程书博,赵祖军
(中国电子科技集团公司第13研究所,石家庄 050051)
C波段带通滤波器的小型化一直是微波工程师的难点。C波段波长相对微波频段来说较长,采取分布参数滤波器体积庞大。而C波段滤波器用L、C结构因其Q值偏小而不合适。为此,利用LTCC多层陶瓷工艺特点,将谐振单元由分布参数带线结构实现,是一种可行的途径。
通常对于宽带耦合滤波器结构来说,因耦合系数较大,窄边耦合滤波器的缝隙太小,以常规的多层陶瓷厚膜工艺无法实现,为此,将滤波器谐振单元耦合方式采取宽边耦合形式,大大降低了厚膜印刷工艺的难度,且实现的耦合系数大,很好地实现了所要实现的滤波器性能。
电路指标要求:
中心频率f0:3 700 MHz
3 dB带宽BW:1 400 MHz
通带驻波比VSWR:≤1.5∶1
带外抑制:40 dBc@DC~2.2 GHz,6 ~8.0 GHz
根据电路的要求设计7阶, Chebyshev作为响应函数,带内波纹为0.01 dB,其低通原型为:g1=g7=0.796 9,g2=g6=1.392 4,g3=g5=1.748 1,g4=1.633 1,g0=g8=1。根据下面公式计算原型值的耦合系数:
其中,FBW为相对中心频率的归一化带宽。电路拓扑图如图1所示。
图1 电路的拓扑结构图
模型的建立在相对介电常数εr为7.8、介质损耗角为0.006的Dupont951材料体系上。设计中为了减小滤波器的尺寸,将滤波器结构设计成类梳状滤波器,谐振单元的长度设计成滤波器中心频率的八分之一波长,端头负载电容通过在上表面增加接地电容实现。这样,八分之一波长谐振单元与负载电容一起组成了滤波器的谐振单元,如图2所示。
图2 谐振单元
通过提取其谐振频率,优化谐振单元的长宽,使得谐振频率为3 700 MHz,如图2所示。
而谐振器之间的耦合通过宽边耦合,但因耦合系数在介质介电常数较大时,耦合量又太大,为此,通过部分宽边耦合来实现需要的耦合值k,如图3所示。
图3 宽边耦合图形及其截面
建立谐振单元耦合模型,谐振单元的谐振频率将分为两个非中心频率fp1和fp2,在此两个频率处其S12参数将出现两个传输尖峰,通过下式提取其相应的耦合系数k。
图4 谐振单元耦合传输系数
通过连续变化两耦合谐振单元的距离,其fp1和fp2会不断变化,得到相应的耦合系数,如图5所示。
图5 耦合距离与耦合系数的关系
根据所要求的谐振单元之间的耦合系数,建立滤波器整体谐振单元的模型。
再提取输入输出端口处外部Q因子,即Qe1、Qen。根据建立的模型:
其中,ω0为滤波器的谐振频率,实际参数提取中发现在ω0处其相位并不等于0°,而有一个偏差。在计算时考虑相应的偏差,即得到所需的Qe值。
图6 S11相位及幅度曲线
连续调节抽头位置,提取外部Qe值与位置的关系,如图7所示。
图7 外部Qe与抽头距离关系
最终,建立所需宽边耦合滤波器模型。
图8 电路的整体模型
利用多层LTCC滤波器加工工艺实现了实物,其具体工艺流程如图9。
图9 工艺流程图
实物测试参数曲线与仿真曲线比较如图10所示。
从仿真曲线及实物测试曲线可以看出有一些偏差,主要原因有以下几个方面:
(1)带内插入损耗不一致,是因为导体的实际导电率与理想值有偏差;
(2)带外抑制比仿真值要弱一些,是因为外部接地效果与理想地有偏差,导致带外衰减本底不够;
(3)带内回波损耗比仿真要差,也是因为加工工艺精度问题导致回波偏大。这些从加工工艺角度来看还是相对比较正常。最终实物体积为6.5 mm×7.5 mm×1.5 mm,结构为表面贴装形式,有效地减小了类似频段滤波器的体积,满足了此类滤波器的小型化及批量化需求。
图10 仿真曲线与实物测试曲线
通过直接提取谐振单元的耦合系数的方法,减小了此类频段滤波器的体积,有效地促进了此类LTCC滤波器的开发。
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