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1 具有传输零点滤波器设计原理
传输零点理论指的是滤波器传输函数等于零，即在这一频点上能量不能通过网络，因而起到完全隔离作用。通常带通滤波器在无限远的频点处其传输函数是趋于零的，称之为无限传输零点，但由于是无限远，因此没有实际意义。在实际设计的带通滤波器中为了使通带外有较大抑制，就需要在一些特定的频点处引入零点，这便是通常所指的有限零点。 LTCC中有多种引入零点方法，由于LTCC往往采用多层结构，器件排列紧密，相互之间电磁耦合也会很大，这通常会使得电路特性恶化。文中利用螺旋电感之间的耦合，提高电路特性。滤波器结构如图1所示，为了能和外部电路阻抗匹配，引入电容C1和C2，而C3和L1以及C4和L2各自组成一个谐振电路。其中，L1和L2交叉耦合系数为M，C5为接地电容。该结构可以看作两部分，上面一部分是一个典型的二阶带通滤波器，如图2所示。下面是一个对地耦合电容，如图3所示。带通结构产生所需要的通带特性，传输零点位于直流点和无限大频率处，引入的对地藕合电容，可以得到所需要的两个传输零点，而且对与它串联的带通滤波器的通带特性影响很小。 利用微波网络分析的方法，该二端口网络可以看成图2和图3两个网络的串联，整个网络的Z矩阵等于上下两个网络的Z矩阵之和。 该网络的传输系数S21可以通过网络的Z矩阵转化而来 其中，Z0为端口的特性阻抗，均为50 Ω。令S21=0，由式(2)可得 其中， 从而得到 利用ABCD矩阵级联相乘，再转化为Z矩阵，得到网络U的Z矩阵 将式(6)带入式(5)得 该方程的两个正根就是两个传输零点的频率值，从式中看到，通过改变耦合电容C，可以得到不同的零点频率。 |
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2 电路设计仿真
用插入损耗法设计滤波器。 若用其设计一个带内波纹为O.2 dB的切比雪夫二阶带通滤波器，根据滤波器设计原理可以确定电路中各元件的值。L1=L2=1.46 nH，C1=C2=0.82 pF，C3=C4=2.55 pF，M=10.02 nH，接地电容C=18 pF。利用ADS电路仿真软件来仿真，利用该软件得出电路的散射参数S，如图5所示。由式(7)知该电路有两个传输零点，在图中可以看到它们分别位于通带的两端，起到了带外抑制作用。而另一条曲线显示的是没有加接地电容，显然带外抑制效果差。 图5所示，接地电容不仅能够起到引入传输零点的作用，还能够控制传输零点的位置。 |
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3 LTCC中的结构布局
在电磁仿真软件中设计LTCC布局，为了有效利用电感之间的耦合，构造出图1所示的结构。所用介质材料的介电常数εr=7.8，3层为0.08 mm，第4和第5层0.18 mm，最下面的l层为0.25 mm，1层6层为接地面，1层和2层构成C5，2层和3层构成C3与C4，4层和3层构成C1与C2，第5层为螺旋电感构成L1和L2，它们之间耦合形成M。其结构由图6给出，当这两个对称的电感距离越近时互感值M便越大。整体大小为3 mm×3 mm×O.7 mm。 仿真工具选用AnsoftHFSS和IE3D，分别在各自环境下根据前面得到的元器件数值，设计出符合要求的集总元件尺寸。图7便是两种仿真软件所得出的结果，与ADS电路仿真结果吻合。 |
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4 结束语
结合LTCC技术设计出了一个中心频率在2.45 GHz的二阶带通滤波器，它不仅尺寸小巧，符合现代对无线产品小型化的要求。而且它在带外还有两个传输零点，很好地实现带外抑制，且能利用接地电容大小控制零点位置，有效地满足了在更小的尺寸内实现较好的射频功能。在电感电容等集总元件研究基础上，利用电路仿真，电磁仿真分析相结合的方法得到了设计仿真效果。 |
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