基于LTCC的小型化中频带通滤波器设计

羊绍林,张庆重,奚　望,梁孝彬,石　玉

(电子科技大学 微电子与固体电子学院,四川 成都　610054)



基于LTCC的小型化中频带通滤波器设计

羊绍林,张庆重,奚望,梁孝彬,石玉

(电子科技大学 微电子与固体电子学院,四川 成都610054)

摘要采用LTCC技术实现滤波器时,大电感值会引起加工复杂、寄生参数多等问题。文中通过部分电路等效法(PEEC)、三角形和星形联结等效变换法,将二阶直接耦合滤波器中的三角形连接电感等效为两个并联的耦合电感,减少了电感数量及感值。使得滤波器的设计复杂程度降低,标准化程度及一致性更高,封装更小。最终实现了一个中心频率70 MHz、相对带宽14.28%、插入损耗1.83 dB、回波损耗<-15 dB的小型化中频滤波器。

关键词中频带通滤波器;LTCC;PEEC;电感耦合

中频滤波器主要应用于数字化接收机中。其作用主要体现在对接收机中的干扰信号如:本振信号、混频组合干扰频点以及在多次变频方案中对镜像频率信号的滤除,实现对中频信号频谱整形。在保持通带宽度的情况下也保护接收机各级电路避免由于杂散信号的干扰而引起后续器件饱和或失真,其性能的优劣对接收机性能起着至关重要的作用。

目前运用于数字化接收机的中频滤波器主要有介质滤波器、声表面滤波器、晶体滤波器、LC滤波器和LTCC滤波器。相对于其他滤波器,LTCC滤波器具有成本低、一次成型、小型化、焊接方便及损耗小等优点,具有重要的研究价值[1]。近年来,随着LTCC工艺的发展,众多性能优良的LTCC滤波器已被研究出来并投入实际生产和运用中。本文研究运用PEEC法、三角形和星形联结等效变换法将直接耦合带通滤波器等效为一个电感量小的拓扑结构,并采用LTCC技术,实现一款中心频率为70 MHz、带宽10 MHz的中频滤波器。利用此方法,还可实现更多不同频率范围的带通滤波器。

1电路设计及仿真

本文设计一款二阶直接耦合滤波器[2],其结构如图1所示,由AWR仿真可得到元器件值为C1=28.68 pF,C2=95.33 pF,L1=397 nH,L2=L3=50 nH,仿真结果如图2所示。这里注意到由于频率较低,电感L1值较大,用LTCC工艺实现较困难,且随着电感值增大,各圈及不同层的线圈之间相互耦合等影响将引入众多不可控的寄生参数,相应的频率特性会变得很差,而且标准化程度也会降低[3]。因此,要尽量避免大电感量的电感出现,本文主要结合PEEC、三角形和星形联结等效变换法将电路拓扑结构实现等效转换[4]。最终决定采用两个电感耦合的方法来实现滤波器中电感的功能,此法不仅能省去大电感L1,且能使L2和L3的感值更小。

图1　传统滤波器原理图

图2　传统滤波器频率响应

任意无源互易二端口网络的参数中有且只有3个相互独立,从而使得这样的二端口同时存在由Z参数所确定的惟一T型等效电路和由Y参数所确定的惟一π型等效电路。所以,星形结构的三端无源互易网络和三角形结构的三端无源互易网络之间存在等效变换且变换关系惟一。星形连接的电阻网络可看作某个二端口的T型等效电路,这个二端口必然也存在与之等效的π型等效电路即三角形连接的电阻网络;同样,三角形连接的电阻网络可看作某个二端口的π型等效电路,这个二端口必然也存在与之等效的T型等效,电路即星形连接的电阻网络[5]。在此滤波器电路中,由PEEC法可知,文中可将其中一部分独立电路取出来单独分析,只要保证端口参数不变,其对整个电路的性能在理论上不会有任何影响。此次LTCC设计中,由于电感和电容相对距离较远,相互之间影响很小,可将电感部分视为一个独立的二端口网络。在设计滤波器时将中间的几个电感单独取出,运用PEEC法和三角形与星形连接相互转换法,用更简单的电路予以实现。

图1所示的传统滤波器中三个电感可看作是一个三角形连接的阻抗网络,则必然存在且唯一存在一个星形连接的阻抗网络与之等效,且其结构如图3所示,可推出

(1)

(2)

(3)

图3　三角形与星形连接电路等效

图4　耦合电感等效电路

其中

(4)

(5)

耦合因子

(6)

可得出L4=45.2nH,L5=45.2nH,K=0.126。

将PEEC法和三角形和星形联结等效变换法等效处理后得到的等效电路带回原滤波器,得到如图5所示的新电路。其各个元器件值C1=28.68pF,C2=95.33pF,L4=45.2nH,L5=45.2nH。

图5　采用等效及耦合后实际电路

2器件制作与测试

根据新电路和已得出的元器件值,采用HFSS建立三维仿真模型[6]如图6所示,本次设计将L4和L5并排设计,通过调节L4、L5之间的距离控制两个电感间的耦合因子,从而实现对电感耦合因子M的控制。LTCC生瓷带采用Ferro公司的A6M材料(磁导率5.7,厚度90 μm),共5层完成器件的叠压与制作。两个电感工艺参数均为0.2 mm线宽,尺寸为3 mm× 1.8 mm,均为3圈立体螺旋结构;内置电容采用不同的导体层来实现[7],底层接地侧面有接地封装焊盘,输入输出端口采用Lumped Port。LTCC滤波器仿真优化后数据如图7所示,可看出滤波器实现了中心频率70 MHz,3 dB带宽10 MHz,插入损耗-1.53 dB,回波损耗<-15 dB的要求。

图6　HFSS 仿真建模图

图7　HFSS建模仿真结果

图8给出了滤波器的测试[8]结果,可看出其中心频率70 MHz,3 dB带宽10 MHz,插入损耗-1.83 dB,回波损耗略>-15 dB。可看出仿真结果与实际测量结果近似,满足设计要求。

图8　滤波器的测试结果

3结束语

本文采用改进的轴向耦合滤波器电路及LTCC技术,实现一个中心频率70 MHz相对带宽14.28%的中频滤波器。在滤波器的设计中采用PEEC、三角形和星形连接相互转换的方法,将二阶直接耦合滤波器中3个三角形连接的电感等效为两个并联的耦合电感[9]。此方法在LTCC电路设计中也不失为一种好的思路,特别是对于电感较大的低频滤波器,可大幅的减小设计、工艺的难度,并能一定程度上减小滤波器的体积。

参考文献

[1]童志义.低温共烧陶瓷技术现状与趋势[J].电子工业专用设备,2008(11):1-9.

[2]森荣二.LC滤波器设计与制作[M].薛培鼎,译.北京:科学出版社,2006.

[3]Lap Kun Yeung,Ke-Li Wu.A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(2):337-341.

[4]Wu Keli,Zhao Yongjiu,Wang Jie,et al.An effective dynamic coarse model for optimization design of LTCC RF circuits with aggressive space mapping[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2004,52(1):393-402.

[5]胡翔骏.电路分析[M].2版.北京:高等教育出版社,2010.

[6]谢拥军,王鹏,李磊,等.Ansoft HFSS基础及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[7]杨佳.基于LTCC技术的微波滤波器设计与研究[D].北京:北京邮电大学,2011.

[8]沙占友,薛树琦,安国臣.射频功率测量技术及其应用[J].电测与仪表,2005,42(8):9-11.

[9]丁世敏,田晖.基于LTCC技术双零点带通滤波器的研究[J].电子科技,2010,23(8):65-67.

Design of Miniaturized IF Band Filter Based on LTCC

YANG Shaolin,ZHANG Qingzhong,XI Wang,LIANG Xiaobin,SHI Yu

(School of Microelectronics and Solid-state Electronics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

AbstractLarge inductor value will cause multiple problems such as difficulties in manufacturing and complexity in parasitic parameters while implementing filters using LTCC technology.Due to partial-element equivalent-circuit model (PEEC),delta and star-connected circuit equivalent transformation,three inductors of the second order direct coupling filter can be replaced by two parallel coupling inductors,leading to lowering in the complexity of design,improving in standardization and consistency and smaller packing.Finally a small size intermediate frequency filter of 70 MHz center frequency,14.28% relative bandwidth,1.83 dB insertion loss and less than -15 dB return loss is achieved.

Keywordsband-pass filters;LTCC;PEEC;inductive coupling

中图分类号TN713+.5

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-147-03

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.039

作者简介:羊绍林(1990—),男,硕士生研究。研究方向:电子科学与技术。石玉(1965—),男,教授。研究方向:磁性材料和射频器件与电路。

收稿日期:2015- 09- 08