低溫共燒陶瓷帶通濾波器設(shè)計(jì)

0 引言

　　現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)從GSM到GPRS直至CDMA，頻率從原來(lái)的幾百Hz到了現(xiàn)在的900 MHz，1．8 GHz，2．4 GHz，5．8 GHz，甚至更高。與此同時(shí)，對(duì)于器件的小型化和高性能的要求卻在不斷提高。在微波波段，多層陶瓷介質(zhì)的無(wú)源器件，如濾波器等，由于其具有小型化、易集成、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到重視。為了在器件小型化的同時(shí)，降低其損耗，以獲得更高的品質(zhì)因數(shù)，就需要尋求新的材料和技術(shù)。在眾多的微波介質(zhì)板材中，LTCC相對(duì)于HTCC(high temperature cofired ceramic)更具優(yōu)勢(shì)。它結(jié)合了共燒技術(shù)和厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，減少了昂貴、重復(fù)的燒結(jié)過(guò)程，所有電路被疊層熱壓并一次燒結(jié)，節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，減小了電路的尺寸；對(duì)于射頻微波領(lǐng)域，更重要的是它具有高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。因此，LTCC已成為民用和軍品電子系統(tǒng)理想的選用材料。目前，基于LTCC技術(shù)的微波器件已開(kāi)始應(yīng)用于手機(jī)、小靈通、無(wú)繩電話等各種移動(dòng)通信設(shè)備中，在藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)卡、天線開(kāi)關(guān)等模塊中也大有用武之地。

　　低溫陶瓷共燒(LTCC)技術(shù)采用厚膜材料，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的版圖圖形和層疊次序，將金屬電極材料和陶瓷材料一次性共燒結(jié)，獲得所需的無(wú)源器件及模塊組件。金屬帶的層疊技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)層與層之間電容和電感的耦合，利用交叉電容耦合的方法就可以在阻帶獲得能改善傳輸特性的傳輸零點(diǎn)。此外，LTCC采用高電導(dǎo)率的金、銀等金屬作導(dǎo)電介質(zhì)，在燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)氧化，因此無(wú)需電鍍保護(hù)；LTCC陶瓷基片的組成成分可變，根據(jù)配料的不同可生成具有不同電氣性能的介質(zhì)材料，各參量在一定范圍內(nèi)可調(diào)整，從而增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

　　l 多層濾波器結(jié)構(gòu)及原理

　　經(jīng)典的濾波器設(shè)計(jì)理論已較成熟，多層介質(zhì)濾波器是用層疊式的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波電路的功能。這種技術(shù)不僅使濾波器體積小，且高頻性能好，但器件內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布不易確定，且隨層數(shù)的增加而趨向復(fù)雜。圖1為多層介質(zhì)濾波器的一般結(jié)構(gòu)。圖1中，微帶電路(黑色部分)印刷在LTCC基片(灰色部分)上，上下兩層為屏蔽層，中間為起濾波作用的電路結(jié)構(gòu)(通常稱為電路層)。圖案層的具體樣式和層數(shù)要視所設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)(如中心頻率、通帶內(nèi)插損、阻帶衰耗等)而定。用同樣的方式可以獲得天線、平衡或非平衡轉(zhuǎn)換器(balun)等微波器件。

　　在LTCC的設(shè)計(jì)過(guò)程中，較常見(jiàn)的是以集總元件方式設(shè)計(jì)電容耦合帶通濾波器。考慮到LTCC工藝的制作方便，因此濾波器一般都不超過(guò)3階。集總元件構(gòu)成的帶通濾波器電路由串、并聯(lián)交叉連接的諧振器構(gòu)成。在此，利用一種產(chǎn)生額外3個(gè)傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器理論，將LTCC技術(shù)與帶通濾波器相結(jié)合。這里給出濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)研究LC帶通濾波器的等效電路，利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化。用二階耦合諧振帶通濾波器作為原型，它為電感性耦合π型結(jié)構(gòu)。在此核心電路的基礎(chǔ)上，加入匹配電容CI、接地電感LG，及并聯(lián)電容Cp。該電路可產(chǎn)生3個(gè)傳輸零點(diǎn)，等效電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)傳輸零點(diǎn)是因目前有很多無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用，而每個(gè)系統(tǒng)所使用的頻帶非常接近，很容易造成彼此間的干擾，因此可借助于設(shè)計(jì)傳輸零點(diǎn)來(lái)降低系統(tǒng)之間的干擾。該電路可以合成出大電容與小電感。Cs約為PF量級(jí)，Ls約為0．1 nH量級(jí)，因此較適合用于低溫共燒陶瓷基板。