（电磁场与微波技术专业论文）基于lc谐振器的电感耦合型带通滤波器设计.pdf

， l 摘要 近年来，随着通信技术的发展，对于微波电路的要就越来越高，尤其体现在电路的小 型化以及高性能。滤波器作为无线通信系统的重要组成部分，其性能的优劣往往直接影响 整个通信系统的性能指标。多层介质结构技术正是一种减少系统体积，提高系统性能的有 效途径。本论文就二阶带通滤波器设计以及新结构进行了分析和研究，论文主要包括以下 内容： ( 1 ) 集总元件的研究，这是基于多层介质结构研究的重要方面。文中对几种常见的埋 置电感电容进行设计仿真，在此基础上构造了另外一种新型结构的螺旋电感。 ( 2 ) 为了提高滤波器带外抑制功能，设计了一种添加两个带外零点的电路，并给出了 理论证明。 ( 3 ) 在上述工作基础上，设计一个利用接地电容在高低阻带各提供一个衰减零点的二 阶带通滤波器，采用螺旋电感耦合方式提高其小型化，并给出了此类滤波器设计的一般步 骤。 本文利用a d s 和h f s s 仿真软件对提高滤波器性能及其影响因素做出了分析，尤其对 电感耦合和接地电容等因素做出了深入研究，所得结论对多层介质结构滤波器的设计研究 具有一定的参考价值。 关键词：多层介质结构滤波器传输零点电感耦合 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a sb e e na t t r a c t e dt ot h er fc i r c u i t ，e s p e c i a l l yt ot h es m a l l e rd e v i c ea n dt h eh i g h e r p e r f o r m a n c e f i l t e ri so n eo ft h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t st h a tu s u a l l yd e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c e o ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h em u l t i l a y e rs u b s t r a t e st e c h n o l o g yi sa n e f f e c t i v es o l u t i o nt o r e d u c et h ev o l u m ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h et r a n s m i s s i o n z e r od e s i g no ft h es e c o n d - o r d e rb a n d p a s sf l t e ra n dt h en e ws t r u c t u r ew i l lb ep r o p o s e d t h e d i s s e r t a t i o ni sc l a s s i f i e di n t os e v e r a lp a r t ss t a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h el u m p e dc i r c u i te l e m e n t sa r er e s e a r c h e dw h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z et h e m u l t i l a y e rs u b s t r a t e s s e v e r a lc o m m o nk i n d so fe m b e d d e di n d u c t o r sa n dc a p a c i t o r sa r ed e s i g n e d a n ds i m u l a t e d a sar e s u l t ，an e ws t r u c t u r eo fs p i r a li n d u c t o ri sp r o p o s e d ( 2 ) i no r d e rt oi m p r o v et h er e je c t i o no ft h es t o p b a n d ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e wm e t h o dt o a d d t w ot r a n s m i s s i o nz e r o sa sw e l la st h et h e o r e t i c a lp r o o f ( 3 ) b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，ac o m p a c ts e c o n d - o r d e rb a n d p a s sf i l t e rw i t ht w o f i n i t e t r a n s m i s s i o nz e r o si sp r o p o s e d ，u s i n gt h eg r o u n d e dc a p a c i t o r an e wk i n do fi n d u c t i v ec o u p l i n g i su s e dt or e d u c et h es i z eo ft h es t r u c t u r e w i t ht h eh e l po fa d sa n dh f s s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h em e t h o dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c ea n dt h ef a c t o r sw h i c hh a v eg r e a ta f f e c t i o n e s p e c i a l l y , m u c hw o r ki sa d d e d t ot h e i n d u c t i v e c o u p l i n ga n dt h eg r o u n d e dc a p a c i t o r f u r t h e r m o r e ，t h ec o n c l u s i o n s h a v es o m e r e f e r e n c ev a l u et ot h ed e s i g no ff i l t e ru s i n gt h em u l t i l a y e rs u b s t r a t e s k e y w o r d s ：m u l t i l a y e rs u b s t r a t e s ，f i l t e r s ，t r a n s m i s s i o nz e r o ，i n d u c t i v ec o u p l i n g i i 1 2 课题研究现状一2 1 2 1 多层介质结构技术简介2 ， 1 2 2 多层介质结构滤波器研究现状3 1 3 本文研究主要内容与安排1 5 第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究7 2 1 多层介质结构电容的分析研究7 2 1 1 埋置电容等效电路研究8 2 1 2 埋置电容仿真设计1 0 2 2 多层介质结构电感的分析研究1 2 2 2 1 埋置电感等效电路研究1 2 2 2 2 埋置电感仿真设计1 5 2 3 本章小结1 7 第三章微波滤波器原理与设计1 9 3 1 滤波器功能及其分类1 9 3 2 低通滤波器原型2 2 ， 3 2 1 最平坦低通滤波器2 2 3 2 2 等波纹低通滤波器2 4 3 3 滤波器转换2 4 3 3 1 阻抗和频率定标2 4 3 3 2 低通原型向带通滤波器转换2 6 3 4 滤波器实现2 7 3 5 本章小结2 9 第四章双零点二阶带通滤波器研究3 0 4 1 滤波器传输零点设计3 0 i i i 4 1 1 传输零点形成原理3 0 4 1 2 一种添加零点的带通滤波器设计3 4 4 2 基于多层介质结构的滤波器设计实例3 6 4 2 1 基于多层介质结构滤波器设计流程3 6 4 2 2 滤波器参数设计及a d s 仿真3 7 4 2 3 耦合电感设计及滤波器实现3 9 4 3 滤波器电磁仿真及其性能分析4 3 4 3 1 电磁仿真与电路仿真的比较4 3 4 3 2 微调后的滤波器尺寸布局4 4 4 3 3 接地电容的性能影响分析4 7 4 3 4 相对介电常数性能影响分析- 4 8 4 3 5 接地金属板性能影响分析4 9 4 4 本章小结5 l 第五章全文总结与展望5 2 致谢5 4 参考文献5 5 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 微波滤波器是一种具有频率选择特性的微波无源器件，利用它可以分离或组合各种不 同频率的信号。其基本作用是在电路和电子系统中使频率有选择地通过，并抑制不需要或 有害的频率。一般而言，微波滤波器主要的应用领域几乎都着重在通讯产品上，如便携式 电话、无线电收发机和全球定位系统等，它们都工作在射频的频率范围。射频技术在现代 通讯领域正得到越来越广泛的应用，是无线通讯发展的关键技术之一。随着射频无线产品 的快速发展，对微波滤波器小型化、集成模块化，高频化的要求也越来越高。由传统的同 轴线、带状线和波导等实现的平面耦合微波滤波器因面积过大已经越来越不适应现代无线 移动通讯系统的要求，而小体积、高性能和低成本的微波滤波器的市场需求量大大增加。 为此人们不断寻找新的方法和手段来构造电路，一种方法是将各种无源元件整合到芯片中 去，但是由于工艺的限制，片内的无源元件的品质因数普遍不高，而且片内无源元件所占 面积过大，同时将大量无源元件集成到片内也有许多技术上的困难。另一种新的技术是所 谓的多芯片组件( m c m ) 技术，目前众多专家和工程技术界都认为，实现整机或系统集成的 最佳选择方式应该是多芯片组件技术，因为它能十分方便的将多个特殊功能的i c ，利用不 同的封装技术，集成到同一块基板上，再利用s m t 等为电子组装与互联技术，安装无法 集成与i c 内的无源元件，最终形成一个完整的电路系统。 多芯片之所以得到迅速地发展主要在于它有一系列的优点，即提高了封装密度，又缩 短了芯片的互连间距，致使电路特性得以提高。其有以下主要优点： 首先，m c m 有利于实现组件或系统的高性能化、高速化。由于m c m 采用的是高密 度互连布线基板和裸芯片组装，可使芯片之间互连度( 或距离) 大大缩短，也降低了连线 电感和阻抗，因而能在提高组装密度的同时，使信号的传输延迟时间明显减小，信号传输 速度大大提高，这有利于实现电子整机向功能化集成方向发展。 其次，m c m 有利于提高电子样品的可靠性。电子样品的失效绝大部和电路板互连引 起的。组装层次越少，样品的可靠性也就越高。由于m c v l s i 、电容、电阻等元器件于一 体，避免了元件级组装，简化了系统级次，不仅大大降低了最终样品的成本，而且提高了 电子整机的可靠性。 最后，m c m 有利于实现电子组装的高密度化、小型化和轻量化。由于m c m 是采用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 多层布线基板，将多个未封装的i c 芯片高密度安装在同一基板上构成的部件，从而省去 了单个i c 芯片的封装材料和工艺，而且组装电路的体积尺寸、焊点数量、i o 数等均可大 为减小，不仅节约了原材料，简化了制造工艺，而且极大地缩小了体积，减小了重量。实 现电路的高密度组装是m c m 的一个突出优点。 1 2 课题研究现状 1 2 1 多层介质结构技术简介 多层介质结构技术由于其杰出的性能，已经得到了越来越多的发展，l t c c ( 氐温共烧 陶瓷，l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) 技术是m c m c ( 共烧陶瓷多芯片组件) 中的一种多 层布线基板技术。它能够将无源元件内埋置于基板内部同时可以将有源元件贴装于基板表 面，在设计上具有很大的灵活性，真正实现了传统聚合物和传统陶瓷材料无法获得的三维 结构。l t c c 材料具有较高的介电常数，这有利于缩小元件需要的体积。另外，l t c c 材料 在高频下具有较低的介质损耗特性，可以降低功耗。这样不仅有利于元件的小型化，提高 电路的组装密度，而且有利于提高系统的可靠性。 从多层介质结构应用领域来看，主要在以下三个方面有大量应用【1 】 2 3 】： ( 1 ) 高频无线通信领域：这基于l t c c 材料具有优异的高频性能，同时还具有低成本， 高集成度等特点； ( 2 ) 航空航天领域：例如，美国的空间系统制造公司l o r a li n c 。为满足通信卫星上控 制电路2 5 0 u m 的线宽，每层1 5 0 个以上通孔的m c 眦组建的电路要求，选用杜邦公司 的l t c c 材料技术。 ( 3 ) 存储器，驱动器，滤波器，传感器等领域：l t c c 可以通过埋置电感，电阻，电容 等形成三维结构，缩小电路体积，提高电性能。日本太阳诱电公司采取插入应力释放层的 方法，研制出了0 8 0 5 规格的片式层叠l c 组合器件。 从制作工艺上来看，多层介质结构技术比较复杂，大概有以下六个流程【4 】 5 】 6 7 】： ( 1 ) 流延片的制各，采用不同的配比可以制作出各种性能的流延片生带。对流延出的 生瓷膜片要求是：密、厚度均匀( o 1 0 2 m m ) 、有一定强度，能保证生膜片的宽度不小于 1 1 0 m m 且具有足够强度。目前世界上提供l t c c 流延片的厂家有d u p o n t ，f e r r o ，c e r a m i c i n s t i t u t e ，n i k k o ，n i p p e ne l e c t r i cg l a s s ，s a n o f f , s w e d i s h ，s a m s u n g ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ， 台湾臻德电子工业股份有限公司，国内的原电子工业部4 3 所等。 ( 2 ) 流延片的下料，打孔通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 通孔过大或过小都不易形成盲孔。对于l t c c 工艺来说，通孔直径最好为o 1 5 - 0 2 5 m m 。 这对提高布线密度和改善通孔金属化都有利。如通孔直径大于等于0 3 m m 或小于等于 o 1 5 m m ，金属化时都很难形成盲孔，从而降低了基板的成品率和可靠性。 ( 3 ) 通孔填充填孔是制造l t c c 基板的关键工艺之一，其方法有三种：厚膜印刷、丝 网印刷( s c r e e np r i n t i n g ) 和导体生片填充法。 ( 4 ) 导电介质的印刷，必须根据对位精度及通孔大小来设计线宽、线间距及其它参数 才能保证基板的成品率。采用l t c c 基板技术可以把线和间距做得很细，但成本增加，要 综合考虑。l t c c 基板得内层版图印刷有两种方法：丝网印刷和计算机直接描绘。 ( 5 ) 叠层，热压及切片，将印制好的导体和形成互连通孔的生瓷片，按预先设计的层 数和次序，依次叠放。在一定的温度和压力下连结在一起形成一个完整的多层基板坯体。 切片工艺是将多层生瓷坯体切成更小的部件或其他形状，可由钻石轮划片，超声切割，激 光切割等三种方法来实现。 ( 6 ) 共烧，由于l t c c 技术需要将电解质材料( 如电容，基板等) ，磁介质材料( 如电感 等) ，和导电材料( 主要是银电极) 等各种材料以叠层的形式交叠并一次性完成，其共烧技术 是核心。 烧结既可以在马福炉中进行也可以在链式炉中进行，升温速度为8 。c m i n ，烧结工艺 的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性，这与烧结后基板的平整度和收缩率有关。炉膛温 度均匀性差，基板烧结收缩率的一致性就差。烧结时，升温速度过快会导致烧结后基板的 平整度差、收缩率大。 1 2 2 多层介质结构滤波器研究现状 在国外一些发达国家( 如美国、日本) ，因为多层介质结构技术发展 8 【9 较早，现在已 经有大量的相关产品正处于开发阶段或者已经应用到了各类电子产品中。然而在国内，此 类产品的开发比国外发达国家至少落后五年。这主要是由于电子终端产品发展滞后造成 的。多层介质结构功能组件和模块主要用于g s m 、c d m a 和p h s 手机，无绳电话，w l a n 和蓝牙等通信产品，除4 0 多兆的无绳电话外，这几类产品在国内是近四年才发展起来的。 国内的终端产品为了尽快抢占市场，最初的设计方案大都是从国外买来的，甚至方案与元 器件打包采购，其所购方案都选用了国外元器件。前几年，终端产品生产厂的主要目标是 扩大市场份额，成本压力不大，无法顾及元器件国产化。随着终端产品产能过剩，价格和 成本竞争将日趋激烈，元器件的国产化必将提上议事日程，这为国内多层介质结构产品的 发展提供了良好的市场契机。深圳南玻电子有限公司引进了目前世界上最先进的设备，建 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 成了国内第一条l t c c 生产线，开发出了多种多层介质结构产品并已投产，如：片式l c 滤 波器系列、片式蓝牙天线、片式定向耦合器、片式平衡不平衡转换器、低通滤波器阵列等， 性能已达到国外同类产品水平，并已进入市场。目前，南玻电子正在开发l t c c 多层基板 和无线传输用的多种功能模块。 国内的共烧技术已研究多年，由原电子部支持的两个研究所中已取得较好进展。电子 1 3 所在h t c c 基板及其多芯片组件( h t c c c ) 的研究和开发中取得了较好成绩，并开展了 实用化工作。电子4 3 所在l t c c 基板及其多芯片组件的研究和开发中，取得了良好成绩， 已在几个兄弟单位得到应用。1 9 9 8 年4 3 所建立了专门研究这种新技术，现已立项实施技 术改造，引进先进技术和设备。h t c c 基板采用9 6 a 1 2 0 3 粉料或新的a i n 粉料作绝缘材 料，与能在高温( 1 6 0 0 1 7 0 0 c ) 下烧结形成布线的m o m n 、w 导体材料成本低，工艺实施较 容易；其缺点是导体材料的电阻率高，造成损耗大，并且绝缘材料的介电常数大，因而造 成信号延迟时间过长。低温共烧是在克服高温共烧方法的不足之处而发展起来的。l t c c 、 基板采用用户需要的介电常数的瓷粉作绝缘材料，与能够在较低温度( 8 5 0 。c ) 下烧结形成布 线的a u 、a g 、p d a g 导体材料；经一系列高技术a n - r ，最后共烧而形成。它的主要优点 是导体材料的电阻率低，因而损耗小，并能够提高信号传输速度，其缺点是绝缘材料配制 技术较复杂，导体材料的成本较高，工艺实施须解决一些关键技术问题。4 3 所对绝缘材料 的介电常数可按用户需要配制成4 7 、5 9 和7 8 等三档，能够满足用户对信号传输速度的 要求。 因共烧温度与厚膜烧成温度相同，使二者的工艺相容性好，4 3 所充分利用这个特点来 节省成本。因此近几年低温共烧多层陶瓷基板在4 3 所开发的m c m c 中发挥了重要作用， 不断扩大应用。由于中国无线互联网正成为市场主要动力，1 3 亿人口的强大通讯市场及移 动通讯的普及成为国际t l 市场的真正动力所在。在无线网络应用增长的同时，对元器件的 要求也正在提高，最关键的要求是更小、更轻、更薄、更便宜。也就是要求更高的元器件 集成度，即由原来的片式电感、片式电容和片式组合器件向全面的l t c c 集成( 即三维) 技 术过渡，以满足这些市场对电子元器件的要求。 就滤波器而言，早期的通信产品( 如g s m 手机，p h s 手机，无绳电话等) 的滤波器多为 体积很大的介质滤波器，现在g s m 和c d m a 上的滤波器已被声表面滤波器代替，而p h s 手机和无绳电话上的滤波器大多被体积小，价格低的多层介质结构制成的l c 滤波器所代 替，蓝牙和无线网卡从一开始就选用l c 滤波器。由多层介质结构制成的滤波器包括带通， 低通，高通三种，频率则从约8 0 0 m h z 到5 8 g h z 。表1 1 列出了三种滤波器的比较。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 频率范 温度稳插入损应用领 种类围 体积工艺价格种类 定性 耗 域 ( m h z ) 多层介 p h s 手 带通、低 质结构 8 0 0最小简单 低好 小机， 通、高通 滤波器 、耽a n 声表滤 g s m ， 8 0 0 大中中好带通 由 军工 波器 前景，使其成为重多企业竞争的焦点。很多著名的无源器件的生产企业纷纷进入这一领域， 日本的村田，京瓷，太阳诱电，美国的j o h a n s o nt e c m o n o g y ，我国台湾省的华信科技等公 司都在批量生产和销售，且已形成产业雏形，应用也日渐广泛。 1 3 本文研究主要内容与安排 作为通信系统的重要部件之一，微波滤波器的特性将直接显著影响通信系统的整体性 能，而带通滤波器是滤波器中使用最多的，最难设计也是最重要的一种滤波器。本文的主 要内容就是设计出一种带两个衰减零点二阶带通滤波器，并在多层介质结构下根据实际给 出一种新颖的结构。 本论文主要研究内容在于： 1 在实现所需性能滤波器的研究之前，必须先对内埋置的电感和电容进行设计。通 常影响电容电感值大小及其他主要性能参数的因素很多，电容极板的面积、极板数、基板 层数( 即上下地板间介质层数h ) 和通孔数目m 等变化对各种特性参数都有影响。利用三维 场仿真软件h f s s 对高频电容电感元件三维结构模型进行仿真，以便为滤波器的尺寸布置 做好基础，从而能较快的得出元件的尺寸大小。 2 对滤波器的基本理论进行学习研究，掌握一般滤波器的设计方法，对于给定性能 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 要求的滤波器要能够熟练得出理论值。在此基础上设计出一种新颖的添加零点的方法。 3 利用a d s 电路仿真软件分析设计所要求的二阶带通滤波器，基于多层介质结构通过 电感耦合、加入接地电容等方法提高滤波器性能。利用h f s s 三维电磁仿真软件进行仿真， 给出一般性的性能影响分析。 本文共五章，结构如下： 第一章绪论。介绍本论文的相关技术简介，研究现状与主要研究内容。 第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究。建立电感电容相应的等效电路模 型来提取内埋置元件的有效参数。并利用h f s s 进行设计仿真。 第三章微波滤波器原理与设计。对滤波器基本原理、低通到带通的转换和滤波器的 实现等方面的内容进行研究。 第四章双零点二阶带通滤波器研究。基于多层介质结构设计一个利用接地电容在高 低阻带各提供一个衰减零点的二阶带通滤波器，利用a d s 和h f s s 仿真软件对提高滤波器 性能及其影响因素做出分析。 第五章总结与展望。 6 南京邮电大学硕士生学位论文 第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 2 1 多层介质结构电容的分析研究 随着电子技术的迅猛发展，微波电路中的无源器件如电容占用的比例越来越大，元件 数目也越来越多，如何提高电路组装密度，减少体积和降低成本成为当前一大难题。 多层介质结构技术由于能把无源元件埋置到基板内部，实现3 维集成，明显提高电路 密度，而成为当前解决上述难题的主流技术 1 0 1 。但埋置无源元件( 如电容) 的3 维结构设计 自由度和复杂度均较高，其物理模型很难用数学解析式表示，造成埋置电容设计困难。因 此，为提高埋置电容的设计效率，采用参数提取 1 1 1 2 的方法，建立埋置电容的等效电路 模型，并分析其特性是非常必要的。图2 1 是多层介质结构电容电感设计流程，设计之初先 根据目前内埋式无源元件的设计趋势和优缺点以及电路的实际需要来选择适当的元件模 型。选择三维电磁仿真软件h f s s ，将无源元件的物理尺寸输入软件中，接着设定结构材料、 边界条件、端口以及频率等，然后求出s 散射参数并借助微波网络原理和微波电路仿真软 件( a d s ) 萃取出等效电路参数以便模型化。再由散射参数找出较佳的模拟值，接着实际 制作模拟的结构，然后测量出实际的电路散射参数，对二者进行比较调试。利用电磁仿真 软件的设计方式可以缩短内埋式无源元件的设计过程，还可以减少调试的次数。 图2 1 多层介质结构埋植器件设计流程 7 南京邮电大学硕士生学位论文第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 2 1 1 埋置电容等效电路研究 多层介质结构的特点是多层化，立体化，它能把元件埋置在其基板内部，实现三维集 成，明显提高电路密度。在低频电路中不需要太大的电容时通常两个基板就可以构成一个 电容，通过调整基板的面积或是彼此的距离能够满足设计上的要求。而在微波频段，往往 需要有设计较大值的电容，若仍然用这个思路，势必会增加元件体积，影响系统实际性价 比。这时就需要发挥多层结构技术特点，为了增加电容值，制作埋置电容基本上采用垂直 直插式电容 1 3 ( v e r t i c a li n t e r - d i g i t a lc a p a c i t o r ，v i c ) 的形式，同一极采用通孔进行连接。如 图2 2 所示： 图2 2 垂直直插式电容结构 除去上下的接地板，一共埋置了四块金属板，其电容大小是三个电容的并联值，显然 大大增加了同等面积下的简单平板的电容值。因此在相同的面积下，v i c 电容的值大概是 普通电容的3 倍。而电容的大小不仅与平板的面积和相互距离有关，还跟地面与平板的距 离也有很大关系。总体来讲，多层交叉式电容与双平行板电容相比，在实现小面积、大电 容方面更具优势。而且，电容的层数越多，面积就越小，电容值就越容易做大。如果要设 计一个电容值为c 的一个4 平行板电容，其计算公式如下： c ：c o 占r s f 2 1 ) 4 n 痈c d 其中，为真空中介电常数，占，为相对介电常数，s 为平板面积，d 为平板距离，k 为静电力常量。先算出要实现所需电容值c ，双平行板结构电容器需要的平板面积，然后 取它的1 3 就是我们需要的面积大小。当然这样得到的值会因为边缘效应的存在并不是很 准确，但是计算出的结果与实际测量值之间的误差不是很大，可以在初始设计中使用。 由于无源元件在l t c c 中三维机构设计自由度和复杂度都较高，其物理模型很难用数 学解析式来表示，所以这里采取参数提取的方法建立埋置电容等效电路模型，如图2 3 所 示： 南京邮电大学硕士生学位论文第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 p o 喇 r 图2 - 3 埋置电答的7 c 型等效电路图 其中l 为等效串联电感，表示电容引出端部分感性电抗；r 为等效串联电阻，表示元 件的损耗：c 1 和c 2 表示平行金属板对地寄生电容。内埋电容元件中由于电容和寄生的电 感形成自我谐振，限定了其作为电容功能的频率范围，其中l 和c 万构成该电路模型中的 串联自我谐振频率w s r f 。用导纳参数计算，图2 3 中各参数的提取可由( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 、( 2 4 ) 、 ( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式获得。其中，w s r f 为i m 1 z 。( 们 = 0 时的频率，为l 和c 谚串联谐振的频率。 c ：刿= i m 1 y l l ( w ) ( 2 - 2 )。 ww r = r e z l ( 例= - r e 1 y l l ( 们】 ( 2 3 ) c ；i m y l ( w ) ：i m y 11 ( w ) + y 1 2 ( w ) ( 2 4 ) 乙l = = 一 t 二一叶j c ，：i m y 2 ( w ) ：i m y 2 2 ( w ) + y 1 2 ( w ) ( 2 5 ) 1 l = (26)2 w s r fx c 西 ?j 上面介绍的是两端口的情况，有时对接地电容要求比较大的值，这里给出了接地时大 电容模型，即只有一个端口，如图2 4 所示： ri 图2 4 单端口电容等效电路 9 南京邮电大学硕士生学位论文第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 用导纳参数计算，忽略c 1 ，图2 4 中各参数的提取可由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 式获得： c 。矿：i m y u ( w ) ( 2 - 7 )2 ， r = r e 【必，( 纠( 2 - 8 ) 1 三= (29)2 w 卿 。 2 1 2 埋置电容仿真设计 利用3 维电磁场仿真软件h f s s ，建立不同结构参数埋置电容的模型。设定埋置电容 初始结构时的物理参数为：基板材料采用r o g e r sr t d u r o i d5 8 8 0 ( 缸n ) ，相对介电常数 s ，= 2 2 ，损耗角正切为0 0 0 0 9 ，每层基板厚度为2 0 0 p m ，层数h = 6 ，电容极板数n = 4 ， 电容的导体材料为铜，导体厚度1 8 岬，电容极板面积s = 1 0 0 0 u m * 7 0 0 p m ，同一电极板采 用直径r = 5 0 斗m 的通孔相连。 通常影响电容值大小及其他主要性能参数的因素很多，本文主要分析基板之间的距 离、以及基板数n 等变化对电容各种特性参数的影响。 ( a ) 不同基板间隔电容( b ) 不同基板间隔s 参数 l o 日p、衽谤 图2 5 不同基板间隔时的电容各种参数曲线 当电容基板间隔分别为1 0 0 1 t m 和2 0 0 “m 时，图2 - 5 ( a ) ( d ) 是电容各种参数的仿真曲 线，其中( a ) 是等效电容曲线，( b ) 是传输特性s 参数曲线，( c ) 是品质因素曲线，( d ) 是输入 阻抗曲线。可以看出基板距离越大有效电容越小，与( 2 1 ) 式相一致。同时，频率升高到1 0 g 左右时电容有效值急剧上升，随后变为负值，表明此时已经达到电路自谐振频率，之后该 电容整体呈电感性了。此外随着基板距离的增加，有效电容减小，电路的自谐振频率也在 增加，品质因素也随之增加，在1 5 g 左右可以达到最大值。 i t _ e - , o ( a ) 不同基板层数电容( b ) 不同基板层数s 参数 粤 桑 谤 f ，g h z卜，g h z 图2 - 6 不同基板层数时的电容各种参数曲线 当电容基板数分别为4 层和5 层时，图2 - 6 ( a ) ( d ) 是电容各种参数的仿真曲线。同样， 其中( a ) 是等效电容曲线，( b ) 传输特性s 参数曲线，( c ) 是品质因素曲线，( d ) 是输入阻抗曲 线。基板数的增加相当于( 2 1 ) 式中的有效面积增加，电容有效值也相应要增加，其参数变 化情况与图2 4 类似。 2 2 多层介质结构电感的分析研究 随着微波电路集成度的提高，使用频率越来越高，元件尺寸比实际的波长要大得多， 此时元件的传输线效应越来越明显，因此晶体管的宽频操作模型不再是射频电路的唯一主 角，无源元件的宽频模型也需要应用在电路上，使得能够完整地反映整个电路的真实电磁 现象，这有助于更真实地反映出电路特性，可使得电路设计时间缩短、成本减少。因此， 同上一节研究的电容类似，从已测或模拟的参数中提取简单和精确的元件参数公式，以预 测电感性能参数是十分必要的。 2 2 1 埋置电感等效电路研究 电感的埋置对于电路特性的影响较为明显，利用多层介质结构技术埋置电感可以得到 较为理想的特性。在目前的内埋式电感元件设计中，主要有两种结构 1 4 】：平面式和立体 多层式。图2 7 和图2 8 是内埋式平面电感的两种常见版图。 1 2 图2 9 垂直方向螺旋电感 本文采用的是图2 1 0 结构，主要用在水平方向电感的设计，相应它需要牺牲水平方向 面积来增加电感，而仅仅占用一层而已。 图2 1 0 水平方向螺旋电感 1 3 南京邮电大学硕士生学位论文 第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 在用h f s s 对高频电感元件三维结构模型进行仿真，以及用矢量网络分析仪对高频电感 元件进行测量时，所得的都是其二端口参数，因此需建立相应的等效电路模型来提取l t c c 内埋置电感的有效参数和各种寄生参数。图2 1 1 为电感等效参数拓扑结构 1 5 】【1 6 】【1 7 】： 图2 1 l 电感模型拓扑结构 其中串联阻抗z 。( w ) 和两个并联分支导纳五( w ) 、e ( w ) 可由二端口导纳参数求得： z i 一南( 2 - 1 0 )0 1 2 w ， k ( w ) = r l ，( w ) + i ：( w ) ( 2 - 1 1 ) e ( 们= 艺：( 们+ 2 ( w ) ( 2 1 2 ) 采用图2 1 l 所示的电感等效拓扑结构，建立如图2 1 2 所示的l t c c 内埋置电感等效电路 模型来提取参数： c 3 o c t l 庶一r p i 吲 。厂y l 丽伊 c 1 = c 2 c ： 图2 1 2l t c c 内置电感的等效模型 图中r 表示螺旋电感中等效串联电阻，l 为等效的总电感，c 。和c ：表示金属线圈与 接地金属平面间的等效寄生电容，c 3 表示电感线圈与线圈间的寄生耦合电容。其中l 万、c 3 和总阻抗为z 。( 川，c l 和c ：的导纳分别为k ( 叻和e ( w ) 。在较低频段时，图2 1 2 中各参数 的提取可用二端口导纳参数获得： l 够：删：一i m 1 y t 2 ( w ) ( 2 - 1 3 ) ww r = r e z l ( 们】= 一r e 1 y 1 2 ( w ) 】 ( 2 1 4 ) 南京邮电大学硕士生学位论文第二章基于多层介质结构电感与电容的分析研究 c 。：刿：型塑坐型蚴( 2 1 5 ) c 2 ：i m y 2 ( w ) ：i m y 2 2 ( w ) + y n ( w ) 2 - 16 ) c 3 = 1 t 一 ( 2 1 7 ) w p r f x l 西 其中，雌肚为i m 1 z 。( 川】= 0 时的角频率，即为l 酊和c 3 谐振时的并联谐振角频率。 在图2 - 1 1 中，自谐振频率( 灯) 为三和c l + c ：所形成的谐振频率点。由于电感线圈与线 圈间的耦合电容c 3 较线圈与接地平面间的寄生电容c 1 和c 2 小，从而怫肼通常高于自谐振 角频率。在实际运用中比较重要的参数还有z 加和品质因素q ，这两个参数的计算公式如 ( 2 1 8 ) 式和( 2 1 9 ) 式【1 8 】： p ：i m z m ( w ) ：i m 1 y n ( w ) ( 2 18 ) 。 r e z 加( w ) 】r e 1 z 。( 川】 、 引叻一z o 菇蓑糕 亿 2 2 2 埋置电感仿真设计 利用3 维电磁场仿真软件h f s s ，建立不同结构参数埋置电感的模型。设定埋置电容 初始结构时的物理参数为：基板材料采用r o g e r sr t d u r o i d5 8 8 0 ( 饷) ，相对介电常数 占，= 2 2 ，损耗角正切为o 0 0 0 9 ，每层基板厚度为2 0 0 9 m ，层数h = 3 ，螺旋的圈数n = 3 ， 电感的导体材料为铜，导体厚度1 8 9 t m ，每块板的宽度为d = 2 0 0 9 m ，电感接地极板面积 s = 2 2 0 0 9 m * 3 2 0 0 9 m ，同一电极板采用直径为r = 5 0 9 m 的通孔相连。 通常影响电感值大小及其他主要性能参数的因素很多，本文主要分析电感不同线圈数 n 、线圈宽度等变化对电感各种特性参数的影响。图2 。1 3 给出了初始物理参数下埋置电容 的特性参数拟合曲线： o ( c ) 不同线圈数品质因素 x ( 础不同线圈数输入阻抗 q 。n = 3 ，、 ， 、 一- q n = 2 ，l ：八， ：；一一一i 一一一一 ? ? 一l 一一一一 ：、 攀 i i i 051 0 f ，g h z 皲 备 商 图2 1 3 不同线圈绕数下电感各种参数曲线 当电感线圈绕数分别为2 和3 时，图2 1 3 ( a ) ( d ) 是电感各种参数的仿真曲线。其中( a ) 是等效电感曲线，( b ) 是传输特性s 参数曲线，( c ) 是品质因素曲线，( d ) 是输入阻抗曲线。 可以看出，当频率接近第一自谐频率时电感有效值急剧上升，之后便下降为负值，此时电 感整体呈电容性了。此外随着线圈绕数的增加电感有效值也在增加，电路的自谐频率在减 小，品质因素也在变小，输入阻抗在增加。 1 6 o 0 8 6 4 2 力 用 堕京堕电大学堡士生堂堡垒奎一釜三皇茎三兰星坌堕竺丝皇壁皇皇查塑坌塑翌坠 - - - - _ - _ _ _ _ - - _ - _ - - _ _ - - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - - _ i l - _ - - - _ - - _ 一一一 ( a ) 不同线圈宽度电感 ( 日) 不同线圈宽度s 参数 a ( c ) 不同线圈宽度品质因素 女d i 酽不同线圈宽度输入阻抗 墩 甾 商 图2 1 4 不同线圈宽度下电感各种参数曲线 当电感线圈宽度分别为1 0 0 i j r n 和2 0 0 i a u 时，图2 1 4 ( a ) ( d ) 是电感各种参数的仿真曲 线。同样，其中( a ) 是等效电感曲线，( b ) 是传输特性s 参数曲线，( c ) 是品质因素曲线，( d ) 是输入阻抗曲线。线圈宽度变宽后电感有效值明显减小了，其他参数变化情况与图2 - 1 3 类 似。 2 3 本章小结 本章首先介绍了多层介质结构埋置电感电容的参数提取方法，及其理论推导。在此理 论基础上，重点对影响电容参数特性曲线的基板距离和基板层数，以及对影响电感参数特 1 8 南京邮电大学硕士生学位论文 第三章微波滤波器原理与设计 第三章微波滤波器原理与设计 3 1 滤波器功能及其分类 滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而 对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工作越来越普遍， 对分隔频率的要求也相应提高，所以需用大量的滤波器。再则，微波固体器件的应用对滤 波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类器件 都是多频率工作的，都需用相应的滤波器。更何况，随着集成电路的迅速发展，近几年来， 电子电路的构成完全改变了，电子设备日趋小型化。原来为处理模拟信号所不可缺少的l c 型滤波器，在低频部分，将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。在高频部分也出现了 许多新型的滤波器，例如：螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。虽然它们 的设计方法各有自己的特殊之点，但是这些设计方法仍是以低频“综合法滤波器设计”为基 础，再从中演变而成。 图3 1 的方框里面是一个由电抗元件l 和c 组成的两端口。网络a 是由电抗元件组成 的，而电抗元件是不消耗功率的，所以，高频功率并没有被网络a 吸收，它有时贮存于电感 l 的周围，作为磁能；在另一些时间，它又由电感l 交还给电源。如果l 和c 都是无损 元件( 即它们的电阻等于零) ，那么，高频功率就是这样在电感与电源之间来回交换，丝 毫不受损耗，这就是电抗滤波器阻止一些频率通过的物理基础。从这个意义来说，我们可 以认为滤波器将止带频率的功率发射回电源去，同时也是因为这个关系，在止带内滤波器 的输入阻抗是纯电抗性的。 l r r l r n c 于 一 e 2 n e t w o r ka ， 上i 图3 1 基本l c 低通滤波器 滤波作用是滤波网络所具有的内在特性，但滤波网络所能起到的作用还受外界因素 1 9 南京邮电大学硕士生学位论文第三章微波滤波器原理与设计 ( 电源内阻r l 和负载电阻r 2 ) 的影响。滤波效能首先决定于滤波器的内在特性( 这是主 要的