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浙江工业大学硕士学位论文 基于低温共烧陶瓷技术的高频平衡滤波器模块的设计 摘要 在现代无线通信中，为了实现更好的射频电路性能，推动射频元件越来越向微型化、 高频化和集成模块化的方向发展。平衡滤波器作为射频前端的重要无源器件，其设计与开 发也得到长足的发展。基于低温共烧陶瓷技术( l o w t e m p e m t u r ec o 五r e d c e r a l l l i c ，l t c c ) 的平衡滤波器能够满足小型化、高频化、低成本的要求。本文利用l t c c 技术对使用在蓝 牙与w l a n 的平衡滤波器的设计方法进行了分析。 本设计项目是与深圳顺络电子有限公司合作，基于l t c c 工艺，采用电路结构仿真和 电磁三维仿真相结合的方法对工作于2 4 5 g h z 的平衡滤波器进行设计分析。本文具体研究 内容如下： 1 带通滤波器设计。在通带设计上，从低通滤波器原型出发，利用导纳j 变换器得到 两种带通滤波器模型，即电容耦合的带通滤波器模型和电感耦合的带通滤波器模型，本文 采用的是利用电感耦合实现的带通滤波器模型。在电路结构上，利用短路耦合线架构成常 用的二阶梳状带通滤波器，其耦合方式是电感耦合。对电路的具体结构，本文采用网络分 析方法进行了详细分析。在阻带设计上，引入传输零点来加快阻带抑制。本文全面分析了 传输零点的形成原理，利用变形谐振腔或是利用级间交叉耦合的方式获得高低阻带的传输 零点。电路结构仿真与电磁三维仿真结果均符合l t c c 带通滤波器的设计要求。 2 巴伦电路的设计。巴伦的网络参数能够通过对称的四端网络得到，其明确的显示 出巴伦与输入输出地阻抗匹配关系。巴伦的主要结构采用三线耦合加载并联电容来实现， 利用科洛达准则来证明提出的电路设计能够实现一个巴伦功能。所提出的巴伦是由两种常 用的滤波器结构构成，一种是梳状滤波器，另一种是叉指滤波器结构，本文也证明了提出 的巴伦结构可以采用传统的滤波器设计方法来分析设计。设计的巴伦在电路与电磁仿真 中，其结果符合l t c c 巴伦的设计要求。 3 具有传输零点的平衡滤波器设计。借用传输零点形成原理，将原本电容馈入转换 层并联谐振腔馈入，本文利用此并联谐振腔在低阻带产生一个传输零点，而高阻带的零点 加入时则利用变形谐振腔产生。本文设计的平衡滤波器封装尺寸为2 o 1 2 5 0 9 舢n 3 ，最 浙江工业大学硕士学位论文 大带内插损4 6d b ，平衡端口的幅度不平衡性为o 3 d b ，平衡端口的相位不平衡性为4 1 。 在高低阻带具有传输零点。 关键词：平衡滤波器，l t c c ，耦合线，传输零点，巴伦 浙江工业大学硕士学位论文 d e s i g no fh i g h f r e q u e n c y b a l a n c e df i l t e r m o d u l eb a s e do ni j c ct e c h n o l o g y a b s t r a c t i nm o d e mw i r e l e s sc o 皿姗n i c a t i o n ，t h er e q u i r e m e n to f h i 曲e rp e r f o m l a n c er fc o m p o n e n t l e a d st om i i l i a t u r i z a t i o n ，h i g h 丘e q u e n c y 锄di n t e g m t i o no fr fc o m p o n e n t a sa ni m p o r c a n t c o m p o n e n tf 0 i r fm o d u i e ，t h ed e s i g na n dd c v e l o p m e n to fb a l a n c e d6 l t e ra l s oh a s9 0 tg r e a t i i i l p r o v e m e i l t t h eb a l a n c e d 丘l t e rb a s e d0 nl t c ct e c l u l o l o g yc a nr e a l i z e 廿l er e q u i r e m e l l to f s m us i z e ，h i 曲仔e q u e i l c y 锄dl o w c o s t u s i n gu c ct e c t l l l o l o g y n l eb a l a n c e df i l t e ri sa n a l y z e d ， w h i c hi sw i d e l yu s e df 0 rb l u e t o o t l la n dw i r e l e s sl a n i nt h i sp a p t h ec i r c u i ts i 枷l a t i o n 锄dm a 印鲥cs i m u l a t i o na r eu s e dt oa m l y z e 锄dd e s i g i l 也el 1 c cb a l a n c e df i l t e rw i t h2 4 5 g h z 舒e q l u e i l c y t h em a i l lc o m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a n d p a s sf i l t e rd e s i g l l t h ed e s i 9 1 1i nt h ep a s s b a n di sd 丽v e d 丘o ml o w - p a s sp r o t o t y p e 丘1 t e r m a k i i l gu s co fji n v e r t e re n a b l e su st oc o n v e nt h el o w - p a s sp r o t o t y p e 丘l t c rt ot w ok i n d so f b a n d p a s sm d i m e n t ，0 n ei sb a n d p a s s 丘l t e r 淅t hc a p a c i t i v ec o u p l i n g ，锄dt h e0 t h e ri sb a n d p a s s 丘l t e r 谢t hi i l d u c t i v ec o u p l i i l g i nm i sp a p t h ec i r c u i tc o n 6 9 u r a t i o nu t i l i z e sm eb a n d p a s s 丘l t e r 州t 1 1i n d u c t i v ec o u p l i n ga n du t i l i z i n gt h es h o n e dc o u p l e dl i n e 埘t l li n d u c t i v ec o u p l i i l gc o m p o s e s o fas e c o n d 一0 r d e rc o m b i i l eb a n d p a s s6 l t 瓯i ti n 仃o d u c e st h ea n a l y s i so fn 咖o r kw l l i c he x p l a i n s m ec i r c u i tc o n 丘g u r a t i i nd e t a i l t r 锄s m i s s i o nz e r o sa r ei i l 仃o d u c e di nt h es t o p b a n 也a n d 1 e m e o r yo f 觚n s m i s s i o nz e r o si sd e s c ! r i b e d am o d i 6 e dr e s o n a t o ri n 扛o d u c e sat r a i 塔i i l i s s i o nz e r o s i i lt h el o ws t o p b a n d0 rh i 曲s t o p b a n da n dt h ec o u p l i n gb e t w e e l lt h er e s o n a t o ra l s 0c a ni n t r o d u c e 仃a n s r i l i s s i o nz e r o si nt h el o ws t o p b a i l d0 rl l i 曲s t o p b a n d t h er e s u l t so fc i r c u i ta n d3 - dm a g n e t i c s i 舢l a t i o na c c o r dw i t ht h ed e s i g i lr e q u i r 锄e n t 2 b a l u nd e s i g n t h e4 - p o r tn e t w o r kp a r a m 鼬e r sa r er e d u c e dt o3 巾o nn e t w 研kp a r a m e t e r s ， w h i c hi n d i c a t et h er e l a t i o nb e t 、v e e nb a l u nn e t w o r kp a r a m e t e r sa n di n p u ti m p e d a n c e t h em a i n c o n 矗g u r a t i o ni sc o n l p o s e do ft h r e ec o u p l e dl i i l e 谢t hc a p a c i t a n c ei o a d t h ek u 硼am l ee x p l a i n s t h a tt h ed e s i 弘r e a l i z eb a l u n 血n c t i o n t h ed e s i 盟c o n t a i n s 似ot ) ，p e so ft h eb a n d p a 豁6 l t e r c o n 丘g u r a t i o l l ，w r h i c hi sc o m b l i n e 矗l t e ra n di n t e r d i g i t a lf i l t 盯t h u s ，仃a d i t i o i l a lc o u p l e d - r e s o 眦t o r 石l t e rm e o 巧c 锄b eu s e dt od e s i g i la n da n a l y z es u c ht h ed e v i c ei no r d e rt o0 b t a i l le x c e l l e m i i i 浙江工业大学硕士学位论文 b a n d p a s s 仃a n s l l l i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c t t l er e 跚l t so fc i r c u i ta n d3 - di i l a g l l e t i cs i n “a t i o na c c o r d 诵t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t 3 t h ed e s i g no f b a l a n c e df i l t e r 谢t h 仃a n s 痂s s i o nz e r o s ap a r a l l e lr e s o n a t o ri su s e da ti n p u t p o r tt op r o d u c ea 订a n s i l l i s s i o nz e r 0a tt h e1 0 w e rs t o p b a n d t h ep r o p o s e df i h e rw a sc o n f i g u r e db y u s i n gm o d i f i e dr e s 0 n a t o r s ，w h i c hc a nb eu s e dt 0p r o v i d ea 仃a n s m i s s i o nz e r ol o c a t e da tu p p e r s t o p b a n d丘e q u e n c y a2 4 5 g h zs i n 酉e t o b a l a n c e db a n d p a s s 丘l t e r、i t has i z eo f 2 0 m m 1 2 5 m m 0 9 m mh a sb e e ni m p l e m e n t e di na 枷l t i l a y e r e dl o w - t e m p e m t u r ec o f i 】r c d c e m m i c ( l t c c ) s u b s t r a t e ，t h es i m u l a t e dr e s u l t sa r et h a tt h em a x i m u mo f4 6d bi n s e r tl o s s ，t h c m a x im 啪o f0 3d ba m p l i t i l d ei m b a l a n c ea n dm a 姬m u m4 1o o fp h a s ei m b a l a n c ea r ea c l l i e v e di l l l ep a s s b a n d ，r e s p e c t i v e l y k e yw b r d s ： b a l a n c e d6 1 t u c c ，c o u p l e dl i n e ，缸a n s i i l i s s i o nz e r o ，b a l u n 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 随着现代无线移动通信系统的迅速发展，人们对射频前端无源器件的低成本、小型化、 轻型化、高性能提出了更高的要求。传统的二维电路布局设计，例如常用的印刷电路板 ( p c b ) 封装技术，使射频前端无源器件占用面积过大，已越来越不满足现代无线通信系 统的要求。为了微型化通讯设备与器件，最初的努力是寻找高介电常数占，、高品质因数q 和温度特性好的微波介质材料，目的是减小介质谐振器的尺寸，获得较小的单个元器件。 而将多个无源元器件进行集成，就务必寻求新的封装技术【l 】。目前形势下，有两大新技术： 一种是单片微波集成电路( m m i c ) 技术，i c 的整合性高，但缺点是整合性越高，成本急剧 增加，且仍受材料与工艺技术的限制，不易将大量无源元件整合到i c 中【2 】。另一种技术可 以将多个l s i ( 1 a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) ，v l s i ( v e r yl a 唱e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 的裸芯片，高密度 贴装在多层布线的p c b 、多层陶瓷( 厚膜) 基板或薄膜多层布线的基板上，然后再整体封 装起来构成能完成多功能、高性能的电子部件，这种技术就是多芯片组件( m c m ) 技术。 m c m 的出现为电子系统实现小型化、模块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保 障【3 1 。 低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术作为m c m 技术中最重要的一种技术，由于自身的优势被应 用于现代无线通信系统领域，l t c c 不仅具有损耗小、集成度高、温度特性好、高频高q 特性的优点，而且拥有多层结构、高介电常数等优点，可以将各元器件的布局由平面转为 立体，从而大幅度减少元器件的尺寸。这使得其l t c c 产品相较其他产品具有体积小、重 量轻、性能好、成本低等诸多优点，因此，l t c c 技术占据着越来越重要的地位，广泛用 于移动通信设备，蓝牙，无绳电话，无线局域网等无线通信设备中及汽车等领域。 1 2l 1 c 技术概念与特点 l t c c 组装技术是上世纪八十年代由美国休斯顿公司开发出的一种新型组装技术，最 大的特点是能内置无源器件，能够实现电阻、电容、电感的埋置，同时也能埋置芯片，提 高组装密度。它是提供了高度的有源元件或模块与无源元件的整合能力的技术，极好的满 足了射频器件小型化、轻型化、低成本的需求。所谓l t c c 技术是将用低温烧结陶瓷粉制 浙江工业大学硕士学位论文 成的厚度大、均匀致密的生瓷片代替丝网印刷介质浆料，在生瓷片上利用激光打孔、微孔 注浆、精密导体浆料印刷等工艺绘制出电路图形，并将无源组件( 如电阻、电容、电感， 谐振器) 埋入其中，将这些生瓷片叠层在一起制成多层电路，并采用金、银、铜等低阻抗 金属作为内外电极，在摄氏8 5 0 9 0 0 度中烧结而形成三维电路网络的无源集成组件，也可 以在其表面贴装i c 和有源器件，制成无源有源集成的功能模块。l t c c 技术可进一步将 电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯组件【4 】。图1 1 为典型的l t c c 组件的结 构示意图。与其他封装技术相比，l t c c 具有以下特点【5 _ 8 1 ： 1 ) l t c c 采用的非连续式生产工艺，其允许对生坯基板进行检查，获得了高的成品率， 这大大降低了生产成本。 2 ) 由于批量生产设备和工艺的引入原材料成本降低以及在中国进行加工制造，l t c c 产品的成本得以大幅度的降低，适合于大规模生产。 3 ) 采用电阻率低的金、银、铜做布线金属材料，有利于提高整个电路系统的品质因子， 使损耗变得很小。 4 ) 可将不同的介电常数的微波介质材料集成以满足不同的工作频率的要求，陶瓷材料 具有优良的高频、高q 和高速传输特性。 5 ) 制作层数很高的电路基板，可以内埋置元器件，免除了封装组件的成本，减少连接 芯片导体的长度与接点数。 6 ) 具有小线宽和低阻抗的优点，可以制作线宽小于5 0 岬的细线结构电路。 7 ) 能集成的元件种类多、参量范围大，除了无源元件外，还可将e m i 抑制元件，电路 保护元件，敏感元件集成在一起，提高组装密度及实现多功能化。 8 ) 适应大电流及耐高温特性要求，可靠性高，耐高湿、防冲振，可应用于恶劣环境。 9 ) 具有较好的温度特性，例如热膨胀系数和介电常数温度系数都比较小。 名望嬲慕 一豢图1 1典型的l t c c 组件结构示意图 浙江工业大学硕士学位论文 从l t c c 的特点可以看出，它能很好地满足高密度封装的要求，因而低温共烧陶瓷在 现代封装技术中将有很大的用途。目前封装领域l t c c 技术的应用领域在民用、军事、航 天航空上都广受青睐。在高频无线通讯领域，美国、日本等著名的村田、三菱电工、京瓷、 t d k 、e p c o s 、日立、a v x 、n e c 、i b m 等大公司都力推由l t c c 技术制成各种通讯组件， 例如手机、蓝牙、w l a n 、巴伦、双工器、天线、天线模块、耦合器、共模扼流圈掣o 】。 利用l t c c 技术制造的产品按技术层次划分，可粗略地分为l t c c 高精度片式元件、l t c c 无源集成功能器件、l t c c 无源集成基板、功能模块这四类，每类具体包括如表1 1 所示 【1 1 1 2 1 。 表1 1l t c c 产品分类 常见的如有片式微波电容器、高精度片式电 高精度片式元件 感、电阻器等 低通、高通，带通，带阻滤波器、巴伦( b a l u l l ) 、 天线、定向耦合器、功分器、功率合成器、 无源集成功能器件 延迟线、衰减器，e m i 抑制器、共模扼流圈 及其阵列等 蓝牙模块、手机前端模块、集中参数环行器 无源集成基板 等基板模块 手机前端模块、蓝牙模块、天线开关模块、 功能模块 功放模块等 1 3l t c c 平衡滤波器的研究背景 在通讯系统中，滤波器是不可或缺的重要一环，滤波器对复杂网络具有进行频率选择 性的作用，其功能就是在要求的频率范围内能够抑制干扰信号，选择有用频率内的信号， 其性能好坏决定整个通讯系统的优劣。 最早有关滤波器设计是1 9 1 5 年德国科学家瓦格纳kw w a g l l e r 发明的瓦格纳滤波器 和美国科学家坎贝尔g a c a n b e l l 发明的镜像参数设计方法，用l c 集总元件设计滤波器。 后来滤波器设计发展到一个新领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器成为滤波器研究 领域。同轴滤波器具有电磁屏蔽、低损耗，小尺寸的优点，但工作频率只能在1 0 g h z 以下。 波导滤波器虽具有低损耗，工作频率高达1 0 0 g h z 却尺寸过大。1 9 3 3 年，w pm a s o n 发明 了石英晶体谐振器。1 9 3 9 年，p d r i c h t m e g e r 首次报道了介质谐振器，7 0 年代，微波介 质材料快速发展促使介质谐振器迅速发展。介质谐振器由陶瓷材料构成，其相对介电常数 为2 0 1 0 0 ，易实现小型化。1 9 6 5 年由于激励和检测s a w 的叉指换能器技术的突破，为 3 浙江工业大学硕士学位论文 s a w 滤波器的发展开辟了道路。s a w 滤波器频率选择性优良、传输损耗小，可靠性高， 但基片材料较贵，且对制造工业要求高。1 9 8 5 年，m s a g a w a 提出了多层陶瓷滤波器的概 念【1 3 】，与此同时，村田公司采用无铁氧体印刷电极电感线圈和与之匹配的介质系统，其在 1 2 0 0 以下烧结而成，此技术可以在高频段获得高q 值的低电感与低电容值，制成了多层 陶瓷微波滤波器。九十年代，t i s l l i z a l ( i 使用共面微带线的结构构建出多层陶瓷滤波器【1 4 j ， t d k 公司开发出9 6 0 以下烧结的银电极低温共烧介质系统，成功研制出以银作为印刷导 体的多层陶瓷微波滤波器【1 5 1 6 1 。 现在，在射频和微波电路中最常用的是带状线滤波器，带状线可以印制在很薄的介质 基片上，横截面积相对其他传输线例如波导、同轴线要小得多，同时带状线可以共用接地 板，方便制成多层结构，使整个电路结构更紧凑，大大缩小了体积，能够较好地解决小型 化问题。但带状线滤波器最大问题是，插损相比其他类型滤波器大，l t c c 采用均匀介质 结构，可以优化滤波器性能，再此l t c c 可以减少体积，所以基于l t c c 技术的多层滤波 器设计近来得到广泛关注，越来越多的研究者用l t c c 技术构建多层滤波器【协2 。 因为平衡一非平衡转换器( b a l a n c e “o u n b a l a n c e d 简称巴伦( b a l u n ) ) 也是无线通信系 统中的关键元器件之一，它是将信号在不平衡电路与平衡电路之间进行转换( 反之亦然) 的元件，主要用在平衡混频器，推挽放大器、天线的馈电网络和相移器。在研究各类滤波 器结构的同时，各式各样的巴伦结构也在不断的研究中，例如有源巴伦【2 2 1 ，分支线巴伦【2 3 1 ， 耦合线巴伦【2 4 】、集总元件巴伦【2 5 】、环形巴伦【2 6 1 、l t c c 巴伦【2 刀等。其中由l t c c 技术制 作的巴伦尺寸最小，而且可靠性最高。最早提出巴伦结构的是1 9 4 4 年m a r c h a n d 首次提出 的基于t e m 模同轴传输线巴仑结构【2 引，m a r c h a n d 巴伦是由两对耦合线构成，随后有文献 用微带线、带状传输线、l a n g 耦合器、多层耦合结构、螺旋转换器来构成这两对耦合节， 其中，微带线、带状线耦合线是最简单的构成形式，例如有名4 耦合线巴伦，多节耦合线 巴伦，和最常见的使用微带线或带状线构成的m a r c h a n d 巴伦等结构。 因为滤波器元器件、巴伦元器件都是射频前端电路的重要元器件，同时为了微型化射 频前端模块，研究者提出将滤波器与巴伦级联在一起，这种方法是电路与电路的级联，使 用一个l t c c 基底共建滤波与巴伦功能。为了进一步微型化射频前端模块和减少模块之间 的干扰，采用设计一个电路在巴伦电路中实现带通滤波或在带通滤波电路中实现巴伦功 能，即实现滤波器功能同时也能实现巴伦功能。为了减少噪音、谐波以及电路之间的干扰， 许多电路都需求平衡输入或输出信号，平衡式输入或输出电路在现代通信系统中是不可缺 少的模块，因此，l t c c 的平衡滤波器的设计与研究具有重要意义。 浙江工业大学硕士学位论文 表1 2 生产l t c c 平衡滤波器的各个厂商的技术指标 j o h a n s o n 浙江正原电气股份有限 村田公司 t e c h n o l o g y 公司公司 尺寸( m m 3 ) 2 0 1 2 5 o 9 02 5 2 o 1 12 5 2 o 1 2 中心频率 2 4 5 0 0 0 m 2 4 5 0 0 0 m h z 2 4 5 0 o o m h z 带宽肚5 0 o o m 比 _ ，硅5 0 0 0 m h z肛5 0 0 0 m k g 0 d b ( 2 5 士5 ) 插入损耗 s 3 5 d b ( 2 5 0 c ) 三，3 o d b 4 5d b ( 8 8 肛9 6 0 m h z 4 5d b 4 8d b ( 8 8 0 9 6 0 m h z ) ( 8 8 0 9 6 0m k ) ) 4 0d b 芝3 8d b 4 0d b ( 1 7 1 帖1 8 8 0 m ( 1 7 l o 1 8 8 0 h z ) m h z ) ( 1 8 8 0 1 9 9 0m h z ) 衰减 2 2 5d b之3 5d b 筮5d b ( 1 8 8 0 1 9 9 0 m( 1 8 8 0 1 9 9 0 m h z h z ) ( 2 1 1 0 2 1 7 0m h z ) 2 1 2d b 芝2 0 d b 驾od b ( 1 9 9 0 2 l7 0 m( 2 ll o 一2 1 7 0 m h z h z ) ) ( 4 8 0 0 5 0 0 0m h z ) 平衡阻抗 3 4 加- j 9 5 呛2 2 q jl o o ql o 晚( 5 晚+ 5 吮) 不平衡阻抗 5 0 q5 0 q5 0 q l t c c 平衡滤波器产品的生产厂家目前仍以日本和美国产商为主，如日本的村田公司 和美国的j o h a n s o nt e c l l i l o l o g y 公司。国内也有一些厂商在制作，如浙江正原电气股份有限 公司、中国电子科技集团第四十三研究所、深圳市昊岳电子有限公司、深圳顺络电子股份 有限公司等，表1 2 是各个生产商生产2 4 5 g h z 的平衡滤波器的技术指标。 1 4 项目介绍 本文研究项目是与深圳顺络电子股份有限公司合作，设计基于一个l t c c 技术的中心 频率为2 4 5 g h z 微波平衡滤波器。根据市场需求和自身的工艺水平，提出了如下设计指标： 带通滤波器外形尺寸是2 o 1 2 5 0 9m m 3 ，中心频率为2 4 5 g h z ，带宽为1 0 0 m h z ，其具 体的参数如表1 3 所示。其中材料介电常数= 2 7 ，带状线采用金属银。图1 2 是在高低阻 带增加一个传输零点来提高带外抑制。 浙江工业大学硕士学位论文 表l - 3l t c c 平衡滤波器设计指标 中心频率 2 4 5 0 0 0 m h z 带宽_ ，址5 0 o o m h z 带内插损 3 5 d bm a ) 【( a l2 5 0 c ) 阻带衰减 4 0 ( 1 bi l l i n a t1 7 1 0 1 8 8 0 m h z 2 5 d bm i n 砸l8 8 0 l9 9 0 m h z 1 2 d bm i n a t1 9 9 0 一2 1 7 0 m h z 非平衡阻抗 5 0q 平衡阻抗 1 0 0q ( 5 0q + 5 0q ) 幅度不平衡0 2 血 相位不平衡 1 8 0 。1 0 。 广。 f 、 j l ， 旷 ， 、 图l - 2 平衡滤波器频率特性 工作频率为2 4 5 g h z 属于i s m ( i n d u m i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 频带，该频段主要开放给工 业、科学和医学三个主要机构使用，属于f r e e “c e n s e ，无使用授权的限制，2 4 5 g h z 微波 平衡滤波器广泛使用在无线网卡，蓝牙，w i l m x ，z i g b e e 等无线通信系统中。 1 5 本文研究内容 平衡式输入或输出电路在现代通信系统中是不可缺少的模块，许多电路都需求平衡输 入或输出信号，从而可以减少噪音、谐波以及电路之间的干扰。而平衡滤波器是平衡非平 衡转换器与滤波器的合称，广泛用于蓝牙( b l u e t o o t h ) 与无线局域网( 、观a n ) 等无线通 信设备中。 赢p)暑蔼nu口liv 浙江工业大学硕士学位论文 r 一一一一一一一一一一一一一一1 i i i i l 天线 l t c c 基底 l i i l i - 一 图l - 3 射频前端电路 以l t c c 基底的射频前端电路为例，如图1 3 所示，滤波器和巴伦是其重要的元器件， 但这两个元器件的设计是以两个分离的元件完成的，这种实现方法不但增大了射频前端模 块的体积，传输信号的损耗也变大，且滤波器和巴伦之间产生耦合效应，相互干扰，造成 滤波器和巴伦的电气特性难以调整。为了克服这个缺点，故此目前提出一个滤波器，具有 不平衡输入平衡输出，即将两个元件结合成一个器件模块具有重要意义 2 9 1 。 本论文将对一个紧凑的l t c c 平衡滤波器的设计进行阐述，根据设计指标确定平衡滤波 器电路结构，借助l t c c 技术，构建一个三维结构平衡滤波器。平衡滤波器的功能既实现滤 波器作用也实现不平衡输入平衡输出的转换，同时实现阻抗匹配。为了实现射频前端电路 的微型化，在现有的滤波器加入平衡非平衡转换器的功能，可以达到在小体积的模块中实 现两功能。在l t c c 平衡滤波器的研究设计中，我们首先论述l t c c 无源带通滤波器的设计 理论和无源元件巴伦的设计理论，然后设计一个中心频率为2 4 5 g h z 的平衡滤波器，通过 电路、电磁仿真来分析滤波器与平衡非平衡的电气特性，即平衡滤波器的电气特性。滤波 器功能采用了传输零点的滤波器设计理论，非平衡平衡转换采用三线耦合设计方法。 本文的主要结构体系如下： 本论文一共分为六章。 第一章：绪论。主要介绍l t c c 技术的发展和现状以及平衡滤波器发展的历史，概述本 文的研究内容。 第二章：论述了l t c c 带通滤波器的设计理论，介绍了一种谐振腔类型，其利用耦合线 加载并联电容构成的一对耦合谐振腔，并对其进行公式推导。 7 浙江工业大学硕士学位论文 第三章：l t c c 无源元件巴仑的设计理论，用奇偶模分析方法证明了巴伦具有阻抗匹配 功能，随后提出一种三线耦合加载并联电容的电路图，用科洛达准则证明此提出的三线耦 合加载并联电容的电路图能够实现将单端输入信号转换成幅度相等，相位相反的输出信 号，即实现一个巴伦功能。对提出的电路图用网络分析法可得出，加载并联电容的三线耦 合线可以使用传统的带通滤波器设计原理来设计。 第四章：l t c c 滤波器与巴伦的实现。介绍了引入传输零点的设计方法，并用电路仿真 了一个具有高低阻带的传输零点的用带通滤波器。此章同时对巴伦电路进行仿真。根据电 路仿真的各个元器件的设计初值进行物理建模，采用舢s o r 公司的三维建模仿真软件h f s s 得出滤波器与巴伦的频率响应。 第五章：l t c c 平衡滤波器的实现与仿真。本章将讨论用一个电路实现滤波器与巴伦功 能的频率响应，同时为了增强阻带抑制性，通过在高地阻带加入传输零点来提高其带外抑 制性。 第六章：总结与展望。给出了本文的结论，同时提出了如何针对本研究内容开展进一 步研究工作的展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章l t c c 带通滤波器设计 2 1 引言 滤波器是一个二端口网络，在滤波器的通带频率内提供信号传输同时在阻带内提供衰 减的特性，用来分离或组合各种不同频率信号的重要元件。在通信行业的发展中，越来越 需求小体积、高性能和低成本的滤波器。当工作频率超过l g h z 时，由于工作波长与滤波 器元件的物理尺寸可相比拟，若仍采用分立元件来实现，就会因为存在多方面的损耗而使 电路性能严重恶化。采用分立元件实现工作于0 9 g h z 、1 8 g h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等射 频、微波频率范围内平面耦合滤波器就不能满足这些要求。因此要用分布元件代替集总元 件。 2 2 滤波器的分类及技术指标 滤波器可以按不同的观点进行分类【3 0 】： l 衰减 l ( 衰减 ( a ) 低通 f f l 褒减 l ( 袁减 彻高通 ( c ) 带通( d ) 带阻 图2 1四种类型滤波器响应 f f ( 1 ) 按滤波器的功能特性，可分为低通、高通、带通和带阻滤波器。图2 1 为这四种 典型滤波器各自的损耗与频率的关系图。 9 一 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 按插入衰减频率特性的响应可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫式滤波器和椭圆 函数式滤波器。巴特沃斯滤波器，频率响应在通带内比较平坦，但过渡带比较平缓；切比 雪夫滤波器，频率响应在通带内有等幅纹波，但过渡带比较陡峭；椭圆函数滤波器，频率 响应在通带和阻带都有纹波。 ( 3 ) 按处理信号的方式分，滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器两大类。其中模 拟滤波器又可分为有源、无源、异类三类。无源滤波器的最大优点是相对频宽心，大， 组合比较灵活。 ( 4 ) 按结构分，可分为同轴线、波导、微带线、带状线、介质滤波器等。 在综合分析滤波器的性能时，滤波器的技术指标通常包括： ( 1 ) 中心频率五，即工作频带的中心。 ( 2 ) 带宽口矽。对于带通滤波器，带宽为通带内对应于3 d b 衰减量的上边频和下边 频的频率差： 曰矿拈= 无埘一z 3 凹( 2 1 ) ( 3 ) 插入损耗：在理想情况下，射频电路中的理想滤波器在其通带内无任何功率损 耗。而在现实中，我们无法消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗。插入损耗定代表通 带内功率的损耗大小，其数学表达为： p1 尼= 1 0 l o g 罟= 一1 0 l o 甙1 一阪| 2 ) ( 2 - 2 ) 其中，己表示滤波器从信号源得到的输入功率，圪表示滤波器向负载输出的功率， i i 是从信号源向滤波器看去的反射系数。 作为一个二端网络，性能可以用网络参量来描述，z 参量，y 参量，级联参量的匹配 条件是在开路、电路条件下成立，而在微波阶段此条件不再严格成立，在实际测量也更容 易将引起振荡或晶体管元器件的损坏。利用s 参量，可以在避开不现实的终端条件以及避 免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法来确定元件的特性，它是网络输 出端接匹配负载时，网络输入端的入射功率兄和负载吸收功率咒之比值。 因此滤波器的插入损耗也可以用s ：，来重新定义： 肌川。g 鲁引嘶g 击一o g l 剐2 ( 2 - 3 ) ( 4 ) 波纹系数：表征通带内信号响应的平坦度，表示响应幅度的最大值与最小值之 筹。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 阻带衰减：理想情况下，滤波器在阻带内具有无穷大的衰减量，但实际中只能 得到与滤波器元件数目相关的衰减量，再阻带某一频率衰减越大，阻带特性越好。 ( 6 ) 回波损耗：通常用来表征滤波器反射特性，与外部电路的匹配状况，为反射功 率e 与输入功率最之比。 慰= l o l o g 罟= 一2 0 l o g i s 。l ( 2 _ 4 ) ， ( 7 ) 品质因数q ：描述滤波器的频率选择性的强弱，分为有载和无载两种情况。 ( 8 ) 特性阻抗z 。：为满足滤波器规格而通常必须连接到滤波器的输出终端的阻抗， 在实际工程中多数情况下取5 0 欧姆。 2 3 带通滤波器的设计步骤 2 3 1 低通滤波器原型及频率阻抗变换 综合无源滤波器的设计有两种，一种是镜像参量法，另一种是插入损耗法。镜像参量 法，由较简单的二端口滤波器节的级联构成，得到希望的截止频率和衰减特性，但是不能 给出在整个工作范围内的频率响应的具有性质。插入损耗法采用网络综合技术，可以高度 地控制整个通带和阻带内的振幅和相位特性，能够设计出具有完整的特定频率响应的滤波 器，同时能够迎合应用需要的最好的需要。所以在滤波器的设计方法中，大多先利用插入 损耗法( i i l s e n i o nl o s sm e t h o d ) 来设计，此方法使设计过程得到简化。该方法先从使用阻 抗和频率归一化的低通滤波器原型开始，然后对需要的截止频率和阻抗进行转换，把低通 滤波器原型变换到所希望的频率范围和阻抗值上去，即推导出高通、带通和带阻滤波器 【3 1 。3 2 1 。在实际的滤波设计中，按图2 - 2 程序进行设计【3 3 1 。 实际滤波器 的真实值 对信号源内 阻反归一 低霎覆攀p衰减特性厂一。 实际滤波器 的归一化值 图2 - 2 滤波器设计过程图 低通原型元 件归一化值 等衰减条件 频率变换 在实际的滤波器响应有巴特沃斯( 最平坦) 、切比雪夫型( 等波纹) 、椭圆函数和线性 浙江工业大学硕士学位论文 相位这四种，由于设计的滤波器允许通带内有波纹，所以这里选择了切比雪夫低通滤波器。 切比雪夫低通滤波器原型如图2 3 。 r = g 厶= 厶= 邑 n 为偶数n 为奇数 图2 3 低通滤波器原型 这些元件值从原阻抗到负载阻抗，串联和并联交替出现，具有f 面的意义： f 源电阻，负载电阻 岛- 肌2 1 源电导，负载电导 f 串联电感 七曼2 1 并联电容 七- 】_ l 升状吧台 在依据实际滤波器所需截止频率响应进行阻抗变换与频率变换后将低通原型滤波器 转换为带通滤波器雏形。这频率变换其实就是将低通原型滤波器频域q 变换到实际滤波器 的频域中，阻抗变换是将信号源阻抗g o 和负载阻抗岛+ l 变换为实际的源阻抗r g 和负 载阻抗尺工。采用的低通滤波器原型的信号源阻抗g o 和负载阻抗岛+ l 均为l ，若要变换成 实际不为l 的源阻抗或负载阻抗，则需要用实际阻抗乘以所有滤波器参数，滤波器各个参 数为【3 4 】： 三一尺g 己 c c 尺gi r j 尺g 尺i ( 2 - 5 ) gjg7r g 将低通滤波器原型变换到带通滤波器，带通滤波器绝对带宽吐一q 。其中必和q 是 上下通带角频率，当实际低通滤波器截止频率为q ，频率变换为： 耻品 等) 弘6 ， 船i 纸国j 。 浙江工业大学硕士学位论文 其中 船肜：竺二堕i 鳓 ( 2 7 ) = 厢j 式中，、缈及船形分别为中心角频率、角频率变量和相对带宽。 当低通滤波器原型变换成带通滤波器，此时低通原型的电感元件变换为串联的电感和 电容，电容变换成并联的电感与电容，如图2 _ 4 。 g l b c b 一l 一卜 ( a ) 低通原型电感变换成串联的电感与电容 c b ( b ) 低通原型电容变换成并联的电感与电容 图2 _ 4 低通原型到带通滤波器的频率变换 最终经频率阻抗变换后的带通滤波器雏形如图2 - 5 。 图2 5 带通滤波器雏形 三口 n 为偶数n 为奇数 r + l ?上t g 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 2 导纳阻抗变换器 在实际分布参数微波结构中，这种串并联谐振器交替放置的设计是很难实现的结构。 理想的导纳( 阻抗) 变换器将串联的电感或并联的电容转换成并联的电容与串联的电感， 如图2 6 。 己 r y _ 、广y - 、 kk ( a ) jj t 乙 图2 - 6阻抗与导纳变换器的应用 o r n n l o c - - - - - - - - - - - 勺 所以利用理想的导纳或阻抗变换器( k 或j 变换器) 可以将滤波器转换为仅有并联或 串联谐振器的原型滤波器电路，将电路中的谐振器统一成一种结构形式，如图2 7 。 c i ( a ) ( b ) 图2 7 变换器在带通滤波器的应用 浙江工业大学硕士学位论文 在使用分布传输线实现滤波器时常采用并联结构来缩小体积，选择适当的导纳j 变换 器，让带通滤波器具有相同的谐振器与负载，如图2 - 8 ，这是一种容易实现的结构【3 5 1 。 乡 上串c 以： 串c 以肿。 厶， 专 图2 8 常用带通滤波器模型 艺“ 阻抗k 或导纳j 变换器实现有多种方式，主要的有四分之一波长阻抗或导纳变换器、 并联电抗耦合的阻抗变换器和串联电纳耦合的导纳变换器等。 阻抗k 或导纳j 变换器与谐振器的耦合电容或耦合电感有关，图2 - 9 是四种常见的阻 抗k 及导纳j 变换器电路，将带通滤波器转换成电容耦合和电感耦合。理想状况下，其阻 抗转换特性是不会随着频率而改变的，而在实际情况下是仅在带通的附近作相近的等效， 适应于频带较窄的滤波器设计。 c j 一cj 一、 l 图2 9 四种阻抗k 和导纳j 变换器的实现方式 采用导纳j 变换器设计的带通滤波器，其导纳j 变换公式为： 浙江工业大学硕士学位论文 厶l 一 以n l j n h _ 1 圣丝坠 vg o g l ：船形垒纽 ng g ：压! 丝坠 v g 。g 。+ l ( 2 8 ) 珞+ ，是两端负载导纳，岛是低通滤波器原型初值，根据指标可由查表得知，船矿 为滤波器实现的相对带宽，6 为谐振器的电纳倾斜参数。 在带通滤波器中，中间形成的导纳j 变换器所出现的负电容能被谐振器吸收，在源与 负载端，负电容无法被源阻抗