低溫共燒陶瓷帶通濾波器設計

0 引言

　　現代移動(dòng)通信系統從GSM到GPRS直至CDMA，頻率從原來(lái)的幾百Hz到了現在的900 MHz，1．8 GHz，2．4 GHz，5．8 GHz，甚至更高。與此同時(shí)，對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、設計靈活等優(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，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相對于HTCC(high temperature cofired ceramic)更具優(yōu)勢。它結合了共燒技術(shù)和厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，減少了昂貴、重復的燒結過(guò)程，所有電路被疊層熱壓并一次燒結，節省了時(shí)間，降低了成本，減小了電路的尺寸；對于射頻微波領(lǐng)域，更重要的是它具有高品質(zhì)因數、高穩定性、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)始應用于手機、小靈通、無(wú)繩電話(huà)等各種移動(dòng)通信設備中，在藍牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)卡、天線(xiàn)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，根據預先設計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，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采用高電導率的金、銀等金屬作導電介質(zhì)，在燒結過(guò)程中不會(huì )氧化，因此無(wú)需電鍍保護；LTCC陶瓷基片的組成成分可變，根據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可調整，從而增加了設計的靈活性。

　　l 多層濾波器結構及原理

　　經(jīng)典的濾波器設計理論已較成熟，多層介質(zhì)濾波器是用層疊式的電路結構來(lái)實(shí)現濾波電路的功能。這種技術(shù)不僅使濾波器體積小，且高頻性能好，但器件內部電磁場(chǎng)的分布不易確定，且隨層數的增加而趨向復雜。圖1為多層介質(zhì)濾波器的一般結構。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構(通常稱(chēng)為電路層)。圖案層的具體樣式和層數要視所設計的濾波器參數(如中心頻率、通帶內插損、阻帶衰耗等)而定。用同樣的方式可以獲得天線(xiàn)、平衡或非平衡轉換器(balun)等微波器件。

　　在LTCC的設計過(guò)程中，較常見(jiàn)的是以集總元件方式設計電容耦合帶通濾波器?？紤]到LTCC工藝的制作方便，因此濾波器一般都不超過(guò)3階。集總元件構成的帶通濾波器電路由串、并聯(lián)交叉連接的諧振器構成。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)與帶通濾波器相結合。這里給出濾波器的主要技術(shù)指標，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型結構。在此核心電路的基礎上，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)，等效電路結構如圖2所示。設計傳輸零點(diǎn)是因目前有很多無(wú)線(xiàn)系統的應用，而每個(gè)系統所使用的頻帶非常接近，很容易造成彼此間的干擾，因此可借助于設計傳輸零點(diǎn)來(lái)降低系統之間的干擾。該電路可以合成出大電容與小電感。Cs約為PF量級，Ls約為0．1 nH量級，因此較適合用于低溫共燒陶瓷基板。