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低通滤波器 带外衰减

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带外衰减(低通滤波器)
摘要:科学技术的发展带来了更严格的器件指标，电子器件小型化、高性能的趋势日益明显 。作为滤波器射频元件的重要组成部分，小型化研究迫在眉睫 。基于先进的LTCC技术，利用带线结构实现了带通滤波器的小型化设计 。零点以交叉耦合的方式插入，改善了边带的陡度，获得了优异的性能 。经过大量仿真优化后，投入生产加工 。实际测试结果与仿真曲线一致 。中心频率为3 400 MHz，带宽为200 MHz，在3 200 MHz的衰减优于30 dB，在3 720 MHz的衰减优于20 dB，尺寸仅为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm
0简介
微波滤波器是无源射频器件的重要组成部分，用于有效控制系统的频率响应特性 。直观地说，在滤波器设定的额定频率范围内，信号可以尽可能无损地通过，但在这个频率范围之外，信号就需要尽可能地衰减[1] 。作为系统的重要组成部分，对其小型化、高性能、低成本、易集成等诸多方面的要求越来越严格 。如何综合实现多种需求的滤波器，必然成为未来重要的研究热点之一[2] 。
与传统的封装和集成技术相比，低温共烧陶瓷(LTCC)具有许多优点:(1)采用多层堆叠技术，易于实现多层布线和封装的一体化结构，易于故障排除，成品率高，组装密度高，且体积小、重量轻；(2)具有良好的高频特性和高速传输特性，同时在大电流、高温的特殊条件下具有相对较小的热膨胀系数和介电常数温度系数，具有优异的导热性能 。(3)LTCC技术兼容性好，容易形成各种结构的空腔；(4)LTCC产生的垃圾少，非常节能环保 。
这种基于LTCC技术的带通滤波器采用带状线结构设计[4]，比LC集总滤波器简单[5] 。先进的LTCC技术保证了其体积小、重量轻、性能高、易于生产、稳定性好、结构简单、兼容性好等优点 。该滤波器的设计指标为:中心频率3 400 MHz，带宽200 MHz，带内插入损耗小于3.5 dB，带外抑制在3200 MHz≥30db，带外抑制在3720 MHz≥20db，电压驻波比≤1.7 。交叉耦合的引入和带外传输零点的加入，明显改善了边带的陡度，最终产品尺寸为4.8mm× 4.2mm× 1.5mm 。
1滤波器原理设计
带通滤波器通过几个谐振电路的组合来实现滤波效果 。带通滤波器的谐振单元由一段传输线代替集总模式下的电感和电容来实现 。这个带通滤波器选择六条带状线形成带通效应，相当于六个谐振单元 。相邻的谐振单元通过磁耦合传递能量 。初步设计的六级带状线带通滤波器虽然具有带通滤波的功能，但性能较差，阻带插入损耗不足，与既定的技术指标相差甚远 。因此考虑引入锯齿形结构，通过交叉耦合引入传输零点，以改善其不良边带抑制[6] 。此时已基本满足初步设计要求 。为了优化滤波器的性能，引入了U型结构来加强谐振级之间的磁耦合效应，达到了最终的设计目标[7] 。电路原理图如图1所示，其中L1和C1、L2和C2、L3和C3、L4和C4、L5和C5、L6和C6为等效谐振单元的六条带状线，L7、L8、L9、L10和L11为相邻带状线间等效磁耦合的串联电感，C16为Z形结构的交叉耦合电容，L23和L45为U形结构的等效磁耦合的串联电感 。
2LTCC 3D实施
【低通滤波器 带外衰减】本设计的中心频率为3.4 GHz，属于S波段 。与LC集总结构滤波器相比，条形LTCC带通滤波器不再使用通孔结构来连接不同空之间的传输线，而是将带状线的一侧连接到已经用金属表面包裹的介质盒的前后接地面[8] 。建立了该带通滤波器的三维模型 。综合考虑选材，选用相对介电常数为13.3，介质损耗角tanθ= 0.000° 58的陶瓷材料，其体积为4.8mm× 4.2mm× 1.5mm，优化后的滤波器三维模型如图2所示 。
过滤器的三维模型从上到下由七层组成 。第一层是一个矩形块，用来显示设备的上下两层 。矩形块表面为上，第二层和第七层为接地层，第三层为耦合U型结构，第四层为负载电容层，第五层为主谐振层，第六层为第一谐振和第六谐振之间的交叉耦合电容 。器件周围设有金属屏蔽盒，既能防止外部电磁干扰和内部能量的对外辐射，又能保护电路，便于安装插头和与其他器件、元件固定 。模拟结果如图3所示 。
从图3可以看出，在3 400 MHz的中心频率处的插入损耗为1.85 dB，在3 300 MHz和3 500 MHz的带宽处的插入损耗分别为2.7 dB和2.3 dB，并且电压驻波比≤1.4，带外衰减在3 200 MHz的频率处为33.1 dB，在3 720 MHz的频率处为35 dB 。性能优异，选择投产加工，并进行实物测试 。
3物理生产和测试曲线
仿真优化完成后，将软件交付生产线按照设计参数进行加工制造，得到物理测试曲线 。这款LTCC带式带通滤波器最终产品体积为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，填充选用相对介电常数为13.3、介质损耗角tanθ= 0.00058°的陶瓷材料 。测试结果如图4所示 。
从图4可以看出，该带通滤波器的最大带内插值损耗为3.4 dB；频率为3 200 MHz时，带外抑制为30 dB，频率为3 720 MHz时，带外抑制为20db； 。驻波好于1.7 。制造和试验结果得到了验证 。这种带通滤波器不仅实现了小型化的预期，而且在性能上完全超越了设计指标，达到了实验目标 。
4结论
为了实现小型化、高性能的带通滤波器，基于LTCC技术，本研究选择了条形结构进行设计，并在六级谐振的基础上进行优化 。通过插入之字形结构来增加传输零点并改善边带的陡度，从而进行交叉耦合；插入U形结构以增强相邻谐振级之间的磁耦合效应 。软件的仿真和优化测试结果优于设计指标，可以投入生产 。成品体积仅为4.8 mm×4.2 mm×1.5 mm，符合小型化的初衷 。试验结果均优于设计指标，并留有余量 。综上所述，这种LTCC带通滤波器体积小，重量轻，易于生产，性能优良 。是一款非常实用的带通滤波器，可以大批量投入生产 。这项研究成功地实现了它的目标 。
参考
[1]赵文昌，刘强，陈鲁根，等.基于转差分频原理的挖掘机节能控制方法研究[J].微型计算机及应用，2013，32 (10): 6162，65 。
宋海生，李玉生.一种采用电容加载四分之一波长慢波谐振器的小型化2.4 GHz波段多层带通滤波器[C].IEEE MTT S国际标准 。微波研讨会 。文摘，2003:515-518 。
李宝山 。陡边带LTCC滤波器的设计与研究[D].南京:南京理工大学，2007 。
、王、 。LTCC带通滤波器的设计[J].电子科技大学学报，2008 (S1): 4749 。
李张涛 。双传输零点LTCC带通滤波器的设计与仿真 。中国电子科学研究院学报，2010，4 (5): 209212 。
张世芳，林海康.一种具有多传输零点的高阻带抑制LTCC滤波器[C].IEEE微波理论与技术汇刊，2006，54(3):633-638 。
[7]李玲玲 。移动通信系统中频率复用方案的理论探讨[J].微型计算机及应用，2013，32 (11): 7072 。
[8]大卫. M . p .微波工程[M].北京:电子工业出版社，2006 。

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