基于LTCC技術(shù)的S波段雙工器的設(shè)計(jì)

吳寶東，雷長春

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

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基于LTCC技術(shù)的S波段雙工器的設(shè)計(jì)

吳寶東，雷長春

(中國船舶重工集團(tuán)公司第723研究所,揚(yáng)州 225001)

借助低溫陶瓷共燒(LTCC)技術(shù)和三維疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了有限傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器(BPF)，然后通過匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種S波段雙工器，利用HFSS仿真軟件對其對其參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。該雙工器尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，在2.06 GHz和2.21 GHz處的插損小于-3.72 dB，在1.87 GHz和2.32 GHz處衰減大于-55 dB，在1.51 GHz到2.52 GHz處隔離度小于-12 dB,達(dá)到了雙工器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求和小型化的目的。

低溫陶瓷共燒技術(shù);傳輸零點(diǎn);雙工器;小型化

0 引 言

當(dāng)今通信領(lǐng)域中由于各個微波頻段中各種系統(tǒng)的頻率擁擠及多信道實(shí)時雙向通信的要求，使得雙工器成為現(xiàn)代通信設(shè)備中必不可少的組成部分。如何實(shí)現(xiàn)小體積、高性能和低成本的雙工器已經(jīng)成為雙工器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。低溫陶瓷共燒(LTCC)技術(shù)具有高集成度、高性能和高可靠性等特點(diǎn)[1]，可將二維電路的布局變?yōu)槿S電路布局，成為多層無源器件和電路設(shè)計(jì)的主流，對微波無源器件的小型化起到了極大的推動作用。因此，利用LTCC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)雙工器的小型化設(shè)計(jì)和集成化設(shè)計(jì)。

本文借助LTCC材料和三維層疊結(jié)構(gòu)的方法，設(shè)計(jì)出了一種帶有限傳輸零點(diǎn)的S波段雙工器，其尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm，收發(fā)頻率分別為2.06 GHz和2.21 GHz,帶寬為60 MHz，達(dá)到了高性能和小型化設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)原理

雙工器設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)就是收發(fā)用的帶通濾波器設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)的帶通濾波器在阻帶內(nèi)插損大，以便抑制設(shè)備不需要的頻率，通帶內(nèi)插損耗小，便于設(shè)備需要的信號無損通過。為了達(dá)到上述目的，本文采用了有限零點(diǎn)帶通濾波器設(shè)計(jì)的方法。傳輸零點(diǎn)理論指的是濾波器傳輸函數(shù)等于零，即在這一頻點(diǎn)上能量不能通過網(wǎng)絡(luò)，因而起到完全隔離的作用。通常帶通濾波器在無限遠(yuǎn)頻點(diǎn)處的傳輸函數(shù)是趨于零的，稱之為無限傳輸零點(diǎn)，但由于是無限遠(yuǎn)，因此沒有實(shí)際意義。在實(shí)際設(shè)計(jì)的帶通濾波器中為了使通帶外有較大的抑制，就需要在一些特定的頻點(diǎn)處引入傳輸零點(diǎn)，這便是有限傳輸零點(diǎn)。濾波器作為二端口網(wǎng)絡(luò)，只要在網(wǎng)絡(luò)端口某頻率點(diǎn)處的傳輸阻抗為無窮大(導(dǎo)納為零)或者與地之間的傳輸阻抗為零(導(dǎo)納為無窮大)，就可以實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)[2]。在網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)支路中有并聯(lián)諧振或并聯(lián)支路中有串聯(lián)諧振時，都能在產(chǎn)生諧振的頻率點(diǎn)處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。圖1為最基本的串、并聯(lián)諧振支路，可根據(jù)電路設(shè)計(jì)需要衍生出更多的電路，產(chǎn)生多個頻率點(diǎn)上的傳輸零點(diǎn)，從而滿足不同的設(shè)計(jì)需求。

圖1 并、串聯(lián)電路中的串、并聯(lián)諧振

設(shè)計(jì)的2個帶通濾波器分別調(diào)諧于收頻和發(fā)頻，分別通過 “T”型匹配網(wǎng)絡(luò)相連，從而滿足兩端口之間的隔離度。為使電路中總的輸入導(dǎo)納在2個帶通濾波器的通帶里為一恒定實(shí)常數(shù)，將兩個帶通濾波器通過λ/4傳輸線變換后接到天線段。在工作頻段內(nèi)每個帶通濾波器輸入端相對另一個帶通濾波器為短路，兩個濾波器之間的相互影響較小。

2 濾波器設(shè)計(jì)

采用二階巴特沃滋濾波器電路作為原型，在此核心電路基礎(chǔ)上加上輸入、輸出匹配電容CI和CO，等效電路如圖2所示，此電路可產(chǎn)生一個傳輸零點(diǎn)。

圖2 單傳輸零點(diǎn)帶通濾波器的集總參數(shù)電路原型

為求得電路中各個元件的數(shù)值，對圖2中的L1和L2之間的互感電路進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換[3]，如圖3所示。轉(zhuǎn)換公式如下:

LL1=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L2-M)

(1)

LL2=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/(L1-M)

(2)

MM=[(L1-M)(L2-M)+(L1-M)M+ (L2-M)M]/M

(3)

圖3 互感等效網(wǎng)絡(luò)構(gòu)

互感等效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后的等效電路如圖4所示。

圖4 單傳輸零點(diǎn)帶通濾波器的等效電路圖

利用圖4可以解釋分析此濾波器的工作原理，但圖4中的電感L(即MM)較大，使得實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圖2中的互感M比較小，便于縮小尺寸。因此，利用LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)濾波器時還是以圖2中電路為佳[4]。

利用公式(1)～(12)計(jì)算圖2中各個元件的值[5]，CS=0.38 pF，CR=2.1 pF，CI=CO=0.28 pF，L1=L2=1.8 nH，M=0.26 nH。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

鏡像頻率ωc[5-6]計(jì)算如下:

(11)

式中：wz為傳輸零點(diǎn)頻率;w0為通帶中心頻率;Z0為終端阻抗;BW為3 dB帶寬;α為設(shè)計(jì)變量[7]。

在電磁仿真軟件中設(shè)計(jì)LTCC布局，為了有效利用電感之間的互感，構(gòu)造出如圖5所示的結(jié)構(gòu)。使用的介質(zhì)材料為Ferro-A6型LTCC材料，損耗角正切值為0.002，相對介電常數(shù)為5.9，層厚為0.1 mm。從圖5可清楚地看出，電路分為5層。最下層為第1層用金屬覆蓋作為地。第1、2層的電極之間形成了CR，第3、4層形成了CS，第4、5層為U型金屬條形成了電感L1和L2，它們之間的耦合形成了互感M，當(dāng)這兩個電感的距離越近時，互感M越大。第4、5層上的其它金屬間的容性耦合形成了電容CI和CO。利用LTCC實(shí)現(xiàn)的帶傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器結(jié)構(gòu)尺寸為4.6 mm×2.8 mm×0.6 mm。

圖5 利用LTCC實(shí)現(xiàn)帶傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器

利用AnsoftHFSS電磁仿真軟件進(jìn)行了S參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 帶傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器仿真S參數(shù)

同理可設(shè)計(jì)出中心頻率w0=2.21GHz, 需要抑制的本振鏡像頻率wz=2.32GHz,WB=60 MHz的濾波器。

3 雙工器的設(shè)計(jì)

將2個帶通濾波器分別通過λ/4傳輸線進(jìn)行阻抗變換，并通過T型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，形成的雙工器如圖7所示，尺寸為18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm。

圖7 利用帶傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)的S波段雙工器

利用AnsoftHFSS電磁仿真軟件進(jìn)行了S參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 基于LTCC的S波段雙工器仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

結(jié)合LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)了一個收、發(fā)頻分別為2.06 GHz和2.21 GHz的雙工器，尺寸小巧，并利用傳輸零點(diǎn)有效實(shí)現(xiàn)了對帶外信號的抑制，為工程設(shè)計(jì)提供了有益的探索。

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Design of S-band Diplexer Based on LTCC Technology

WU Bao-dong，LEI Chang-chun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper designs a band-pass filter (BPF) with a limited transmission zero by using low-temperature co-fired ceramic (LTCC) technology and 3-demension overlap structure design method,then designs an S-band diplexer through matching network,and uses HFSS simulation software to simulate and optimize the parameters.The diplexer dimension is 18.4 mm×15.8 mm×0.6 mm,the measured insertion loss is less than -3.72 dB at the frequency of 2.06 GHz and 2.21 GHz,and the decay at 1.87 GHz and 2.32 GHz is larger than -55 dB,the isolation between the frequency 1.51 GHz and 2.52 GHz is less than -12 dB,which satisfies the requirement of diplexer design index and miniaturization purpose.

low temperature co-fired ceramic technology;transmission zero;diplexer;miniaturization

2014-11-16

TN713

B

CN32-1413(2015)02-0105-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.027