模边缘电容、奇模边缘电容。 图.非对称的平行耦合带状线的横截面 该结构中左右带线的总的电容分别为、总的耦合电容为%: ,巳 . 。? :,巳浙江工业大学硕士学位论文 对于对称的平行耦合线有口,我们用集总电路来分析带线的谐振 特性,环形 结构常用来代表谐振腔【,将带线等效为电感和电容构成的电路, 和为自电感和自 电容,是耦合电容,参考值可由公式.得出。。图. 电容耦合的环形 等效电路 从两个参考面和看进去,可以得到两端口网络方程: ‘一.. 厶』?屹一心 ‘, ‘则网络的参数为: 】,:/以 . 一/峨 .托\ 图去电容耦合的等效谐振电路 图,在奇偶模激励下即从参考面上分别插入电壁和磁壁可以得到 两个谐振频率: 四 司雨丽浙江工业大学硕士学位论文 俘。 无司雨面 公式.是奇模激励下,加入相反信号形成电壁,耦合作用的影响增加了单个谐振 腔的容量,电容增大。 公式是偶模激励下,加入同相信号形成磁壁,耦合作用的影响减小了单个谐振 腔的容量,电容减小。与单腔的中心频率五/石?历相比,奇模激励下谐振频率减小, 偶模激励下谐振频率增大,分别位于单腔谐振频率两边。 电容耦合系数为: , 专 屯籍 ..磁耦合 类似电耦合的分析,磁耦合可用图.集总电路来分析,和为自电感和自电容, 是耦合电容。从两个参考面和看进去,可以得到两端网络方程: 戮笺锗 砭,归厶‘图.电感耦合的环形等效电路 端口网络的参数为: :/国三 【.浙江工业大学硕士学位论文 ?一 篱蚕 : ............. 邯 图. 去电感耦合的等效谐振电路 图.,在奇耦模激励下,即从参考面上分别插入电壁和磁壁可以得 到两个谐振频 率: 。 肛司隶面 公式.是奇模激励下,加入相反信号形成电壁,耦合作用的影响减 小了单个谐振 腔的磁通,电感减小。 司丽了 公式.是偶模激励下,加入同相信号形成磁壁,耦合作用的影响增 加了单个谐振 腔的磁通,电感增加。与单腔的中心频率无/万?历相比,电感耦 合作用的存在,使谐 振频率发生了分离,分别位于单腔谐振频率的两边。电感耦合越强则谐振频率分离现象越 严重。 上述奇偶模理论利用产生的电壁和磁壁对二级谐振腔的耦合情况进行了分析,得出在 二级情况下在通带内有两个谐振频率,即奇模谐振频率和偶模谐振频率,但这种理论对多 级耦合的分析及谐振腔用作滤波器设计时耦合对性能参数的影响并不直观。我们换个角度 从等效的集总电路分析,将信号源与负载加入电路,得出电压增益的表达式与耦合强度的 关系以及谐振点位置受耦合程度影响的变化趋势,对于滤波器通带内的调谐具有指导意 义。图.是具有信号源及负载的二级谐振电路,去互感耦合后可得到图.所示等效 的电路。 ? 一国囱甩 图. 由信号源激励的谐振电路 图.去互感等效电路浙江工业大学硕士学位论文 在实际应用虑两级对称电路,即等振等值电路,两级回路谐振频率相同 厶厶三,, 分析图.,可得回路方程如下: ,? 叫?专卜一 。?出去卜缈蚴 令孝:缈三一:由公式,可得该电路的电压增益: 国乙 缈 . 筹一阿.孝/而 式中刁警称为耦合因数,归一化的电压增益的幅频特性为: . 阱一 图.电路的幅频特性图 从图.,可以看出耦合的强弱对电路的电压增益有很大的影响,可 分为三种情况。 微带线模型的仿真图是以频率为横轴,为了和仿真图相类比,可 由公式孝一去换算, 驴 一个孝有一个正的根国相对应,接合图.,可得下列结论: 在/时称为临界耦合,在谐振点%处得最大幅值,在用作滤波器的 谐振单元时,浙江工业大学硕士学位论文 为使通带内插损最小要尽量调节谐振腔间的耦合以达到这种状 态。 在,时称为欠耦合,此时谐振点处对应的幅值下降,滤波器的插损增大。 在是称为强耦合,对应着两个谐振点和哆,谐振器自身的谐振频率‰对应 的幅值处于鼢由岬:宰可以看出耦合越;虽,两个谐振点的间距越大,且两 谐振点关于%左右对称。在强耦合情况下,带宽加大但通带内插损也增加,通带特性变 些 如用微带电路模型来实现,也会出现上述结果,我们将在.节中利用仿真 软件验证改变谐振腔的间距所得到的参数仿真结果同集总电路分析的结果一致。 .. 多级耦合 在滤波器设计中,通常用增加谐振腔的个数来使通带到阻带的过渡更为陡峭,在多级 谐振时,级间耦合就更为复杂。我们以上节中两级谐振的分析为基础来讨论多级谐振的情 况首先是三级谐振腔图.及其去耦合等效电路图.。 一匿 一壁 圆 囱 图.三级谐振电路 图.去耦合三级谐振电路 如从回路方程来讨论,电路的电压增益表达式将十分复杂,可以借助搭建微带模型, 用电磁场仿真软件来分析。对于无耗传输网络有岛岛,在情况下对于理想带通 滤波器,期望最., 。而实际情况下趋近于零却有几十个,在通 带内接近平坦时,对应的曲线在在谐振点的位置仍有极值点显示,从图.、. 仿真结果中可以得出:谐振腔的级数与曲线通带内的极点数相等,可根据曲线的 变化使该曲线衰减更大,以调谐两个谐振腔使通带特性更好。另谐振腔的结构可以采用多 种形式,比如:阶梯阻抗谐振腔,形谐振腔,叠层结构谐振腔等,都会得到如上结论。浙江工业大学硕十学位论文 鬟图 图一 图一二级滤波器参数曲线 图三级游波器参数曲线 不一 . 混台耦台 在大多数时候电磁耦合是同时存在时,电路等效中有两条并联电 路一条为电路、 条为磁路,同样应用奇偶模激励可得两个谐振频率: 护司丽 ’ 驴司零丽 可以看出在电磁耦合共同作用时,对中心频率的偏移影响相同。这种平行耦合带线属 于弱耦合,‘二;,混合耦台可看成电耦合与磁耦合的叠加,总的耦合系数?: ? 女‘‘ 对于结构,其耦合结构可表示为两对耦合线,如图包括短路部分的耦合线 对,可通过奇偶模式和耦合线长加以分析,在这一部分由于在短路点附近有大电流,因 而电感耦合为主。对于开路部分的耦合线对,其电参量为,由于在开路点附近有大电 匝.因而这一部分以电容耦合为主。 图 带状线级同耦合结构 浙江工业大学硕士学位论文 单传输的奇偶模式阻抗的几何平均值,为: 厄‘ . 乒瓦 因此,奇偶模式阻抗不能独立地被确定,两对耦合线的设计将更灵活,另一方面, 也将使耦合电路不能唯一地确定。 .折叠线型微带线 工艺允许元器件从二维向三维方向发展,满足器件的小型化要求,因为 内部是一种立体结构,可以利用通孔和折叠线结构来实现谐振腔的设计。通孔可以实现微 带线的空间连接,对于高性能滤波器设计中可以利用通孔电感影响,将通孔引入电感设计 之中。但由于此项技术对工艺要要求较高,打孔技术也易出现瑕疵,可以在设计中整个模 块都不用通孔,而采用折叠线结构或称为叠层结构,利用多层带线耦合的办法获得大电容, 但这种设计传输线的层数较多,各谐振器间的耦合对传输线的间距很敏感计算过程也较复 杂。本节给出了几种长见的折叠线型谐振腔结构以及特性。 多层微带线谐振腔利用层与层间强的电磁耦合作用可以减小谐振腔的尺寸【。,图 给出了几种常见的叠层谐振腔结构,这些结构的每一层带线都是 一端接地另一端开 路,相邻层带线相反放置以产生电势差。多层结构共同作用构成一个谐振腔,就象将一根 带线在空间上折叠而成,也称为折叠线谐振腔。左边图例为二层折叠线,右边图例为三层 折叠线,、、、分别为带状线结构、对称发夹式结构、不对称发夹式结构和螺旋线 型结构。更多层的结构会使谐振腔的特性变差。浙江工业大学硕士学位论文 暑昌置 ? 黪 图.常见结构折叠线型谐振腔 为进一步缩小谐振腔的长度,以达到小型化器件的目的,结合折叠线与谐振腔 的优点,提出了一种折叠线型谐振腔。图.上层板是由一端接地,另一端开路的 阶梯阻抗带状线结构;下层板是由与反方向接地的长方形带状线构成,上下两层板 的重叠部分形成了宽边耦合。 圈】折叠线型模型 应用奇偶模理论对迭部分进行分析可得出电力线分布情况如图.所示,图 表示偶模状态下上下两板电流同向,在两板中间电力线方向园相反而相互抵消。图浙江工业大学硕士学位论文 奇模状态上下两带线上电流反向,在两板中间电力线方向相同因而相互加强产生耦合电 容。上下两极板的间距工程上一般可做到.以内,远小于上下两接地板的间距,由 平板电容公式占叫缩小板间距电容值增大,因此相对于单根带状线更容易产生大电 容。另外,考虑到微带线开路端的边缘电容那么这种二层结构将得到两个并联的边缘电容, 可进一步缩小谐振器的尺寸。 篓 图奇模激励 图.平行带状线的奇偶模电场分布 采用两极平行的折叠线结构可以得到耦合折叠线谐振腔,其横截面的等效 电容分布如图.所示,其中是单个带线对地的平板电容,是边缘电容,是单 个谐振腔上下极板间的平板电容,是左右两级间的奇模电容,危是左右两级间的 偶模电容。 图. 折叠线耦合谐振器横截面电容分布图 以均匀带线多层结构为例来分析折叠线型的带线的特性,为了简 化分析假设每层带线 的形状相同,层间距也相同。可得出:随着层数的增加谐振频率减小,高次谐波出现,并 恶化了本振频率,所以采用叠层结构一般不会超过三层,要得到同一个谐振频率可以采用 小尺寸结构来实现。浙江工业大学硕士学位论文 .本章小结 谐振腔在滤波器的设计中是经常用到的,在本章中首先分析了微带线谐振腔的谐振特 性及谐振条件,重点对谐振腔做了研究。通过对输入阻抗表达式的研究得出该结构在 上下两部分相等时,有极小电长度。通过分析微带线的不连续性而引起的实际频率转 移,要对设计长度减小%的修正。 其次,运用奇偶模分析的方法得出了几种耦合微带单元的网络参量和等效电路。利用 网络分析与电磁场仿真相结合的方法,得出谐振单元的个数与散色参数在通带内极点的 个数相同。三种耦合现象的仿真指出了谐振单元间的耦合强度:过耦合、欠耦合和临界耦 合。 最后,结合爪谐振腔的优点及工艺中可实现叠层的技术,提出了 一种折叠 线型谐振腔,可将/均匀微带线缩小到.左右来实现.中心频率的, 减小器件的体积。浙江工业大学硕士学位论文 第章 带状线滤波器设计 .微波滤波器基础 微波滤波器是微波系统中的重要元件之~,用来分离或组合各种不同频率信号的重要 元件。当信号处在微波波段时,由于工作波长与滤波器元件的物理尺寸可相比拟,必须考 虑滤波器元件之间距离的影响,若仍采用分立元件来实现,就会产生寄生效应,电路性能 恶化,以至不能正常工作,因此要用分布元件代替集总元件。 ..微波滤波器的类型及技术指标 理想的滤波器是一种二端口网络:在通带的频率范围内,能使微波信号无衰减地传输; 在阻带频率范围内能使微波信号完全不能传输。为了满足不同的用途,出现了各种类型的 滤波器【: 按滤波器的工作特性,可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波 器。其中集总参数元件的低通原型滤波器是设计其它形式微波滤波器的基础。 按逼近函数来讲可分为最平坦式滤波器、切比雪夫式滤波器和椭圆函数式滤波器。 最大平坦式滤波器,通带内比较平坦,但通带到阻带的过渡比较平缓:切比雪夫滤波器, 通带内有等幅纹波,但通带到阻带的过渡比较陡峭;椭圆函数滤波器,通带和阻带都有纹 波。 按处理信号的类型分,滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟 滤波器又可分为有源、无源、异类三类。无源滤波器是仅有集总参数元件电阻、电感、 电容或者分布参数元件微带、同轴线或其他传输媒介或者两者兼而有之并按特定结 构排列而成的电路部件。 按滤波器的实现形式,可分为同轴线滤波器、腔体滤波器、微带线滤波器、介质 滤波器等。 除此之外,根据新原理、新结构提出的新型滤波器也不断涌现。在综合分析滤波器的 性能时,下列参数图一是至关重要的: 带宽胍对于带通滤波器,通带衰减达到时对应的上下限截止频率石和五之浙江工业大学硕士学位论文 间的宽度。相对带宽邢院义为绝对带宽与中心频率石的比值,相对带宽在%以下的为 窄带滤波器,应选用窄带滤波器的设计方法来设计;相对带宽在%以上的为宽带滤波器, 表达式如下: 件?, 一譬 插入损耗:在理想情况下,射频电路中的理想滤波器不应在其通带内引入任何功 率损耗。然而,在现实中,我们无法消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗。插入损耗 定量地描述了功率响应幅度与基准的差值,其数学表达为: 象一叫 其中,兄是滤波器向负载输出的功率,匕是滤波器从信号源得到的输入功率。 图 带通滤波器的衰减曲线 波纹系数:波纹系数表征的是通带内信号响应的平坦度,表示响应幅度的最大值 与最小值之差。 阻带抑制:在理想情况下,我们希望滤波器在阻带内具有无穷大的衰减量,但实 际上我们只能得到与滤波器元件数目相关的衰减量,在实际设计 中通常以一定的衰减量作 为阻带抑制的设计值。 品质因数:滤波器的品质因数描述了滤波器的频率选择特性,定义为在谐振频 率点时,平均储能与一个周期损耗能量的比值,它的表达式如下: 八, ?。’ 葡丽丽藤赢,%卸而丽。嘶 矗淼卸糍 谐振器的品质三个同定义的值来表示:未加载绋值表示谐振器本身特性:外部珐 值表示外部电路与谐振器间的耦合条件;加载鲮值表示谐振器和外部电路总的值,因 功率损耗是外接负载上的功率损耗和滤波器本身功率损耗的总和,由此它们之间关系如浙江工业大学硕士学位论文 下: ? 一一一 未加载值决定于分布元件电路的几何结构,它是决定带通滤波器的重要参数: . ..号 。?石。 外部值提供了滤波器和外部电路输入输出电路之间的关系,以保证它们之间的 阻抗匹配,其表达式: ?? . :量血 。和分:分别是输入和输出端的外部值,当输入输出阻抗相等时,。: 特性阻抗。:为满足滤波器规格而通常必须连接到滤波器的输出终端的阻抗,在 实际工程中多数情况下取欧姆。 传输零点 :阻带内的陷波点或吸收点,此处具有无限大的衰 减。可以把传输零点设置在寄生通带处来抑制高次谐波的产生,同时可改善滤波器的带外 抑制能力。 驻波系数:定义为沿线合成电压或电流的最大值和最小值之比, 反映的是输入端反射波的大小情况。 微波滤波器作为一个二端口网络,其性能可用网络参量两描述,但是对于参量、 参量、参量以及参量所必需的开路、短路条件在微波波段都不再能够严格成立。 此外,电路中短路或开路情况的出现将导致强烈的反射,引起振 荡或晶体管元件的损坏。 参量表达的是电压波,它使我们可以用入射电压波和反射电压波的方式定义网络的输入 和输出关系。利用参量,射频电路设计者可以在避开不现实的终端条件以及避免造成 待测器件损坏的前提下,用两端口网络的分析方法来确定元件的特性,并且参量可以 和其它参量进行相互转换。如图所示的二端口网络,参量定义为: .。 . 扣【最。浙江工业大学硕士学位论文 当输出端口接匹配负载时输入端的电压反射系数。 墨.纠瞄旬 当输出端口接匹配负载时正向电压传输系数。 耻巩。 当输入端口接匹配负载时反向电压传输系数。 耻巩卸 当输入端口接匹配负载时输出端的电压反射系数。 耻巩卸 由此,以上所堤剑的滤、饭器的性能参毅也由爹量采表不。 由。。驻波系数与反射系数的关系为: 件, 蠲制 用来定量描述回波损耗魁,定义为反射功率与输入功率己的比值再取对数。 回波损耗表征了通带内的驻波特性,与外部电路的匹配状况,以为单位: 冬.。扣 插入损耗也可以用:。来重新定义: ?。, 爱蚓与眺妇 因此,我们可以用两条散仁.曲线..和岛.来描述滤波器性能。 ..带通滤波器设计步骤 本文将带通滤波器的设计分为两部分:集总电路的设计和带状线模型设计。在 集总电路设计中分为通带设计和阻带设计,通带设计采用切比雪夫型滤波器,经过原型、 频率变换、倒置得到适于微带结构实现的集总电路图。再通过改进电路使阻带出现传 输零点。在微带模型设计上首先设计谐振腔,使其仿真图的中心频率在.附近, 通带内插损达到最小,然后通过加入级间耦合或交叉耦合等方式使低阻带出现两个传输零 点,最后通过优化仿真使整个滤波器的特性达到设计指标的要求, 设计流程如图.所示。 .浙江工业大学硕士学位论文 图.带通滤波器设计流程图 .滤波器集总电路设计 ..滤波器设计方法 滤波器设计从集总元件组成的低通网络开始,以规一化格式进行综合,然后对需要 的截止频率和阻抗按比例进行量度,将该低通滤波器设计作为基础进行转换,推导出高通、 带通或带阻滤波器【。。有两种方法可用来综合无源滤波器,一种是镜像参量法,另一种 是插入损耗法。前一种方法可以给出导通或阻断某一频带的设计,但不能给出频响曲线的 形状。插入损耗是频率的函数,可以控制整个通带和阻带内的振幅和相位特性,也考虑了 外接负载的影响。插入损耗法提供了可确定滤波器的通带和阻带特性的方法,在滤波器设 计中更为有效。 传输函数是一个两端口滤波器网络响应特性的数学表述,可用的数学表达式表示: 五? 瞰硝南 式中是波纹常数,露?是特性函数。由插入损耗和的关系可得:浙江工业大学硕士学位论文 . 纠击弼国 特性函数砰缈的不同,区分了不同滤波器电路的响应特性,如:最平坦响应、切比 件忙二 件五 书聋瑚二婢 五四 斗夕 ???????二????????????:????????一 .缈/缈, 堕喀掣 ..低通原型滤波器 低通原型是指通过对源阻抗和截止频率都归一化之后的低通滤波器。低通原型滤波器浙江工业大学硕士学位论文 电路一般有图.、?两种形式,该滤波器由串联电感和并联电容构成,成为级联的 型网络形式。另一种布局是级联的厅型网络,由于两种电路是对偶的形式,所以它们具有 相同的响应特性。一 图 型结构低通滤波器原型图图 万型结构低通滤波器原型图 对源阻抗归一化使得电路中表示源的元件的值岛,对于第一个元 件蜀是并联的电 容或串联的电感,同样对于代表电路输出端的晶.也是同样受岛 影响的。这些元件值从原 阻抗到负载阻抗,串联和并联交替出现,具有下面的意义: 源电阻,负载电阻图? 岛川 源电导,负载电导图? 串联电感 ? 升状吧舒 ?并联电容 对于切比雪夫滤波器,值可由下列公式求得:浙江工业大学硕士 学位论文 口 蜀 . 盟七,,..柚 仇一一 刀为奇数 邑 也毒力为偶数冥中 黜。品 ,.: ? ,?,甩 一.,.:,,...,, 玎 二几 阮,坚七?..,刀 由公.根据波纹的大小,可以计算滤波器的阶数,阶数选定后可由公式计算归一 化的原型值,或由工程上常用的切比雪夫元件值表查出元件的归一化值,通过适当的阻抗 变换和频率变换等,设计所需要的滤波器。 ..频率及元件变换 为了得到实际的滤波器,我们必须对前面的参数进行反归一化以满足实际工作频率和 阻抗的要求,包括两方面的变换: 频率变换:为了使频率从放大到纹,把所有规一化的值代表电容或电感都 用所需的截止频率来除,在运算中把电阻排除在外。 阻抗变换:为了把筋和已。按比例从放大到而,把所有代表电阻或电感的值都乘 以历。另一方面,所有代表电容的值都除以,即: . 厶:盔吕:占吕 % %厶。 将归一化的低通原型进行转换可以设计出带通滤波器,如图示: 浙江工业大学硕士学位论文 ? 图.低通原型 图?从低通到带通的转换 转换关系如下: 将串联电感用串联在一起的电感三卯,和电容来置换,二元件值 如下: . 哆 哆一 旷嚣 咏& 将并联电容用并联在一起的电感和电容取代,二元件值如下: . %:去‰嚣 定义: 扫石 完成上述的类型变化和频率缩比后,还要进行阻抗缩比才能得实 际带通滤波器原件值。 表. 归一化低通原型到带通滤波器的变换电路 低通原型 带通 ?? ?.叫卜一 .一卜一 罪’ .. .带通滤波器集总电路设计 由项目中给出的技术指标:滤波器中心频率为,双边截止频率为 可得相对带宽.%,因此这是一个窄带 ?朋慰,五 带通滤波器。浙江工业大学硕士学位论文 :盥:??:.% 确定滤波器阶数:由于项目中给出的衰减特性图不是对称结构,左右两边的过渡 带要求不一样。左边要求变化陡峭右边变化平稳,因此设计低通原型阶数时,在 之内所有频率信号通过,在处信号的衰减可取两个值和即: 厶等宓 /而、。加 带内纹波最大值是.,根据公式.在两种情况下阶数分别为: 确. %. 如果我们以获得最优的过渡带陡峭特性为首要考虑因素,必须为整数,选。低 通原型滤波器各元件值可根据第三章中公式.求得或由切比雪夫滤波器元件值列表 查得: . . 三阶的低通原型电路图可选用图、.所示的两种结构,这里我们采用型结构 来实现,因为所取阶数为奇数,切比雪夫原型具有对称性和阶相同如图.: 图. 型结构低通原型滤波器电路图 应用公式.、.将上述低通原型元件经过阻抗变和频率变换后得到带通滤 波器电路,负载和源电阻均为,可确定各个元件值如下:浙江工业大学硕士学位论文 《?扛 、,一卸 ?勉 旦滓 乩 净 观挖打 一一足一咱 絮焉 %一面钉一矿 一钔 ? :????:. 聆 百云硒? 此时,低通原型中串联的电感变成带通串联的谐振单元,并联的 电容转化成并联 的谐振单元。所得的电路图.所示: 图带通滤波器电路图 ..倒置变换器 在设计的带通滤波器里同时用到了串联和并联两种谐振器,当用特定类型的传输线来 实现滤波器时,常常只希望使用串联或并联谐振器,这就需要将电路中的谐振器统一成一 种形式,可以用倒置变换器来实现。 倒置变换器包括阻抗变换器和导纳,变换器两种形式,利用导抗变换具有土 的相移的特性可以将容性或感性元件变换成感性容性元件,同时将其串并联的特性颠 倒一下。变换器用于串联电路,变换器用于并联电路。在微带线实现滤波器时常采用 并