基于空間映射算法的小型化濾波器研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，作為射頻前端的關(guān)鍵器件，濾波器也在不斷地向高性能、低成本、小型化的方向改進(jìn)，而傳統(tǒng)的印刷電路板（PCB）無(wú)法很好的滿足高頻段（GHz）濾波器的性能和小型化的要求。低溫共燒陶瓷（LTCC，全稱(chēng)Low Temperature Co-fired Ceramic）技術(shù)以其小型化、高頻、高Q的特性，成為小型化濾波器設(shè)計(jì)的首選方式。針對(duì) LTCC濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中存在優(yōu)化方向不明確以及耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，空間映射（Space M

2、apping）算法提供了一種新的優(yōu)化思想和設(shè)計(jì)方案，在不影響準(zhǔn)確性的前提下大大地減少了電磁仿真運(yùn)算量，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。
　　本文針對(duì)LTCC濾波器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用已有的LTCC濾波器設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)濾波器，同時(shí)優(yōu)化空間映射算法，提高算法效率，并結(jié)合不同的濾波器設(shè)計(jì)優(yōu)化以節(jié)省巨大的時(shí)間和計(jì)算成本。之后應(yīng)用改進(jìn)的空間映射算法對(duì)所設(shè)計(jì)的LTCC濾波器進(jìn)行優(yōu)化，最終通過(guò)濾波器結(jié)果驗(yàn)證算法的有效性。
　　首先對(duì)空間映射算法

3、的概念和數(shù)學(xué)表示進(jìn)行詳細(xì)闡述，根據(jù)空間映射算法粗糙模型（Coarse Model）和精確模型(Fine Model)之間映射關(guān)系的不同，分別介紹顯式和隱式空間映射算法。根據(jù)本文 LTCC濾波器的設(shè)計(jì)需要，選用隱式空間映射算法優(yōu)化更加合適，之后著重介紹隱式空間映射算法，列舉應(yīng)用隱式空間映射算法優(yōu)化微帶平行耦合濾波器的實(shí)例。
　　在LTCC多層電容設(shè)計(jì)中，對(duì)LTCC中常用MIM（Metal-Insulator-Metal）電容結(jié)構(gòu)和

4、VIC(Vertically-Interdigitated-Capacitor)電容模型進(jìn)行分析，分別在 HFSS（High Frequency Structure Simulator）軟件和ADS（Advanced Design System）軟件中建立 VIC電容的精確模型和粗糙模型，應(yīng)用隱式空間映射算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在LTCC多層電感分析中，建立U型三維螺旋電感的精確模型和粗糙模型，應(yīng)用空間映射算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　

5、　在濾波器設(shè)計(jì)中，首先聯(lián)合之前建立的電容電感模型建立LTCC濾波器結(jié)構(gòu)，再應(yīng)用ADS軟件多層電路元件庫(kù)中的分離模型建立其粗糙模型并結(jié)合空間映射方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于截止頻率很低的低通濾波器，需要設(shè)計(jì)很大的等效電感模型，不利于小型化，同時(shí)也無(wú)法在ADS軟件中建模應(yīng)用空間映射算法優(yōu)化。本文創(chuàng)新性的使用了介電陶瓷—鐵氧體陶瓷—介電陶瓷的三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)，在鐵氧體陶瓷中設(shè)計(jì)等效電感模型，在保持電感值不變的情況下，大大的降低了模型的尺寸，實(shí)現(xiàn)了小型

6、化的目的。將無(wú)法建立粗糙模型的電感直接在HFSS軟件中進(jìn)行仿真，聯(lián)合應(yīng)用空間映射算法設(shè)計(jì)出的電容，設(shè)計(jì)出兩款截止頻率很低的低通濾波器。
　　對(duì)于接下來(lái)設(shè)計(jì)的低通、帶通和高通三款濾波器，在ADS軟件中直接建立整體濾波器模型，應(yīng)用隱式空間映射算法進(jìn)行優(yōu)化并對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)。與標(biāo)準(zhǔn)隱式空間映射算法相比，本文對(duì)限定預(yù)選參數(shù)數(shù)量、參數(shù)抽取、容許最大誤差和優(yōu)化權(quán)重等算法應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，有效減少傳統(tǒng)迭代優(yōu)化過(guò)程中可能出現(xiàn)的假收斂情況，減少迭代次