Ka波段并联电感销钉LTCC滤波器
1引言Ka波段具有许多让人注目的特点,如高数据传输率和良好的保密性,这使得它吸引了大量工程技术人员的注意。因此大量Ka波段商用和军用的电路得以实现。但是,对低成本,结构紧凑和高性能的追求必然使新技术,新概念的应用成为必然。作为这些新技术中的一种,日益成熟的LTCC技术已经为实现具有3-D结构的电路和元件提供了可能,这当中包括带通滤波器,巴伦,过渡与连接,模块与子系统。虽然LTCC技术具有广阔的前景,但是也应该注意到其自身的问题,如在介质层间和不同信号通路间的电磁隔离,有源器件的散热,加工误差(共烧后介质基板的收缩和不可避免的介质层偏移等)。这些因素已经严重影响了电路性能,同时需要设计者的特别关注。
本文应用LTCC技术设计一种性能相对稳定的并联电感销钉滤波器。在设计过程中,对一个或两个并联电感销钉结构进行了选择。为更进一步实现稳定的性能,对两种微带-SIW过渡结构进行了比较,最终选用微带-SIW渐变过渡。
2并联电感销钉滤波器设计
并联电感销钉滤波器采用四层DuPont D943,其相对介电常数er7.4,损耗角0.002,每层介质厚度为0.114mm(共烧后)。
滤波器初值计算采用如下公式:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中 为滤波器相对带宽,k为并联电感销钉结构的耦合系数。为简化仿真过程,矩形金属波导被用来模拟SIW,其等效宽度计算公式为:
(5)
耦合系数计算值与电感销钉物理结构有如下关系:
(6)
不同的电感销钉数对应不同的变化范围:当销钉数为一时,耦合系数为最大;为二时,耦合系数适中;为三时,相邻两个谐振腔几乎无耦合,如图1所示。对于电感销钉数的选择应考虑到k的计算值。然后通过公式(7),(8)计算出相邻两排电感销钉的间距(ln)。
http://upload.semidata.info/new.eefocus.com/article/image/2014/11/14/546584bf370c6-thumb.png (7)
(8)
滤波器的尺寸如图2(a),off1=off4=0.1mm,off2=off4=0.35mm,l2=1.75mm, l1=l3=1.58mm;滤波器仿真S参数如图2(b)。值得一提的是,当分别改变off1(=off4)或off2(=off3),滤波器仍然能够保持较好的滤波性能,如图3(a),(b)。
图1一到三个电感销钉偏心距与耦合系数的关系
图2(a)电感销钉滤波器参数示意
图2(b)电感销钉滤波器仿真S参数
图3(a)改变off1(=off4)滤波器的插入损耗
图3(b)改变off2(=off3)滤波器的插入损耗
图4微带-SIW渐变过渡的回波损耗
3微带-SIW过渡
为连接微带与SIW,提出了两种微带-SIW过渡结构。其一为微带-SIW渐变过渡,其特点为,结构较简单,渐变结构能够较好的保证加工后性能,但四分之一波长的渐变线也占用较大的基片面积,其仿真结果如图4;另一种为微带-共面波导-SIW过渡,其特点为,采用共面波导结构很好的完成场结构匹配,结构紧凑,但是窄的开槽使加工难度增加,难以保证良好的实测结果,其仿真结果如图5。为保证滤波器性能,选用微带-SIW渐变过渡结构。滤波器(带过渡结构)仿真S参数结构如图6:中心频率35GHz,1dB相对带宽5.7%,插入损耗通带内最低0.45dB, 回波损耗优于21dB。
图5微带-共面波导-SIW过渡的回波损耗
图6电感销钉滤波器(及过渡结构)S参数
4结论
本文提出了一种应用LTCC技术的并联电感销钉滤波器。对该滤波器的设计步骤进行了的说明。为连接滤波器与微带线,对比了两种微带到SIW的过渡结构(微带-SIW渐变过渡与微带-共面波导-SIW过渡)。滤波器与过渡结构表现了良好的仿真结果。
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