基于空间映射算法的小型化滤波器研究

摘要

随着无线通信系统的迅速发展，作为射频前端的关键器件，滤波器也在不断地向高性能、低成本、小型化的方向改进，而传统的印刷电路板（PCB）无法很好的满足高频段（GHz）滤波器的性能和小型化的要求。低温共烧陶瓷（LTCC，全称Low Temperature Co-fired Ceramic）技术以其小型化、高频、高Q的特性，成为小型化滤波器设计的首选方式。针对 LTCC滤波器设计过程中存在优化方向不明确以及耗时长的问题，空间映射（Space Mapping）算法提供了一种新的优化思想和设计方案，在不影响准确性的前提下大大地减少了电磁仿真运算量，节约设计时间，提高设计效率。
　　本文针对LTCC滤波器的设计和优化，利用已有的LTCC滤波器设计方法来设计滤波器，同时优化空间映射算法，提高算法效率，并结合不同的滤波器设计优化以节省巨大的时间和计算成本。之后应用改进的空间映射算法对所设计的LTCC滤波器进行优化，最终通过滤波器结果验证算法的有效性。
　　首先对空间映射算法的概念和数学表示进行详细阐述，根据空间映射算法粗糙模型（Coarse Model）和精确模型(Fine Model)之间映射关系的不同，分别介绍显式和隐式空间映射算法。根据本文 LTCC滤波器的设计需要，选用隐式空间映射算法优化更加合适，之后着重介绍隐式空间映射算法，列举应用隐式空间映射算法优化微带平行耦合滤波器的实例。
　　在LTCC多层电容设计中，对LTCC中常用MIM（Metal-Insulator-Metal）电容结构和 VIC(Vertically-Interdigitated-Capacitor)电容模型进行分析，分别在 HFSS（High Frequency Structure Simulator）软件和ADS（Advanced Design System）软件中建立 VIC电容的精确模型和粗糙模型，应用隐式空间映射算法对其进行优化设计。在LTCC多层电感分析中，建立U型三维螺旋电感的精确模型和粗糙模型，应用空间映射算法对其进行优化设计。
　　在滤波器设计中，首先联合之前建立的电容电感模型建立LTCC滤波器结构，再应用ADS软件多层电路元件库中的分离模型建立其粗糙模型并结合空间映射方法进行优化设计。对于截止频率很低的低通滤波器，需要设计很大的等效电感模型，不利于小型化，同时也无法在ADS软件中建模应用空间映射算法优化。本文创新性的使用了介电陶瓷—铁氧体陶瓷—介电陶瓷的三明治复合结构，在铁氧体陶瓷中设计等效电感模型，在保持电感值不变的情况下，大大的降低了模型的尺寸，实现了小型化的目的。将无法建立粗糙模型的电感直接在HFSS软件中进行仿真，联合应用空间映射算法设计出的电容，设计出两款截止频率很低的低通滤波器。
　　对于接下来设计的低通、带通和高通三款滤波器，在ADS软件中直接建立整体滤波器模型，应用隐式空间映射算法进行优化并对算法进行改进。与标准隐式空间映射算法相比，本文对限定预选参数数量、参数抽取、容许最大误差和优化权重等算法应用过程进行改进，有效减少传统迭代优化过程中可能出现的假收敛情况，减少迭代次数，更高效的得到结果。最终设计出五款小型化LTCC滤波器，并通过其满足要求的结果验证改进的隐式空间映射算法的可行性和有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究进展

1.3本文主要研究内容及章节安排

第二章 空间映射算法

2.1引言

2.2空间映射算法概念及数学表示

2.3空间映射算法分类

2.4隐式空间映射算法介绍

2.5本章小结

第三章 LTCC电容电感设计与优化

3.1引言

3.2 LTCC电容结构设计与优化

3.3 LTCC电感结构设计与优化

3.4本章小结

第四章 LTCC滤波器设计与优化

4.1引言

4.2滤波器分类和性能指标

4.3 LTCC滤波器设计流程

4.4 DC-120MHz低通滤波器

4.5基于复合陶瓷结构的DC-80MHz低通滤波器

4.6本章小结

第五章 隐式空间映射算法在LTCC滤波器设计中应用与改进

5.1引言

5.2 DC-990MHz低通滤波器

5.3 950-2200MHz带通滤波器

5.4 3400-9900MHz高通滤波器

5.5算法在滤波器设计中的改进与总结

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果