多层小型化滤波器的设计与实现

摘要 I 摘要 滤波器作为微波 /射频电路与系统中的一个关键部件，具有频率选择传输的特性。同时无线通信应用迅速发展对滤波器 提出“高性能、小型化、低成本、轻量化、高可靠”等发展要求，这成为目前微波滤波器的研究热点。 本论文基于 层技术，对高性能小型化微波滤波器相关理论、结构进行了研究。本论文的主要工作如下： 首先，针对滤波器高带外抑制的要求，在滤波器设计 中采用交叉耦合结构，相对传统结构滤波器，可以用较少的阶数 实现高选择性的传输响应。详细分析了交叉耦合滤波器模型和三种耦合结构，并 阐述了两个设计参数：耦合系数和外部品质因数的提取流程。另外，交叉耦合滤 波器可根据指标需要的不同实现对称或非对称的抑制，更加凸显了其高选择性的优势和设计的灵活性。 其次，着重分析了滤波器小型化设计技术，主要针对 层技术、阶梯阻抗结构（ 电容加载技术进行了系统研究。在第三章滤波器的实现中，为实现谐振器小型化，采用垂直交叉电容形 式，在有限的面积内得到了较大的加载电容，进而设计了中心频率均为 交叉耦合滤波器 A 和 B，其带宽分别为60 200输零点出现在高端的 一步设计了应用电容加载和 术的 叉耦合滤波器 C 和 D，分别应用于 段。结合 艺，对 质介电常数和带状线线宽各自可能的变化进行了容差分析。应用仿真软件 真和分析了滤波器的 试基板对其传输性能的影响。 最后，通过四川省高密度集成工程中心 艺线，完成了滤波器的制作和测试。其中采用 构滤波器 C 的尺寸为 证了采用交叉耦合 层结构实现滤波器小型化的可行性。 关键词： 叉耦合，多层滤波器I he as a of F of of of of of is as of of in is on to of of of is In a or is In of is to 000in to in in in of so is is to of CB on IR of 录 第一章 引言. 1 究背景和意义 . 1 叉耦合滤波器国内外发展现状 . 2 波器小型化新技术介绍 . 4 文主要工作和创新 . 6 第二章 . 8 波器综合基本理论 . 8 波器的主要类型 . 8 波器的传输函数和低通原型 . 9 波器主要技术指标 .叉耦合滤波器设计基础 . 12 叉耦合滤波器模型及分析 . 12 合系数和外部品质因素的提取 . 14 波器小型化技术 . 22 术 . 22 容加载技术 . 24 术 . 28 章小结 . 32 第三章 . 33 用电容加载技术的 叉耦合滤波器设计 . 33 波段滤波器 A 和 B 指标 . 33 波器 A 的三阶耦合矩阵与传输响应 . 34 用电容加载技术的多层谐振单元设计 . 36 容加载 输零点的分析 . 37 用电容加载技术的多层谐振单元的耦合结构 . 39 用耦合系数和外部品质因数构建三维结构 . 41 助 件对加载电容值进行快速调谐 . 42 目录 V 波器 A 的三维整体结构和仿真结果 . 44 用电容加载和 术的 叉耦合滤波器设计 . 46 波段滤波器 C 和 D 指标 . 47 波器 C 的三阶耦合矩阵 . 47 用电容加载和 术的多层谐振单元设计 . 48 分之一波长 输零点的分析 . 50 用电容加载和 术的多层谐振单元的耦合结构 . 50 用耦合系数和外部品质因数构建三维结构 . 51 助 件对加载电容值进行快速调谐 . 53 波器 C 的三维整体结构和仿真结果 . 54 差分析 . 57 试基板对滤波器性能的影响 . 58 章小结 . 59 第四章 . 61 波器制作 . 61 一版滤波器实物 . 64 一版滤波器的测试和分析 . 64 波器的测试结果 . 65 波器测试结果的分析 . 67 波器的改进制作方案 . 69 二版滤波器 C 和 D 的实物 . 69 二版滤波器 C 和 D 的测试结果 . 70 第五章 结论与展望. 72 致 谢 . 74 参考文献. 75 攻硕期间取得的研究成果. 78 图目录 目录 图 1种适用于移动蜂窝电话的典型电路拓扑结构图 . 1 图 1叉耦合滤波器的的基本耦合结构 . 3 图 2种基本滤波器 . 9 图 2叉耦合滤波器二端口网络 . 12 图 2 阶交叉耦合滤波器等效电路 . 13 图 2耦合谐振器 . 15 图 2耦合谐振器 . 16 图 2合耦合谐振器 . 17 图 2合系数的计算 . 19 图 2型输入和输出端的耦合结构 . 20 图 2电源驱动的谐振等效电路 . 20 图 2部品质因数的计算 . 22 图 2分之一波长 变为电容加载 . 25 图 2埋置电容结构图 . 26 图 2端口 型结构 . 26 图 2埋置电容的近似值 . 28 图 2分之一波长谐振器结构演变为 . 28 图 2用三种电长度 振器 . 29 图 2分之一波长 振器的电学参数 . 30 图 2振器的谐振条件 . 31 图 3叉耦合滤波器设计流程图 . 33 图 3波器 A 的三阶耦合拓扑结构图 . 34 图 3阶交叉耦合滤波器的理想传输响应 . 35 图 3想电感和电容的相移传输特性 . 35 图 3波器 A 三个谐振器间耦合特性图 . 36 图 3载电容的 状线 . 37 图 3接馈入 构 . 38 图目录 3接馈入 集总参数电路 . 38 图 3阶电容加载 耦合结构 . 39 图 3行耦合带状线的偶模和奇模电力线分布 . 40 图 3容加载的均匀阻抗三阶交叉耦合结构 . 41 图 3匀阻抗三阶交叉耦合结构滤波器的耦合系数 . 42 图 3部品质因数的提取 . 42 图 3匀阻抗三阶交叉耦合结构滤波器的 计 . 43 图 3匀阻抗三阶交叉耦合结构滤波器的 真结果 . 43 图 3匀阻抗三阶交叉耦合结构滤波器 A 的三维结构 . 44 图 3波器 A 的最终三维仿真结果 . 45 图 3波器 B 的最终三维仿真结果 . 46 图 33矩阵的理想传输响应 . 48 图 3载电容的 状线 . 48 图 3载电容的 状线耦合部分的奇偶模电力线分布图 . 49 图 3接馈入 构 . 50 图 3阶四分之一波长 耦合结构 . 51 图 3阶 交叉耦合结构 . 51 图 3阶 叉耦合结构滤波器的耦合系数 . 52 图 3部品质因数的提取 . 52 图 3构滤波器的 计 . 53 图 3阶 叉耦合结构滤波器的 真结果 . 54 图 3阶 叉耦合结构滤波器 C 的三维结构 . 55 图 3波器 C 的最终三维仿真结果 . 55 图 3波器 D 的最终三维仿真结果 . 56 图 3同介电常数下滤波器 C 的 . 57 图 3同线宽下滤波器 C 的 . 58 图 3波器 C 的测试基板 . 58 图 3波器 C 的等效电路 . 59 图 3入 试基板前后结果比较 . 59 图 4波器工艺流程 . 61 图 4波器 A 和 B 的光绘膜文件 . 62 图 4波器 C 和 D 的光绘膜文件 . 62 图目录 4片工艺 . 63 图 4片对位误差（ a）和丝网印刷时导体银浆的扩散（ b） . 63 图 4一版滤波器的实物图 . 64 图 4波器 C 的测试基板 . 64 图 4波器 A 的测试与仿真结果比较 . 65 图 4波器 B 的测试与仿真结果比较 . 65 图 4波器 C 的测试与仿真结果比较 . 66 图 4波器 D 的测试与仿真结果比较 . 66 图 4同参数对滤波器 A 性能的影响 . 68 图 4同参数对滤波器 C 性能的影响 . 68 图 4二版滤波器 C 和 D 的实物图 . 70 图 4二版滤波器 C 和 D 的测试与仿真结果比较 . 71 表目录 目录 表 2波器的低通原型 . 10 表 3容加载三阶交叉耦合滤波器的设计指标 . 34 表 3叉耦合为容性耦合时的相位变化 . 36 表 3波器 A 谐振器长度对比 . 46 表 3阶 叉耦合结构滤波器的设计指标 . 47 表 3波器 C 谐振器长度对比 . 56 缩略词表 X 缩略词表 子设计自动化软件平台维电磁仿真软件匀阻抗谐振器 梯阻抗谐振器 ow 温共烧陶瓷 CT 胞交叉耦合结构 CQ 胞交叉耦合结构 第一章 引言 1 第一章 引言 研究背景和意义 滤波器作为分离信号所用的关键元件，在射频和微波 领域中起着重要作用，其性能的好坏直接关系到系统能否达到预 期的目标。随着无线通信系统的不断发展，需要在有限的频谱资源内划分出更多 的频段。为了提高通信容量和降低相邻信道间信号的串扰，对滤波器的选择性能提出了更高的要求。在新兴的 2G、 3通信系统中，如图 1典型蜂窝电话的电路拓扑结构，需要滤波器具有更高的性能、更小的体积、更轻的重 量和更低的成本。近年来人们在包括高温超导材料（ 、低温共烧陶瓷（ 、微波单片集成电路（ 、微机电系统（ 显微机械加工技术在内的一系列新材料和制造工艺中取得的进步，加快了各种新颖的微带和其它种类滤波器的发展1。与此同时，应用全波仿真软件（ 计算机辅助设计工具彻底改革了滤波器的设计，使得数据分析和优化计算的时间明显减少。当今滤波器研 究的热点集中在如何实现滤波器的高性能和小型化。 图 1种适用于移动蜂窝电话的典型电路拓扑结构图 传统的微波滤波器响应分为巴特沃斯、切比雪夫和椭 圆函数三种响应。其中前两种滤波器为了实现高选择性的目标，只能通过不断增加滤波器的阶数来满足，电子科技大学硕士学位论文 2 但是这样设计得到的滤波器在体积和重量 上都不具备优势，而且其通带内的插入损耗也会增大，无法满足高性能和小型化 的要求。椭圆函数滤波器可以产生带外传输零点，提高选择性，但是零点的位置 由阶数和阻带纹波确定，且只能关于中心频率对称，因而不方便调谐2。 基于广义切比雪夫函数的交叉耦合滤波器综合了切比 雪夫和椭圆函数滤波器的优点，通过引入各种耦合技术、馈电技 术和新结构，可用较少的阶数实现奇数阶或偶数阶、任意传输零点位置的响应3，而且传输零点可以达到和阶数一样多的个数。另外，在带外抑制方面，交叉耦合 滤波器可根据指标需要实现对称或非对称的抑制，更加凸显了其高选择性的优势和设计的灵活性。 交叉耦合滤波器主要分为腔体结构和微带结构两类， 腔体结构有较高的 Q 值，结构简单，易于制造，有丰富的耦合方法 和承载大功率的能力，但其体积较大，无法用于便携移动领域。而微带滤波器因具备： 1）尺寸相对较小，其自身介质基板的相对介电常数决定了尺寸大小； 2）电路结构比较紧凑，一般采用印制电路方式，制作简单，成本也不太高； 3）具有易于与其它射频、微波元器件集成等优点，成为当前在射频、微波频段应用最广泛的 滤波器。虽然工程师利用微带结构能生成多种多样新奇和紧凑的谐振器，应用于 交叉耦合滤波器。但耦合结构还是仅限于同一个平面。而且在现代通信领域热门的射频 /微波频段，微带结构还面临着因单个谐振器的尺寸较大，而使整体滤波器 体积成倍增大的问题。如果能将耦合结构同时向纵向发展，这一问题将会得到大 大缓解，而且纵向的耦合结构还具有较强的谐振器间耦合强度以及能引入新的耦合的优势。可惜传统的 状线不易实现复杂的多层电路结构。 上世纪八十年代出现的低温共烧陶瓷（ 术和高温共烧陶瓷（ 术，可以将射频、微波常用的无源元器 件集成到其多层电路结构中，有利于系统整体体积的减小和一体化设计。特别是 术能够实现印刷导体浆料和介质一次共烧，而且烧结温度较低，有效地保证了产品的可靠性。应用 术，可以使交叉耦合滤波器的谐振器的结构实 现形式更加灵活，谐振器间的耦合结构丰富多样，同时滤波器的体积还可以得到 减小，为其带来更广泛的应用前景。因此研究采用 术的交叉耦合滤波器具有十分重要的意义。 交叉耦合滤波器国内外发展现状 交叉耦合滤波器可以采用比直接耦合结构更少的阶数 ，而实现与其相同或更第一章 引言 3 好的传输性能（包括通带和阻带抑制性能） 。如果传输零点位于实频域内，通过设计合理的交叉耦合矩阵，可以将其安置在 滤波器传输阻带的任意位置，进一步提高了选择性。因此，交叉耦合滤波器的耦 合理论，包括归纳典型拓扑结构并对其消元，综合特征多项式并提取耦合矩阵， 以及矩阵化简等，成为目前很多专家和学者研究热点。 美国人 J. R. 1948 年首次提出了应用交叉耦合多路结构实现滤波器的思想， 但是直到 1966 年， E. C. R. M. 合作设计出了三腔 （ 四腔（ 构的交叉耦合滤波器4，并且利用谐振腔体间的交叉耦合实现了除正负无穷远以外的传输零点，这便是交叉耦合滤波器的最早原型。 1974 年， 交叉耦合滤波器等效电路模型的基础上， 首次提出了实现这种结构的的综合理论5，并指出其拓扑结构可以由解析的方法得到。但是这种由低通原型滤波器综合得到的耦合矩阵是一个满阵，包 含不需要的交叉耦合，需要通过化简消除不必要的耦合。 20 世纪 80代， 传统切比雪夫响应的基础上，致力于滤波网络综合理论的研究， 将其推广得到广义切比雪夫函数6给出了其矩阵的综合方法，并将其应用到交叉耦合 滤波器设计中，使得广义切比雪夫滤波器得到广泛的关注。 3a）三胞结构（ （ b）四胞结构（ 图 1叉耦合滤波器的的基本耦合结构 交叉耦合滤波器的的基本耦合结构是三胞结构（ 四胞结构（ ，其中 构是由三个基本的谐振单元组成，如图 1a）所示，通过 3之间的交叉耦合，可以产生一个有限频率的传输零点8。而 构则是由四个基本的谐振单元组成，如图 1b）所示，可以产生两个有限频率的传输零点9。当基本耦合结构无法满足系统所需要的高选择性或群时延指标时，分别级联 构，或同时采用两种耦合结构，就 可以得到高阶的交叉耦合滤波器10。 E. P. 人研制了适用于未来移动通信系统的高温超导滤波器11，采用 10 阶三胞和四胞混合级联形式。其带宽为 10作在通用移动电信系统电子科技大学硕士学位论文 4 的基站接收频段，带内插损最小值为 波损耗大于 12有很好的带外抑制和类椭圆滤波器作用等特点。 u 和 研制了具有三胞和四胞混合集成响应的微带平行耦合滤波器12，其采用一种四阶平行耦合滤波器作为基本结构，论证了多种传输零点的结合。仿真和测试结果非常吻合。 随着阶数的增加，迫切需要相应的理论支撑，以减少滤波器的设计时间。 2003年， 一步研究了交叉耦合滤波器的传输零点，总结了一种传输零点个数和滤波器阶数一样多的矩阵综合方法13， 将其维数由 N 阶扩展到 N+2 阶。 u 等人研制了六阶平行耦合滤波器14，其利用源至第三阶谐振器和负载至第四阶谐振器形成交叉耦合， 得到两组四胞结构；同时源和负载的交叉耦合形成了第三组四胞结构。这些四胞结构产生 3 个有限传输零点，其位置可以由耦合强度任意确定。 得到耦合矩阵后，还需要对其进行化简，否则无法实 现相应的耦合结构。目前耦合矩阵的求解主要采用 优化法和 相似变换法。两种方法各有利弊，前者须指定目标函数，通过 遗传算法不断逼近，得到的耦合矩阵不唯一，还存在精度不高和收敛慢的缺点； 后者采用矩阵相似变换的方法，其基本思想是给耦合矩阵匹配出合适的拓扑结构 ，这样就可知哪些谐振单元间存在耦合结构，再反映到耦合矩阵，经过不断的变 换，使存在耦合结构的对应耦合系数不为零，而不存在耦合结构的对应耦合系数则为零， 即得到所需的矩阵，而这种方法的难点就在于难于构造相似变换矩阵。 一步给出了 几种特殊拓扑结构的的消元方法。 这些消元方法为滤波器的设计提供了更高的自由度。 国内研究基于广义切比雪夫的交叉耦合滤波器起步比 较晚，包括林为干、吴万春和李嗣范在内的一些著名专家对其理论做了很多有益的补充和工作。 滤波器小型化新技术介绍 交叉耦合矩阵需要滤波器的实现形式多样化，同时新 颖和紧凑的谐振器结构有利于改善滤波器的传输特性。近年来， 一系列新材料和新技术的应用为滤波器的实现形式和谐振单元设计带来新的变化，主要集中在以下几个方面： （ 1） 术 术诞生于 膜技术） ，由美国的休斯公司于 1982 年研发出来，应用于军事和航天的高新材料技术15。其为电子元器件的微型化和模块化提第一章 引言 5 供了很好的解决途径。并随着材料和工艺技术的不断发展， 术也逐渐向民用发展。美国作为发源地，在 术方面保持了领先优势，三星和日本的村田公司也推出一系列调谐器和滤波器产品，占领市场。 品已广泛应用于军事、航空航天、电子和通信、以及汽车和医疗等领域。 发展趋势包括： 1）提高品质因数，进一步降低高频损耗； 2）更小的线间距和更高的精度； 3）内挖深腔实现有源器件封闭安置，实现整体的一体化封装； 4）制备接近零收缩率的生瓷带； 5）完成 用元器件的模型建库，减少设计时间并实现模块化和准确的设计。 在图 1人移动通信的典型电路中，滤波器在射频 /微波器件中应用最广泛，因而实现了其小型化设计和封装，可以极大减小系统的体积16。采用 术可以实现多层电路布版和三维的耦合结构 ，在减小滤波器的体积的同时，还提高了其性能和稳定性。其典型的结构是：在 最外层用白片充当滤波器的保护层，再往里是用导体银浆印刷的金属地作屏蔽层 ，结合实际的工艺考虑，金属地往往用网格金属地代替，以保证层与层间的粘连 性和最后烧结时不断裂。中