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微波筆記·LTCC帶通濾波器設(shè)計(jì)

2018-05-26 來源：微波射頻網(wǎng) 作者：趙強(qiáng) 字號：大中小

近期因?yàn)楣ぷ鞅容^忙，這一期的文章寫的時(shí)間比較長。由于濾波器綜合技術(shù)及電磁仿真軟件的長足進(jìn)步，現(xiàn)在的帶通濾波器設(shè)計(jì)都變得相對簡單快捷很多。如果了解各型諧振器結(jié)構(gòu)及耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)，然后配合一些設(shè)計(jì)技巧，就可以很靈活的設(shè)計(jì)出各型濾波器。前面13期的文章里和帶通濾波器相關(guān)的文章有：

第1期《如何在ADS中綜合耦合矩陣》（耦合矩陣綜合實(shí)例）
第2期《如何設(shè)計(jì)一個帶通濾波器》（梳線濾波器實(shí)例）
第6期《參數(shù)提取法設(shè)計(jì)帶通濾波器》（提高帶通濾波器設(shè)計(jì)效率）
第8期《圓波導(dǎo)雙模濾波器設(shè)計(jì)》（波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例）

本打算不寫濾波器方面的內(nèi)容了，有下面幾個理由促使我再重復(fù)一篇濾波器方向的文章。

最近收到很多網(wǎng)友的信息希望寫一些LTCC濾波器設(shè)計(jì)，微帶濾波器設(shè)計(jì)的文章
計(jì)劃第14期寫開關(guān)，但經(jīng)驗(yàn)有限，想表達(dá)的內(nèi)容還不能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕忉專恼逻t遲出不來
第6期《參數(shù)提取法設(shè)計(jì)帶通濾波器》中有不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑枰黄恼聛碜稣f明。

基于上述原因就決定通過一篇2.4G 200MHz左右的wifi頻段使用的LTCC濾波器來把這幾個問題一起解決了。我在LTCC上經(jīng)驗(yàn)也不是很多，只能根據(jù)我對濾波器的基礎(chǔ)理論理解，結(jié)合LTCC工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)仿真一個理想的LTCC濾波器，有不合理的地方歡迎探討。

細(xì)心的朋友可以看到這幾篇關(guān)于各型帶通濾波器的文章就只有一個步驟。

ADS或Excel計(jì)算各耦合系數(shù)需要的群時(shí)延
輸入群時(shí)延判斷輸入耦合尺寸及諧振器尺寸
雙腔群時(shí)延判斷級間耦合系數(shù)
整體電磁仿真，曲線擬合判斷優(yōu)化方向，最終設(shè)計(jì)出濾波器。

文章所有源文件見：鏈接:https://pan.baidu.com/s/1mauUtSPQa9xAkBrQWbrrQQ 密碼:4o1m

1. 2.4G BW=200MHz 4階LTCC濾波器設(shè)計(jì)

同嘉興佳麗電子的師兄探討知道國內(nèi)研究所通常用的LTCC材料為dupon951(介電常數(shù)7.8)，ferro A6M(介電常數(shù)5.9)。但成本很高，一般民營公司會采用自有粉料。這篇文章采用嘉興佳麗電子介電常數(shù)為10的自有粉料進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1)計(jì)算各耦合系數(shù)需要的群時(shí)延

通過ADS或excel小工具（有人反饋鏈接失效，這里重新發(fā)一遍）計(jì)算該濾波器所需要的各級耦合系數(shù)群時(shí)延特性見圖 1所示。

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1vLKV3cqvpqApsP376Kbn0g 密碼：u8rm

圖1 濾波器設(shè)計(jì)的理想?yún)?shù)計(jì)算

2)諧振器尺寸及輸入輸出耦合確定

如果想給出稍微準(zhǔn)確的初值可通過傳輸線理論大概估計(jì)初始尺寸，這里通過直接建模仿真獲取諧振器尺寸及輸入輸出耦合。在sonnet中建立圖 2所示的模型，該模型用多層交錯平板實(shí)現(xiàn)電容，用多層繞線實(shí)現(xiàn)電感，通過在電感上的抽頭實(shí)現(xiàn)輸入耦合。模型中結(jié)構(gòu)初始參數(shù)根據(jù)工藝條件和經(jīng)驗(yàn)任意給定。

圖 2 LTCC諧振器模型

通過一次建模，仿真發(fā)現(xiàn)頻率偏低，這時(shí)需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)縮小電感或電容將頻率調(diào)高至合適的位置。經(jīng)過幾次迭代或者掃描可以比較容易設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確的諧振器尺寸和抽頭位置。

最終經(jīng)過迭代設(shè)計(jì)出的抽頭位置和諧振器結(jié)構(gòu)見圖 2，迭代過程中通過輸入時(shí)延可以準(zhǔn)確判斷諧振頻率和耦合量，剩下的就是憑理論基礎(chǔ)或經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性調(diào)整了。

圖 3 準(zhǔn)確的諧振器、抽頭結(jié)構(gòu)以及仿真結(jié)果

3)級間耦合尺寸設(shè)計(jì)

復(fù)制諧振器1，擺放至相應(yīng)的位置，由于是集總的LC諧振器，級間耦合可以通過電感或電容進(jìn)行耦合。這里通過電容進(jìn)行耦合，建立圖 4所示的電容耦合雙諧振器模型，通過經(jīng)驗(yàn)大概調(diào)整至所需要的雙諧振器群時(shí)延值。

圖 4 雙諧振器群時(shí)延仿真

4)整體模型初步仿真

由于要設(shè)計(jì)4階濾波器，這里進(jìn)行雙諧振器仿真后便可通過對稱畫出完整的濾波器模型，對稱后加上23諧振器的電容耦合（在沒有交叉耦合情況下，級間耦合順序減小，由關(guān)于中間級對稱），模型見圖 5所示，初步仿真見圖 5所示。可以看見初步仿真結(jié)果并不理想，需要對濾波器進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

圖 5 總體模型及第一次仿真結(jié)果

5)數(shù)提取法優(yōu)化濾波器

在第6期《參數(shù)提取法設(shè)計(jì)帶通濾波器》設(shè)計(jì)帶通濾波器中對參數(shù)提取的應(yīng)用有詳細(xì)的介紹，但第6期的文章中未考慮接頭的相位加載（phase load），關(guān)于相位加載可參考文章《An Analytical Approach to Computer-Aided Diagnosis and Tuning of Lossy Microwave Coupled Resonator Filters》，提取參數(shù)時(shí)具有一定的局限性，去除相位加載也是這一篇特別說明的地方。

文章中去除相位加載的核心是讓理想耦合矩陣模型同仿真或測量的S2P文件中濾波器帶外遠(yuǎn)端的回波群時(shí)延和傳輸相位相等來確定相位加載量。

在ADS中建立圖 6所示的參數(shù)提取模型，通過調(diào)諧控件，將耦合矩陣模型和S2P的結(jié)果曲線盡量重合，給出合理的初值。通過調(diào)諧控件讓耦合矩陣響應(yīng)和S2P文件在1.5G到2G的回波時(shí)延和傳輸相位相等（或相位相差90度，根據(jù)S11和S33實(shí)部虛部的重合度判斷取90度還是0度）調(diào)諧完成后結(jié)果見圖 7所示。通過ADS優(yōu)化控件進(jìn)行耦合矩陣提取，曲線擬合的對比結(jié)果見圖 8所示，可以發(fā)現(xiàn)曲線擬合的重合度非常好。這時(shí)通過將提取出的耦合矩陣和理想耦合矩陣相比較便可得到濾波器模型的調(diào)整方向。

圖 6 參數(shù)提取的ADS模型

圖 7 去除相位加載示意圖

圖 8 去除相位加載后曲線擬合結(jié)果對比

經(jīng)過一次提取，提取結(jié)果見表格 1，可以發(fā)現(xiàn)諧振器2和諧振器3頻率均偏低，同時(shí)23間耦合偏小。先減小2、3諧振器的電感（電容耦合，更改電容容易引起耦合改變），使這兩個諧振器頻率升高。

減小電感后通過第二次提取，結(jié)果見表格 2，發(fā)現(xiàn)調(diào)整量過大。取第一次調(diào)整電感量的中間值再進(jìn)行一次調(diào)整。調(diào)整結(jié)果見圖 9所示，可以發(fā)現(xiàn)濾波器整體結(jié)果在收斂，繼續(xù)進(jìn)行多次參數(shù)提取和優(yōu)化便可以得到理想的響應(yīng)曲線了，這里不做過多說明，可自行感受。

表格 1 第一次提取結(jié)果