一款小型化高性能低通濾波器

陳依軍 袁 野

成都嘉納海威科技有限責任公司 四川 成都 610097

濾波器是電路中一個重要的組成部分,尤其是在通信或是雷達系統中,對信號的頻率選擇性要求較高,如果濾波性能不佳,很容易導致信號串擾現象的發(fā)生,因此性能優(yōu)異的濾波器可以改善整個系統的性能[1]。低通濾波器是容許低于截止頻率的信號通過,但高于截止頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。微帶濾波器因其體積小、便于集成等優(yōu)勢,在現代微波通訊系統中被廣泛使用,低通微波濾波器是雷達系統、通信系統、測量系統等必不可少的組成部分,一般被用來抑制器件產生的高次諧波和其它有源器件產生的高頻噪音信號。文獻[2]是基于切比雪夫函數原型,在微帶短截線理論的基礎上采用高低阻抗線方式設計的一款通帶頻率范圍為0-6GHz的低通濾波器,通帶內衰減小于3dB,在8GHz衰減大于20dB。該方法設計的濾波器一方面尺寸較大,過渡帶較寬,另一方面由于相鄰耦合線阻抗差距太大而導致不連續(xù),帶內插入損耗較大。文獻[3]采用半圓型缺陷地結構單元和圓型階梯阻抗并聯枝節(jié)結構,設計出的寬阻帶低通濾波器,3dB截止頻率為2.7GHz,阻帶為4-15GHz。該方法設計的濾波器在縮小尺寸的同時也提升了帶外抑制性能,但設計加工較為復雜,對加工精度要求較高。文獻[4]采用橢圓函數原型,設計了一款結構緊湊、插損小、過渡帶陡峭的高低阻抗線微帶低通濾波器,相比前面兩款在尺寸和帶外抑制性能上都有了不少提高。但是由于仍舊采用的是高低阻抗線方式,尺寸仍然相對較大,對目前越來越小型化的組件系統來說仍有很大弊端。

本文基于陶瓷薄膜工藝,采用7階橢圓函數原型設計了一款結構緊湊的低通濾波器。陶瓷薄膜工藝采用Al2O3作為襯底基材,其介電常數達到了9.9,射頻性能優(yōu)異,尤其是溫度系數很小,邊帶隨高低溫變化產生的溫漂很小,非常適合現代微波射頻器件應用。本文設計中將橢圓函數原型中的集總參數用分布參數直接代替,設計思路清晰明了。將串聯電容、并聯電容和并聯電感用交指電容、平行板電容和細長微帶線的物理結構分別替代,并進行全波仿真優(yōu)化,最終設計了一款小型高性能該濾波器。通帶頻段為DC-3.5GHz,回波損耗<-16.5 dB,帶內插損為<2.1dB,帶外抑制度好,結構緊湊,尺寸僅為6.5×4.5mm2。

1 電路設計

濾波器的設計要求輸入和輸出阻抗均為50Ω,截止頻率3.5GHz,通帶波紋<0.2dB,阻帶邊帶4.2GHz>35dBc。選取橢圓函數低通濾波器結構形式,要滿足上述設計指標最少需采用7階結構。7階橢圓函數低通濾波器原型,如圖1所示。查表獲得橢圓函數低通濾波器的原型元件值:go=1.0,gL1=1.1726,gL2=0.6107,gL3=0.6906,gC1=0.9923,gC2=0.2380,gC3=1.2898,gC4=1.3153,gC5=1.0545,gC6=0.9385,gC7=0.5937。根據阻抗變換和頻率變換,可得到實際LC原件值:C1=0.877p F,C2=0.211p F,C3=1.14p F,C4=1.163p F,C5=0.932p F,C6=0.83p F,C7=0.525p F,L1=2.592n H,L2=1.35n H,L3=1.527n H。

我們使用仿真軟件ADS設計優(yōu)化電路原理圖,根據計算得到的L和C的理論值,經過仿真優(yōu)化確定最終合適的數值,在此基礎上著手建立分布參數模型。

1.1 串聯電容的設計 串聯電容采用交指電容,如圖2(a)所示,選用0.254mm厚度的Al2O3作為襯底基材,介電常數為9.9,損耗角正切為0.002,考慮到加工的可實現性,最小線寬設置為60um,最小線間距設置為60um。改變電容的方式主要有兩種:(1)通過改變交指枝節(jié)的數目;(2)通過改變交指枝節(jié)的長度。采用電磁場仿真軟件可以方便的計算出模型的電容值,但由于兩邊微帶線寄生參數的緣故,其對地會寄生出到地電容,其等效π模型如圖2(b)所示。以下圖2(b)中C2電容為例,其兩邊的到地電容C1和電容C3就是由于結構本身的寄生參數引起的。通過觀察圖1低通濾波器原型可以發(fā)現,串聯電容兩邊恰好有兩個到地電容存在,寄生電容剛好可以作為兩邊到地電容的一部分存在。這種寄生電容的存在反而方便了電路本身的設計,可以減小兩邊電容的容值。

圖1 橢圓函數低通濾波器原理圖

圖2 (a)交指電容模型;(b)交指電容等效電路

1.2 并聯電容的設計 并聯電容采用圖3所示的平行板到地電容模型,由于襯底基材底部鍍金,可與基板上表面的金屬板形成并聯到地電容。在4GHz以下由于邊緣寄生影響較小,可以直接忽略,完全等效為一個到地電容。

圖3 平行板到地電容模型

1.3 并聯電感的設計 觀察圖1中低通濾波器原型中的電感值,發(fā)現其電感值很小,最大只有2.592n H。此種情況下電感可以直接等效為一段細的微帶線。其模型如果4所示,通過電磁場仿真軟件可以方便的得到所需的電感值。

圖4 微帶線電感模型

根據上述對串聯電容、并聯電容和串聯電感物理模型的分析,可以方便得到各個原件的初值。但是從實際設計角度考慮,首先應該從中間電路元件開始,將C4的分布結構物理模型代入到ADS的濾波器模型中,然后重新進行優(yōu)化。采用逐個元件進行替換的思路,這樣才能保證設計的準確性和便捷性。采用此設計方法最終得到如圖5所示的低通濾波器模型。圖1原理圖中的C1、C3和C5因為串聯電容寄生到地電容的原因在優(yōu)化中被直接省去。濾波器仿真結果如圖6所示,濾波器的回波損耗都在-20dB以下,滿足設計指標要求。

圖5 陶瓷低通濾波器模型

圖6 陶瓷低通濾波器模型仿真結果

2 低通濾波器的實物與測試結果

采用厚度為0.254mm的Al2O3陶瓷基板進行實物加工,其介電常數為9.9,損耗角正切為0.002,最終的實物加工圖如圖7所示。其測試結果如圖8所示,在DC-3.5GHz通帶內,回波損耗<-16.5dB,邊帶插入損耗<2.1 dB,帶外抑制效果好,在4.15GHz>35 dBc,測試和仿真結果吻合的很好,滿足設計指標的要求,濾波器結構緊湊,尺寸僅為6.5 mm×4.5 mm。

圖7 低通濾波器實物圖

圖8 低通濾波器測試結果

3 結論

本文采用橢圓函數低通原型,基于陶瓷薄膜工藝設計了一款DC-3.5GHz小型化高性能低通濾波器,針對原理圖首先給出了分布參數模型電容和電感的設計方法,通過采用交指電容、平行板電容和細微帶傳輸線的方式分別實現串聯電容、并聯電容和并聯電感結構,并重點分析了串聯電容的π模型參數。在此結構中π模型兩邊寄生到地電容不僅影響整個電路的設計復雜度,而是可以直接等效到原型中的到地電容中去,有利于電路尺寸的設計減小。其次給出了整體電路模型的優(yōu)化設計思路,應該首先從中間元件可以進行逐一替代,每替換一個元件都要對電路進行優(yōu)化仿真,這樣才能保證設計的準確性和便捷性。最后加工了實物,通過測試發(fā)現實物加工圖的測試結果與仿真結果非常吻合,證明了設計思路的準確性。該濾波器結構緊湊、性能優(yōu)良,具有很高的工程實踐價值。