LC無源濾波器的設(shè)計學(xué)士學(xué)位論文(可編輯)

LC無源濾波器的設(shè)計學(xué)士學(xué)位論文分類號:TM28UDC:D10621-408-20122019-0密級:公開編號:2008034070成都信息工程學(xué)院學(xué)位論文LC無源濾波器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文)原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾:所呈交的畢業(yè)設(shè)計(論文),是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知,除文中特別加以標注和致謝的地方外,不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果,也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體,均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名:日期:指導(dǎo)教師簽名:日期:使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(論文)的規(guī)定,即:按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(論文)的印刷本和電子版本;學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(論文)的印刷本和電子版,并提供目錄檢索與閱覽服務(wù);學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文;在不以贏利為目的前提下,學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名:日期:學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名:日期:年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名: 日期:年月日導(dǎo)師簽名:日期:年月日LC無源濾波器的設(shè)計摘要隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,作為通訊系統(tǒng)中的一種不可缺少的器件?濾波器。濾波器是種對頻率具有選擇性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),它對某一頻率范圍內(nèi)的信號給以很小的衰減,使這部分信號能夠順利通過,對其它頻率的信號給以很大的衰減,從而盡可能地阻止這部分信號通過。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,濾波器無論是在設(shè)計理論、設(shè)計方法、制作工藝上都有了很大的進步。本論文首先介紹了無源濾波器的發(fā)展情況,濾波器的類型,制作工藝等基本情況。然后運用濾波器綜合設(shè)計方法,針對某一款帶通濾波器指標,設(shè)計出了四種不同類型巴特沃斯型、切比雪夫型、貝塞爾型、高斯型的帶通濾波器,然后通過電路仿真軟件ADS對濾波器電路進行了仿真,獲得了它們的衰減特性,最后從仿真結(jié)果出發(fā)對四種濾波器進行了分析和比較。關(guān)鍵詞:LTCC技術(shù);無源濾波器;巴特沃斯型;切比雪夫型;貝塞爾型;高斯型LCpassivefilterdesignAbstractWiththedevelopmentofcommunicationtechnology,asanindispensibledeviceinacommunicationsystem--filters.Thefiltersisonthefrequencyselectivityofthecomplexnetworkofitssignalwithinafrequencyrangetogiveasmallattention,sothatthispartofthesignalcanbepassedtogivealotofattentionofthesignalsofotherfrequencies,thusasmuchaspossibletopreventthesignalfromfiltersAstechnologyadvances,thefiltershadbeenmadeagreatprogressinthetheoreticaldesign,designmethodologyandproductionprocess.Thepaperfirstintroducedthebasicsituationofthedevelopmentofthefilters,thefiltertype,theproductionprocessandsoon.Thenfourkindsoffiltersweredesignedwiththeintegrateddesignmethod,contrarytoabandpassfilter,includeButterworthtype,Besseltype,Gausstype,Chebyshevtype,andthenthroughtheprofessionalcircuitsimulationsoftwaretofiltercircuitsimulationresultsobtainedtheattenuationcharacteristics.Finally,thesimulationresultsoffourkindsoffiltersareanalyzedandcompared.Keywords:Lowtemperatureco-firedceramicLTCC;LCpassivefilter;Butterworthtype;Gausstype;Besseltype;Chebyshevtype目錄論文總頁數(shù):24頁1引言 11.1課題背景 11.2目前研究現(xiàn)狀 11.3本課題設(shè)計意義 11.4課題設(shè)計方法 12濾波器基本介紹 22.1濾波器分類 22.1.1按所通過的信號的頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻四種濾波器[11] 22.1.2按所用的元器件的不同,可以分為無源濾波器和有源濾波器 32.1.3按濾波器所安放的位置不同,可以分為板上濾波器和面板濾波器 32.2四種不同濾波器的響應(yīng)特點 32.3濾波器的作用及應(yīng)用 42.3.1濾波器的作用 42.3.2濾波器的應(yīng)用 42.4濾波器的制作工藝 62.4.1微電子機械系統(tǒng)工藝(MEMS) 62.4.2LTCC技術(shù) 63四種不同類型帶通濾波器的設(shè)計原理和過程 83.1帶通濾波器的設(shè)計原理和步驟 83.2四種不同類型帶通濾波器的設(shè)計過程 93.2.1巴特沃斯帶通濾波器 93.2.2切比雪夫帶通濾波器 103.2.3貝塞爾帶通濾波器 113.2.4高斯型帶通濾波器 124濾波器仿真結(jié)果 134.1巴特沃斯帶通濾波器 134.2切比雪夫帶通濾波器 144.3貝塞爾帶通濾波器 164.4高斯型帶通濾波器 174.5四種濾波器中心頻率附近的衰減特性 185分析仿真結(jié)果與比較 205.1仿真結(jié)果分析 205.1.1巴特沃斯濾波器仿真結(jié)果分析 205.1.2切比雪夫濾波器仿真結(jié)果分析 205.1.3貝塞爾濾波器仿真結(jié)果分析 205.1.4高斯濾波器仿真結(jié)果分析 205.2四種濾波器的仿真結(jié)果比較 20結(jié)論 21參考文獻 21致謝 23聲明 241引言1.1課題背景通過多年的探索和實踐總結(jié),LC無源濾波器的設(shè)計有了比較成熟的思路和方法。但隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和電子電路技術(shù)的發(fā)展,特別是對LC無源濾波器提出了更多,更高的要求,特別是近年來LTCC技術(shù)的運用使得電子元器件向著小型化、輕量化的方向發(fā)展,也使得人們對無源濾波器朝著高性能、低成本、體積小、重量輕的趨勢發(fā)展有了更大的期待。同時諧波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化和諧波源的多變性等等使得實際濾波器設(shè)計中暴露出許多問題,需要結(jié)合實際,歸納數(shù)據(jù),全面比較設(shè)計方法,完善與優(yōu)化設(shè)計才能設(shè)計出性能更好滿足要求的無源濾波器。本次課題研究主要是對指定濾波器指標,通過各種不同帶通濾波器的傳統(tǒng)設(shè)計方法,設(shè)計出同一指標的不同類型的帶通濾波器,計算出各LC元件的元件值,并用電路仿真軟件ADS仿真出來,得到各自不同的頻率響應(yīng)曲線,并進行深入探討,比較各種濾波器的優(yōu)缺點。1.2目前研究現(xiàn)狀隨著LTCC技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的無源濾波器事逐漸被LTCC無源濾波器所取代,因為它具有高性能、低成本、體積小、重量輕等優(yōu)點?，F(xiàn)在LC無源濾波器設(shè)計方法有經(jīng)典設(shè)計方法(定K型、M推演型)、現(xiàn)代設(shè)計方法(巴特沃斯型、貝塞爾型、切比雪夫型、高斯型)等等,現(xiàn)在不但在理論設(shè)計上和電路設(shè)計改進方面都不斷取得新發(fā)展,但都是建立在傳統(tǒng)的基本設(shè)計方法之上的,同時也由于LTCC技術(shù)使得在構(gòu)成無源濾波器的基本元器件方面也有了突飛猛進的進步,讓LC無源濾波器的性能有了大大的改善。1.3本課題設(shè)計意義雖然現(xiàn)在無源濾波器設(shè)計技術(shù)取得了飛速的發(fā)展,濾波器設(shè)計方法也是多種多樣,層出不窮。但是并沒有進行各種方法系統(tǒng)的深入研究和比較,本課題在設(shè)計出滿足某一特定帶通濾波器指標的前提下,并運用了四種不同的濾波器設(shè)計方法,設(shè)計出了四種不同類型的帶通濾波器,得到了四種LC無源濾波器的性能指標。并進行系統(tǒng)歸納和總結(jié),歸納了數(shù)據(jù),比較出了四種設(shè)計方法的優(yōu)缺點。這對于以后進行LC無源濾波器的設(shè)計有了一定的指導(dǎo),積累了一定的經(jīng)驗。1.4課題設(shè)計方法根據(jù)所設(shè)計的帶通濾波器指標,根據(jù)歸一化低通濾波器的設(shè)計數(shù)據(jù)設(shè)計出四種不同類型的低通濾波器。再根據(jù)低通濾波器到高通濾波器的電路圖轉(zhuǎn)換得到四種不同類型的帶通濾波器,再用ADS軟件進行仿真得到濾波器的性能特性曲線。得到四種不同類型帶通濾波器的仿真結(jié)果之后,再進行比較各自的優(yōu)缺點,歸納總結(jié)數(shù)據(jù),積累經(jīng)驗。2濾波器基本介紹2.1濾波器分類2.1.1按所通過的信號的頻段可以分為低通、高通、帶通、帶阻四種濾波器[11]。1低通濾波器從0~f2頻率之間,幅頻特性平直,它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過,而高于f2的頻率成分受到極大地衰減,中心頻率是f2,它的通帶頻率范圍是0~f2。英文縮寫名稱為LPF,其頻率特性如圖所示。2高通濾波器正好與低通濾波相反,從頻率f1~∞,其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過,而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減,中心頻率是f1,其通帶頻率范圍是f1~∞,英文縮寫名稱為HPF,其頻率特性如圖所示。3帶通濾波器它的通頻帶在f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過,而其它成分受到衰減,通帶頻率范圍是f1~f2,其帶寬為BWf1-f2,英文縮寫名稱為BPF,其頻率特性如圖所示。4帶阻濾波器正好與帶通濾波相反,阻帶在頻率f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減,其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過,其阻帶頻率范圍是f1~f2,英文縮寫名稱為BRF,其頻率特性如圖所示。圖1-1四種基本濾波器的頻率特性曲線圖[6]2.1.2按所用的元器件的不同,可以分為無源濾波器和有源濾波器1無源濾波器僅由無源元件(R、L和C)組成的濾波器,它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點是:電路比較簡單,不需要直流電源供電,可靠性高;缺點是:通帶內(nèi)的信號有能量損耗,負載效應(yīng)比較明顯,使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng),當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大,在低頻域不適用。2有源濾波器由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點是通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗,而且還可以放大,負載效應(yīng)不明顯,多級相聯(lián)時相互影響很小,利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器,并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件)。缺點是:通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器)的帶寬限制,需要直流電源供電,可靠性不如無源濾波器高,在高壓、高頻、大功率的場合不適用。2.1.3按濾波器所安放的位置不同,可以分為板上濾波器和面板濾波器1板上濾波器安裝在線路板上,如PLB、JLB系列濾波器。這種濾波器的優(yōu)點是經(jīng)濟,缺點是高頻濾波效果欠佳。2面板濾波器一般都直接安裝在屏蔽機箱的金屬面板上。由于直接安裝在金屬面板上,濾波器的輸入與輸出之間完全隔離,接地良好,電纜上的干擾在機箱端口上被濾除,因此濾波效果相當理想。缺點是必須在設(shè)計初期考慮安裝所需的配合結(jié)構(gòu)。按所處理的信號可以分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器等等,這里不在做過多的介紹。2.2四種不同濾波器的響應(yīng)特點巴特沃斯響應(yīng):巴特沃斯響應(yīng)能夠最大化濾波器的通帶平坦度。該響應(yīng)非常平坦,非常接近DC信號,然后慢慢衰減至截止頻率點為-3dB,最終逼近-20ndB/decade的衰減率,其中n為濾波器的階數(shù)。巴特沃斯濾波器特別適用于低頻應(yīng)用,其對于維護增益的平坦性來說非常重要。切比雪夫響應(yīng):在一些應(yīng)用當中,最為重要的因素是濾波器截斷不必要信號的速度。如果你可以接受通帶具有一些紋波,就可以得到比巴特沃斯濾波器更快速的衰減切比雪夫濾波器與巴特沃斯濾波器進行比較,切比雪夫濾波器的通帶有波紋,過渡帶輕陡直,因此,在不允許通帶內(nèi)有紋波的情況下,巴特沃斯型更可取;從相頻響應(yīng)來看,巴特沃斯型要優(yōu)于切比雪夫型。貝塞爾響應(yīng):除了會改變依賴于頻率的輸入信號的幅度外,濾波器還會為其引入了一個延遲。延遲使得基于頻率的相移產(chǎn)生非正弦信號失真。就像巴特沃斯響應(yīng)利用通帶最大化了幅度的平坦度一樣,貝塞爾響應(yīng)最小化了通帶的相位非線性,貝塞爾濾波器又稱最平時延或恒時延濾波器。其相移和頻率成正比,即為一線性關(guān)系。但是由于它的幅頻特性欠佳,而往往限制了它的應(yīng)用。高斯響應(yīng):二維高斯函數(shù)具有五個重要的特點??旋轉(zhuǎn)對稱性、單值函數(shù)、付立葉變換頻譜是單瓣的、高斯濾波器寬度(決定著平滑程度)是由參數(shù)表征的,而且和平滑程度的關(guān)系是非常簡單的、由于高斯函數(shù)的可分離性,較大尺寸的高斯濾波器可以得以有效地實現(xiàn)。高斯濾波器是一類根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑濾波器。高斯平滑濾波器對于抑制服從正態(tài)分布的噪聲非常有效。以上的高斯函數(shù)的五條特性決定了高斯濾波器無論在空間域還是在頻率域都是十分有效的低通濾波器,且在實際圖像處理中得到了工程人員的有效使用。2.3濾波器的作用及應(yīng)用2.3.1濾波器的作用濾波器,簡單地說就是對波進行過濾的器件。“波”是一個非常廣泛的物理概念,在電子技術(shù)領(lǐng)域,“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用,被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù),稱之為各種物理量的時間波形,或者稱之為信號.因為自變量時間是連續(xù)取值的,所以稱之為連續(xù)時間信號,又習(xí)慣地稱之為模擬信號(AnalogSignal),隨著數(shù)字式電子計算機(一般簡稱計算機)技術(shù)的產(chǎn)生和飛速發(fā)展,為了便于計算機對信號進行處理,產(chǎn)生了在抽樣定理指導(dǎo)下將連續(xù)時間信號變換成離散時間信號的完整的理論和方法。也就是說,可以只用原模擬信號在一系列離散時間坐標點上的樣本值表達原始信號而不丟失任何信息,波、波形、信號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化,自然就是現(xiàn)代社會賴以生存的各種信息的載體。信息需要傳播,靠的就是波形信號的傳遞。信號在它的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)拿恳粋€環(huán)節(jié)都可能由于環(huán)境和干擾的存在而畸變,有時,甚至是在相當多的情況下,這種畸變還很嚴重,以致于信號及其所攜帶的信息被深深地埋在噪聲當中了。2.3.2濾波器的應(yīng)用現(xiàn)在濾波器中應(yīng)用中有LC濾波器、晶體濾波器、聲表面波濾波器、陶瓷濾波器、螺旋振子濾波器。LC濾波器:都由電感器和電容器組成,分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器。LC濾波器應(yīng)用廣泛,工作頻率約從幾百赫至幾十兆赫,且成本低。缺點是工作頻率不夠高,電感線圈的體積大,品質(zhì)因數(shù)低,不便于小型化和集成化,溫度特性差。晶體濾波器:晶體濾波器按帶寬分為窄帶和寬帶兩種。窄帶晶體濾波器電路由晶體和電容構(gòu)成,它的最大帶寬取決于晶體的電容比Cp/Cs,最大的相對帶寬小于0.4%,在晶體上串接或并接線圈后最大相對帶寬可展寬到7%-10%,晶體濾波器的工作頻率很寬一般常用的頻率在10kHz--150MHz范圍內(nèi)。晶體濾波器應(yīng)用于廣播、電視、通信、導(dǎo)航、遙控遙測和航空航天技術(shù)等領(lǐng)域。陶瓷濾波器:高選擇性的陶瓷濾波器通常是采用多個壓電陶瓷片按梯型結(jié)構(gòu)連接而成,陶瓷濾波器的特點是體積小,矩形系數(shù)好,但溫度穩(wěn)定性差,比不上晶體濾波器,但比LC濾波器要好,頻率溫度系數(shù)可達。特別是由于陶瓷濾波器成本低廉,已廣泛地應(yīng)用于各種軍用和民用無線電通信設(shè)備中。如調(diào)幅中頻455kHz,電視接收中頻4.5MHz,調(diào)頻接收中頻10.7MHz成功地應(yīng)用了陶瓷濾波器。聲表面波濾波器:聲表面波(SAW)就是在壓電晶體基片如(石英晶體、妮酸銼晶體、鉭酸銼晶體等)表面產(chǎn)生和傳播的聲波,這種聲波比電磁波速度小105倍。聲表面波濾波器主要是由叉能換能器(IDT)起到能量轉(zhuǎn)換作用和傳聲基片組成,在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁鍍,把設(shè)計定型的兩個IDT的圖案,利用光刻的方法,沉積在基片表面,一個作為發(fā)射叉能換能器,一個作為接收叉能換能器。聲表面波濾波器的特點是尺寸小,重量性,使用時不需要調(diào)整,設(shè)計靈活,可實現(xiàn)多種復(fù)雜功能,可選用的頻率范圍廣,聲波是質(zhì)點振動,不涉及到電子遷移過程,在傳輸過程中不受電磁波的影響,所以器件的可靠性高,抗輻射性能好[6]。聲表面波濾波器的應(yīng)用范圍很廣。比如在家電領(lǐng)域里,如彩電用了頻率為38MHz的電視中頻濾波器,對電視機的圖像和伴音起到了重要作用;在無繩電話中,用上了頻率為45/48MHz的聲表面波濾波器;在移動電話中,用上了800MHz系列,900MHz系列,1800MHz系列的聲表面波濾波器;家用衛(wèi)星接收機中用上了480MHz系列的聲表面波濾波器等等,在很多場合聲表面波濾波器的應(yīng)用很廣泛。螺旋振子濾波器:根據(jù)選擇性的要求,濾波器可以由2?8個螺旋振子組成,振子之間的耦合是通過在屏蔽板中開窗口的方法來實現(xiàn),窗口的位置取決于耦合電抗的性質(zhì),窗口位置在上端的為電容耦合,窗口位置在下端的為電感耦合(高阻抗)、環(huán)耦合(低阻抗)、抽頭耦合(阻抗可調(diào))。為了便于調(diào)整單個螺旋振子的頻率,在每個振子的開路端處有黃銅調(diào)節(jié)螺絲作為微調(diào)電容。濾波器的通帶寬度取決于耦合窗口的大小,相對帶寬一般可達0.5%-40%。為了減少濾波器的損耗,螺旋線和屏蔽罩必須用高導(dǎo)電率材料制作,或表面鍍銀,鍍層厚度要求大于5倍的高頻滲透深度,在屏蔽殼的結(jié)構(gòu)上不得與螺旋振子濾波器的溫度穩(wěn)定性幾乎完全取決于螺旋振子的溫度穩(wěn)定性。螺旋振子除作帶通濾波器外,還能作帶阻濾波器。2.4濾波器的制作工藝2.4.1微電子機械系統(tǒng)工藝(MEMS)MEMS濾波器具有帶寬窄,損耗低和穩(wěn)定性高的優(yōu)點,主要有加工濾波器和采用MEMS高Q值電容,電感實現(xiàn)的單片集成濾波器兩大類,微加工結(jié)構(gòu)濾波器主要構(gòu)件是微加工諧振器,這一器件前面已有介紹,鑒于MEMS諧振器縮小尺寸提高諧振頻率的空間有限,這類濾波器距實用有一定的距離。單片集成濾波器主要是高Q值的MEMS電感、電容,以目前的MEMS工藝技術(shù)完全可以制造小型化的高Q值電感電容元件,如采用深刻蝕技術(shù),制作宏觀三維結(jié)構(gòu)的電容,用背面腐蝕技術(shù),和準LIGA厚膠光刻技術(shù)制作電感,進一步選擇元件值,進而集成為單片集成濾波器。另有以MEMS微加工傳輸線制作的濾波器,性能獨特是傳統(tǒng)的傳輸線濾波器無法比擬的。2.4.2LTCC技術(shù)[2]LTCC無源濾波器的原理與傳統(tǒng)濾波器的原理在本質(zhì)上是一樣的。即它們都可以等效為典型的RLC電路結(jié)構(gòu),由它們構(gòu)成的諧振電路在一定頻率范圍產(chǎn)生諧振,從而達到只讓某些頻率的波通過的效果,即產(chǎn)生濾波效應(yīng)。它采用的是厚膜材料,就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶,在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形,并將多個無源元件埋入其中,然后疊壓在一起,在9000C左右燒結(jié),制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件,也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板,在表面可以貼裝IC和有源器件,制成無源/有源集成的功能模塊。LTCC技術(shù)的特點:LTCC可實現(xiàn)集成一體化互連封裝,在LTCC基板內(nèi)可實現(xiàn)無源器件的集成并可運用表面貼片技術(shù)(SMT)在基板表面集成各種IC芯片;易于埋置無源器件,從而可大大減小器件體積;可制作精細線條和線距離,較適合高速、高頻組件及高密度封裝的精細間距的倒裝芯片,從而更有利于系統(tǒng)的集成;由于其采用低電阻率的金屬作導(dǎo)體,損耗小;LTCC有著很好的電特性,制作工藝一次燒結(jié)成型,印制精度高,多層基板生瓷帶可分別逐步檢查,有利于生產(chǎn)效率提高,非常規(guī)形狀集成封裝的研制周期短。雖然LTCC技術(shù)有很多優(yōu)點,但其仍有一些缺陷如:LTCC的收縮率誤差不易控制;雖然電特性好,但其機械強度卻比較差,散熱問題是LTCC技術(shù)的一個大問題,隨著器件體積的縮小,其散熱問題自然就成了一個很關(guān)鍵的話題。目前針對這些問題已有一些相關(guān)的處理方法,不過仍需要進一步完善[2]。圖2-1LTCC濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2LTCC濾波器的橫截面圖3四種不同類型帶通濾波器的設(shè)計原理和過程本課題所設(shè)計的LC無源帶通濾波器的參數(shù)指標是中心頻率10MHz,帶寬BW1MHz,特征阻抗歐姆。3.1帶通濾波器的設(shè)計原理和步驟[1]LC無源帶通濾波器的設(shè)計流程如圖5所示,在LPF變換為帶通的過程中要用到電路對應(yīng)關(guān)系(本課題研究只用到了兩種關(guān)系),如圖4所示式(3-1)式(3-2)圖3-1LPF基本構(gòu)成單元電路與BPF基本單元電路的對應(yīng)關(guān)系圖3-2帶通濾波器的設(shè)計流程在計算各種不同類型的LC無源濾波器的元件值時,有很多計算公式,在計算過程中要特別注意各元件值的單位。其次,各元件值應(yīng)該盡量做到精準,應(yīng)盡量保留更多的位數(shù),嚴格按照設(shè)計公式計算3.2四種不同類型帶通濾波器的設(shè)計過程[9]3.2.1巴特沃斯帶通濾波器(10MHz,帶寬BW1MHz,歐姆)設(shè)計方法:①直接利用歸一化的數(shù)據(jù)設(shè)計,先設(shè)計截止頻率1MHz特征阻抗歐姆的巴特沃斯低通濾波器。因為M再把基準濾波器的各元件值除以M得到:,再進行阻抗變換,因為,最后得到,就得到了3階巴特沃斯低通濾波器的各元件值。②利用LPF與BPF之間的轉(zhuǎn)換電路圖,將LPF變換成BPF,這樣就得到了最終巴特沃斯帶通濾波器的各元件值,最終得到的電路圖為:圖3-33階巴特沃斯帶通濾波器電路圖3.2.2切比雪夫帶通濾波器(10MHz,帶寬BW1MHz,歐姆,As0.5dB)設(shè)計方法:①利用切比雪夫歸一化數(shù)據(jù)設(shè)計截止頻率1MHz,特征阻抗50歐姆的切比雪夫低通濾波器。其中,.得到:阻抗變換:得到了3階切比雪夫低通濾波器②利用基本電路關(guān)系把LPF變換成BPF,于是就得到了3階切比雪夫帶通濾波器的各元件的值,于是最終的電路圖為:圖3-43階切比雪夫帶通濾波器3.2.3貝塞爾帶通濾波器(10MHz,帶寬BW1MHz,歐姆)設(shè)計方法:①利用貝塞爾歸一化數(shù)據(jù)設(shè)計出截止頻率1MHz,特征阻抗50歐姆的貝塞爾低通濾波器,其中,先進行頻率變換:再進行阻抗變換:②利用基本電路關(guān)系將貝塞爾低通濾波器變換成帶通濾波器這樣就得到了3階貝塞爾帶通濾波器的各個元件值,最終電路圖為:圖3-53階貝塞爾帶通濾波器電路圖3.2.4高斯型帶通濾波器(10MHz,帶寬BW1MHz,歐姆)設(shè)計方法:①利用歸一化高斯低通濾波器設(shè)計數(shù)據(jù)設(shè)計截止頻率1MHz,特征阻抗歐姆的高斯低通濾波器,其中參數(shù)為:,首先進行頻率變換:再進行阻抗變換:這樣就得到了3階高斯型低通濾波器②利用基本電路單元關(guān)系將高斯型低通濾波器轉(zhuǎn)換成帶通濾波器于是就得到了3階高斯型帶通濾波器的各元件值,最終電路圖為:圖3-63階高斯帶通濾波器4濾波器仿真結(jié)果這里用專業(yè)濾波器電路仿真軟件對所設(shè)計出的四種不同類型的3階帶通濾波器電路進行了仿真,得到了他們的各自的頻率響應(yīng)曲線4.1巴特沃斯帶通濾波器它的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖所示:圖4-1巴特沃斯帶通濾波器S2,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-2巴特沃斯帶通濾波器S1,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-3巴特沃斯帶通濾波器以角度表示的S參數(shù)仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖4-1看出,在9.5MHz到10.5MHz的1MHz的通帶內(nèi),頻率響應(yīng)很平坦,幾乎沒有波紋,而在阻帶內(nèi)衰減特性也很好;從圖4-2看出,在離中心頻率較遠的阻帶內(nèi)巴特沃斯帶通濾波器的反射幾乎為零,而在阻帶內(nèi)反射損耗較大,特別是在中心頻率附近;從圖4-3看出,S參數(shù)當以角度表示時從正負角度來看是呈兩邊對稱的,只是在阻帶內(nèi)頻率響應(yīng)S1,1和S2,1是正好相反的,并且在通帶內(nèi)S2,1較S1,1兩邊波動更大,范圍更廣。4.2切比雪夫帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線如圖所示:圖4-4切比雪夫帶通濾波器S2,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-5切比雪夫帶通濾波器反射損耗特性圖4-6切比雪夫帶通濾波器以角度表示S參數(shù)仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖4-4可以看出,切比雪夫響應(yīng)在通帶內(nèi)有明顯的兩個等起伏的波紋,相比巴特沃斯的通帶起伏則是顯著的不同,在阻帶內(nèi)衰減特性也很好,但是較巴特沃斯響應(yīng)比較要差一些;從圖4-5可看出,S1,1頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)有明顯的波紋起伏,較巴特沃斯比較起來,最大反射要小一些,而在阻帶的反射也幾乎為零;圖4-6看到,S1,1和S2,1頻率響應(yīng)同樣是相反的,S1,1是以正角度開始的,S2,1是以負角度開始的,并且在通帶內(nèi)他們的波紋起伏也不同,在中心頻率附近兩邊頻率響應(yīng)都是呈對稱的。4.3貝塞爾帶通濾波器圖4-7貝塞爾帶通濾波器S2,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-8貝塞爾帶通濾波器S1,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-9貝塞爾帶通濾波器以角度表示的S參數(shù)仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖4-7可以看出,貝塞爾濾波器的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)很平緩過渡,既不像巴特沃斯響應(yīng)那樣很平坦,也不像切比雪夫那樣有明顯地波紋,并且波動也不大;從反射圖4-8來看,在通帶內(nèi)反射較巴特沃斯和切比雪夫都要小,并且沒有起伏,同樣在阻帶內(nèi)反射也幾乎為零;從圖4-9看到,S1,1和S2,1頻率響應(yīng)同樣是相反的,它們在通帶內(nèi)波紋起伏不一樣,S1,1是呈折線分布的,而S2,1在中心頻率附近兩邊也是呈對稱的。4.4高斯型帶通濾波器圖4-10高斯帶通濾波器S2,1參數(shù)仿真結(jié)果圖4-11高斯帶通濾波器S1,1仿真結(jié)果圖4-12高斯帶通濾波器以角度表示的S參數(shù)仿真結(jié)果從仿真結(jié)果圖4-10看出,高斯濾波器在通帶為1MHz的帶寬內(nèi)也是很平緩過渡的,和貝塞爾濾波器在通帶內(nèi)的響應(yīng)非常相似,都沒有很大的波紋,在阻帶內(nèi)的衰減特性也很好;從圖4-11反射圖來看,也和貝塞爾響應(yīng)反射很相似,同樣最大反射較巴特沃斯和切比雪夫都要小一些,在阻帶頻率范圍內(nèi)的反射也幾乎為零,也和貝塞爾濾波器很相似;圖4-12說明高斯濾波器的頻率響應(yīng)的相頻特性和貝塞爾也相似,S1,1和S2,1頻率響應(yīng)同樣是相反的,它們在通帶內(nèi)波紋起伏不一樣,S1,1是呈折線分布的,而S2,1在中心頻率附近兩邊也是呈對稱的,只是它們相頻大小不一樣,相差也不大。4.5四種濾波器中心頻率附近的衰減特性它們在中心頻率附近的衰減特性如圖所示:圖4-13四種濾波器中心頻率附近的衰減特性圖4-14四種濾波器中心頻率附近的反射損耗特性從圖4-13和圖4-14可以看出,在中心頻率附近巴特沃斯響應(yīng)在通帶內(nèi)很平坦,基本沒有波紋起伏;切比雪夫響應(yīng)在通帶內(nèi)有明顯的兩個等波紋起伏;高斯響應(yīng)和貝塞爾響應(yīng)在通帶都是很平穩(wěn)過渡,它們的群延時效應(yīng)更好。從反射圖來看,貝塞爾響應(yīng)和高斯響應(yīng)在通帶內(nèi)很相似。5分析仿真結(jié)果與比較5.1仿真結(jié)果分析5.1.1巴特沃斯濾波器仿真結(jié)果分析從圖4-1衰減特性圖可以看出,幾個特別的數(shù)據(jù)點當,,阻帶滿足要求;當,;當,,由此可知通帶內(nèi)的衰減量是小于等于的,也滿足設(shè)計值內(nèi)的要求的。從反射特性圖4-2來看,當時;當為中心頻率時,很大,因為反射損耗特性是用于表征濾波器對設(shè)計阻抗的匹配程度[1],由此可知阻抗匹配性很好。5.1.2切比雪夫濾波器仿真結(jié)果分析從圖4-4切比雪夫濾波器衰減特性圖來看,一些特別的數(shù)據(jù)點當;當f≤6.46MHz,,阻帶很寬,滿足設(shè)計要求。切比雪夫帶通濾波器設(shè)計時要求帶內(nèi)紋波小于,從仿真數(shù)據(jù)可以看出當,S2,1-0.500047214dB,當,即在帶寬1MHz內(nèi),帶內(nèi)紋波都是小于的,也滿足設(shè)計要求。從反射損耗特性圖4-5來看,當時,反射損耗都小于,符合要求,而在通帶帶寬內(nèi)時,此濾波器的反射損耗比較大。從衰減特性來看,在通帶內(nèi)有兩個起伏帶,并不是很平坦,這也是切比雪夫響應(yīng)的特點。5.1.3貝塞爾濾波器仿真結(jié)果分析從電路仿真數(shù)據(jù)結(jié)果來看當,,當,,通帶內(nèi)波紋小于,滿足設(shè)計預(yù)期要求,從反射損耗來看也大概滿足設(shè)計要求。貝塞爾響應(yīng)和高斯響應(yīng)很相似,他們的衰減特性很平坦,群延時特性也很平坦,并且是在進入阻帶區(qū)以后才開始迅速趨近于零值的,因此這種濾波器可以讓信號不會有太多的失真進行傳輸。5.1.4高斯濾波器仿真結(jié)果分析從圖4-10看出,高斯濾波器的衰減特性很平坦。當時,,當時,,通帶內(nèi)衰減小于等于,滿足設(shè)計的要求,它的反射損耗也滿足要求,它的衰減特性和貝塞爾衰減特性很相似,從延時特性曲線是在通帶內(nèi)就開始緩慢變化,并且趨近于零值的速度較慢。5.2四種濾波器的仿真結(jié)果比較巴特沃斯帶通濾波器在通帶內(nèi)起伏很小,頻率響應(yīng)和振幅都很平滑,在阻帶范圍內(nèi)衰減特性很好,因此巴特沃斯濾波器特別適用于低頻階段,因為它有利于維護增益的平坦度。切比雪夫帶通濾波器在通帶和阻帶之間的過渡帶上的衰減特性比巴特沃斯濾波器好,但是在通帶內(nèi)有明顯的兩個等起伏的波紋,通帶內(nèi)平坦特性沒巴特沃斯濾波器好,切比雪夫濾波器是最接近理想濾波器的一種濾波器,截止頻率變陡峭了。貝塞爾帶通濾波器具有最平坦的幅度和衰減特性,在通帶內(nèi)相伴響應(yīng)幾乎呈線性。它也具有最大平坦的群延時特性,能夠在通帶上最大限度地保持信號的匹配度,不會使信號產(chǎn)生失真。但是貝塞爾濾波器的選擇性比同階的巴特沃斯濾波器或切比雪夫濾波器要差,因此有時候為了提高阻帶的衰減水平,常常需要設(shè)計高階的貝塞爾濾波器。高斯濾波器和貝塞爾濾波器的特性非常相似,二者的差別主要是貝塞爾濾波器的延時特性曲線在通帶內(nèi)特別平坦,并且是在進入阻帶區(qū)以后才開始迅速趨近于零值的,而高斯型濾波器的延時特性曲線則是在通帶內(nèi)就開始緩慢變化,并且趨近于零值的速度較慢。結(jié)論通過本次課題的研究,可以看出不同類型的濾波器有不同的衰減特性,通帶波紋平坦度也不同。巴特沃斯濾波器通帶內(nèi)平坦度較好;切比雪夫濾波器通帶內(nèi)波紋起伏較大,衰減特性較巴特沃斯要差;高斯濾波器的群延時特性較好,因此如果要使傳輸?shù)男盘柕氖д娑缺M量小,可以考慮選用高斯濾波器;同時高斯和貝塞爾濾波器的通帶衰減特性很相似。這些特點對于以后設(shè)計某一給定指標的濾波器很有指導(dǎo)意義。參考文獻[1]森榮二著,薛培鼎譯.LC濾波器設(shè)計與制作[M]科學(xué)出版社2006年[2]夏紅,徐自強,王浩勤.LTCC帶通濾波器的設(shè)計[J]電子科技大學(xué)學(xué)報,2008SI:47?49.[3]LUDWIGBRETCHKOP.射頻電路設(shè)計----理論與應(yīng)用[M],王子宇,張肇儀,譯北京:電子工業(yè)出版社,2002.[4]王瑞庭.LTCC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[C]//第十四屆全國混合集成電路學(xué)術(shù)會議論文集.國,黃山,2005:140-147[5]曾志毅,王浩勤,尉旭波.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)應(yīng)用進展[J].磁性材料及器件,2007,382:7-10.[6]HONGJS,LANCASTERMJMicrostripfiltersforRF/microwaveapplications[M].JohnWiley&Sons,Inc,2001.[7]JENGYH,CHANGSFR,LINHK,etalAhighstopbandrejectionLTCCfilterwithmultipletransmissionzeros[J].IEEETrans-MIT,2006,524:633?638.[8]SHENTM,CHENCF,HUANGTY,etalDesignofverticallystackedwaveguidefiltersinLTCC[J].IEEETransMTT,2007,558:1771-1779.[9]梁杰LC濾波器元件參數(shù)的計算[J].電子制作.19992:46-48[10]SONGSJ,PARKSM.etal,A4-Gb/sCMOSclocdanddatarecovercircuitusing1/8rateclocktechnique[J],IEEEJournalofSolidstateCircuits,2003,387:1213-1219.[11]吳文婷.基于AnsoftDesigner的低通巴特沃斯濾波器的設(shè)計與優(yōu)化[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)家,2007,218:59-61.[12]FEIY.AmodifiedPark-Kimvoltage-controlledringoscillatorformulti-Gbpsseriallinks[J].AnalogIntegraiedCircuitsandSignalProcessing,2006,47:345-353.致謝本文是在彭龍老師的指導(dǎo)下完成的。我首先接觸濾波器方面的知識也是彭龍老師教我的,我在完成這篇論文過程中,彭龍老師給了我很多這方面的資料,給了我去尋求濾波器有關(guān)資料的很多途徑。其次,在電路仿真軟件的使用過程中我也遇到了很多的問題,也是他給了我很多軟件方面使用的技巧和方法,讓我現(xiàn)在能夠熟練地掌握軟件使用方法,很好地完成了這篇論文。我真心地感謝他,同時也感謝學(xué)校為我們提供了資料獲取途徑。作者簡介姓名:宋俊達性別:男出生年月:1989-4民族:漢E-mail:718678336@聲明本論文的工作是2012年3月至2012年6月在成都信息工程學(xué)院光電技術(shù)學(xué)院完成的。文中除了特別加以標注地方外,不包含他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得成都信息工程學(xué)院或其他教學(xué)機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)和研究成果知識產(chǎn)權(quán)的說明:本人完全了解成都信息工程學(xué)院有關(guān)保管使用學(xué)位論文的規(guī)定,其中包括:(1)學(xué)校有權(quán)保管并向有關(guān)部門遞交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件。(2)學(xué)校可以采用影印、縮印或其他復(fù)制方式保存學(xué)位論文。(3)學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的復(fù)制、贈送和交換學(xué)位論文。(4)學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱。(5)學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容(保密學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定)。除非另有科研合同和其他法律文書的制約,本論文的科研成果屬于成都信息工程學(xué)院。特此聲明!作者簽名:2012年月日學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作所取得的成果。盡我所知,除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外,本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式注明并表示感謝。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者(本人簽名):年月日學(xué)位論文出版授權(quán)書本人及導(dǎo)師完全同意《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》以下簡稱“章程”,愿意將本人的學(xué)位論文提交“中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社”在《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》、《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開出版,并同意編入CNKI《中國知識資源總庫》,在《中國博碩士學(xué)位論文評價數(shù)據(jù)庫》中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播,同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益。論文密級:□公開 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