基于LTCC技術(shù)的低通濾波器快速設(shè)計(jì)與測(cè)試方法_圖文

1、2011年6月1日第34卷第11期現(xiàn)代電子技術(shù)M odern Electro nics T echnique基于LTCC 技術(shù)的低通濾波器快速設(shè)計(jì)與測(cè)試方法謝聯(lián)文(南京航空航天大學(xué)后勤集團(tuán),江蘇南京 210016摘 要:介紹了一種通帶為01.2GH z 的LT CC 多層低通濾波器快速設(shè)計(jì)方法。利用濾波器設(shè)計(jì)軟件,通過(guò)選擇相應(yīng)的參數(shù),可以快速地設(shè)計(jì)出低通濾波器電路圖,再將原型電路在三維電磁場(chǎng)仿真軟件H FSS 中建立濾波器模型。根據(jù)廠商提供的電容、電感等元器件模型庫(kù),根據(jù)模型庫(kù)中的電容、電感值估算本次設(shè)計(jì)所需的元件大小,在HF SS 中可以快速的建立模型,仿真結(jié)果可以很快的滿足指標(biāo)要求。最后采

2、用標(biāo)準(zhǔn)L T CC 工藝實(shí)現(xiàn)出尺寸為3.2mm 1.6mm 1.0mm 的低通濾波器。運(yùn)用該方法可以幫助工程師快速地設(shè)計(jì)L T CC 濾波器,有很強(qiáng)的實(shí)用性和便利性。關(guān)鍵詞:低溫共燒陶瓷;多層結(jié)構(gòu);低通濾波器;傳輸零點(diǎn)中圖分類號(hào):T N713 34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004 373X(201111 0097 03Rapid Design and Testing Method of Lowpass Filter Based on LTCC TechnologyXIE L ian wen(Lo gistics Group of Nanj ing U ni v ersity o f A e

3、ro nautics and Astronautics,Nanj ing 210016,ChinaAbstract :A rapid desig n met ho d of L T CC multilayer low pass filter wo rking at DC1.2GH z is intro duced.By using the filter desig n softw ar e and cho osing proper parameters,the circuit diag ram of lo wpass filter can be desig n quickly.T he low

4、 pass filter mo del is built in the HFSS through an analytical method.Based on the element model storeroom offer ed by the manufacturer,each component of the circuit can be ex tracted.T he 3.2mm 1.6mm 1.0mm lowpass filter was achieved by means of standard LT CC technolog y.T his method can help eng

5、ineers to desig n L T CC filter quickly.It has strong practicality and convenience.Keywords :lo w temperatur e co fired ceramic(LT CC;multilay er structure;low pass filter;tr ansmissio n zero收稿日期:2011 01 080 引 言以前的射頻電路設(shè)計(jì)在印刷電路板上往往占據(jù)了相當(dāng)大的面積,已不適用于現(xiàn)今無(wú)線通信產(chǎn)品,因此有許多技術(shù)被引進(jìn)來(lái)縮小電路面積,LT CC 技術(shù)便是其中一種。LT CC 是以陶瓷粉做為電

6、路基板的材料,在850900 的燒結(jié)爐中將各種無(wú)源元件,例如電容、電感、濾波器等組件埋入多層陶瓷基板中,形成三維立體空間高密度電路,以平行式印刷涂布制程燒結(jié),形成整合式陶瓷組件。所以LFCC 可以進(jìn)一步將電路小型化與高密度化,因而特別適用于高頻的通信模塊采用。由于LTCC 技術(shù)優(yōu)異的特性,引起微電子技術(shù)的一次重大進(jìn)步,其應(yīng)用范圍也非常廣泛,有以無(wú)線通信模組為主的相關(guān)應(yīng)用,包括從微波低端頻率的GSM ,CDM A,TDM A 、藍(lán)牙和無(wú)線局域網(wǎng)到毫米波波段的30GH z 的LM DS,大批量的應(yīng)用圍繞移動(dòng)通信手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理(PDA,筆記本計(jì)算機(jī)等個(gè)人電子產(chǎn)品展開(kāi)。LTCC 材料在高頻下具有較

7、低的介質(zhì)損耗特性,可以降低功耗,不僅有利于元件的小型化,還提高電路的組裝密度,且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。濾波器1 10是無(wú)線系統(tǒng)模塊中的關(guān)鍵器件,一個(gè)好的濾波器可以有效地抑制帶外信號(hào),提高系統(tǒng)效率。射頻無(wú)源濾波器的基本構(gòu)成元件是電容和電感,而LT CC 技術(shù)的實(shí)質(zhì)是無(wú)源元件的集成。采用低損耗的LT CC 材料與多層結(jié)構(gòu)制成,將濾波器的布局由平面轉(zhuǎn)為三維立體布局,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。這不僅降低了成本,增加了設(shè)計(jì)的靈活性,而且還可以充分利用三維結(jié)構(gòu)帶來(lái)的電磁耦合來(lái)優(yōu)化濾波器的性能,大大提高的系統(tǒng)得集成度和可靠性。近幾年已有許多關(guān)于LTCC 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與研究被提出。本文利用濾波器設(shè)計(jì)軟件F

8、ilter Solutio ns,根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)出基于LT CC 技術(shù)的低通濾波器電路圖,再根據(jù)電路數(shù)值提取LT CC 無(wú)源元件模型庫(kù)的電容、電感模型,再由三維電磁仿真軟件H FSS 對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化,得到濾波器工作頻率為0 1.2GH z,通帶插入損耗小于0.71dB,反射損耗大于20dB,傳輸零點(diǎn)分別為1.8GH z,以滿足帶外抑制的要求。1 濾波器的設(shè)計(jì)實(shí)際的濾波器總不能得到理想的衰減特性。在綜合設(shè)計(jì)濾波器時(shí),總是確定一個(gè)逼近衰減特性的函數(shù),然后根據(jù)這個(gè)逼近函數(shù)綜合出具體的結(jié)構(gòu)。常用的逼近函數(shù)有兩種,相應(yīng)的濾波器稱為最大平坦式濾波器和切比雪夫式濾波器。由于介紹這方面的書(shū)很多,這里就

9、不再贅述。本次制作的濾波器,具體技術(shù)指標(biāo)為:通帶頻率為01.2GH z,最大插損為1dB,阻帶損耗大于20dB (1.866GH z。在濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter So lutions 中,采用切比雪夫式濾波器為原型,在相應(yīng)的頻點(diǎn)加入傳輸零點(diǎn),形成廣義切比雪夫函數(shù)曲線。這樣可以有效地增加濾波器的矩形度和對(duì)稱性,具有插損小、抑制度高等特點(diǎn)。在Filter So lutions 中具體設(shè)置的參數(shù)如圖1所示,其中,濾波器類型為5階Cheby shev 型,紋波系數(shù)為0 01,通帶頻率為01 2GH z,兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別設(shè)置為1.8GH z 和3.0GH z 。設(shè)置完參數(shù)后,即可得到1.2GH z 低

10、通濾波器電路原理圖(見(jiàn)圖2、頻率響應(yīng)圖(見(jiàn)圖3以及反射損耗圖(見(jiàn)圖4。從電路原理圖中,可以看到在切比雪夫原型電路基礎(chǔ)上,加入了兩個(gè)并聯(lián)電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路以達(dá)到產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的目的。對(duì)于最基本的并聯(lián)諧振電路,其導(dǎo)納為:Y =j C +1/(j L 。當(dāng)電路諧振時(shí), 0=1/LC ,導(dǎo)納為零,也就是說(shuō)呈開(kāi)路狀態(tài),從而輸入的電磁波也將被全反射,故能在傳輸特性中形成一個(gè)衰減極點(diǎn),在輸出端無(wú)能量輸出?？梢?jiàn),串聯(lián)在二端口網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)LC 諧振會(huì)產(chǎn)生 傳輸零點(diǎn)。圖1 濾波器設(shè)計(jì)軟件 中的參數(shù)設(shè)置圖2 1.2G Hz 低通濾波器廣義切比雪夫電路原理圖經(jīng)過(guò)上述理論分析,在LT CC 模型庫(kù)中適合地選取電路中各器

11、件的值,利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件H FSS,根據(jù)電路結(jié)構(gòu)建立模型,所有的器件都埋入于LT CC 陶瓷基板中。在考慮元件布局的時(shí)候,需要嚴(yán)格遵守工藝線的設(shè)計(jì)規(guī)則,并在設(shè)計(jì)電容與電感時(shí)留下一 定的容差,以便于工藝實(shí)現(xiàn),同時(shí)將測(cè)試架的整體模型都考慮進(jìn)去。整個(gè)濾波器模型如圖5所示,設(shè)計(jì)尺寸為3.2mm 1.6m m 1.0mm 。本濾波器設(shè)計(jì)使用10層陶瓷,8層金屬,介質(zhì)介電常數(shù)為5.9,損耗角正切為0 002,每一層介質(zhì)厚度為100 m,金屬成份為銀合金,每一層金屬的厚度為10 m,不同層金屬以通孔垂直連接,第9層為地層。諧振器電容利用VIC 型在第5到第7層之間實(shí)現(xiàn),諧振器螺旋電感在第2層到第4層實(shí)

12、現(xiàn)。電路兩側(cè)接地電容分別與兩端口連接,布局在第8層,中間的接地電容利用層疊的形式實(shí)現(xiàn)在第4和第9層之間。圖3 1.2G Hz 低通濾波器頻率響應(yīng)圖圖4 1.2G Hz 低通濾波器反射損耗圖圖5 電磁仿真濾波器模型利用H FSS 進(jìn)行電磁仿真的結(jié)果如圖6所示,可以看到插入損耗與反射損耗兩個(gè)數(shù)據(jù)完全符合指標(biāo)要求,同時(shí)由于相互耦合的關(guān)系,額外產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn),帶外抑制得到了更好的控制。98現(xiàn)代電子技術(shù)2011年第34卷 圖6 電磁仿真結(jié)果2 樣品的制作在模擬仿真之后,就進(jìn)行LT CC 濾波器實(shí)物的制作,將H FSS 中的圖形轉(zhuǎn)換為AutoCAD 版圖,采用FerroA6M 材料進(jìn)行加工,其介電常數(shù)

13、為5.9,損耗角正切為0.002,內(nèi)埋金屬為銀合金,表面進(jìn)行鍍錫處理。在濾波器的制作過(guò)程中,由于LTCC 工藝流程較為復(fù)雜,主要工藝步驟包括配料、流延、打孔、填孔、印刷、疊片、層壓、切片和燒結(jié)等工序,每道工序都有產(chǎn)生工藝誤差的可能性,因此基板制作過(guò)程中出現(xiàn)偏差是不可避免的,通常很難一次做到所加工實(shí)物與電路仿真結(jié)果相一致。因此在版圖設(shè)計(jì)上需要留出盡可能寬的工藝窗口,以便于設(shè)計(jì)意圖通過(guò)工藝的實(shí)現(xiàn)。同時(shí),為了便于樣品測(cè)試,制作了50 PCB 測(cè)試版,將SMA 接頭搭在基板表面兩端,濾波器粘著與中央進(jìn)行測(cè)量。最后制作的實(shí)際樣品附測(cè)試架如圖7所示,最終尺寸為3 2mm 1 6mm 1.0m m 。圖7

14、1.2G Hz L T CC 低通濾波器附測(cè)試架測(cè)試樣品圖8為本次制作的LT CC 低通濾波器與仿真的對(duì)比結(jié)果。可以看出,數(shù)據(jù)基本吻合,實(shí)際測(cè)試的濾波器數(shù)據(jù)如下:截止頻率為0 1.2GH z;尺寸大小為3.2mm 1.6m m 1.0mm;表貼形式為標(biāo)準(zhǔn)的FV1206表貼;通帶插入損耗小于等于0.71dB;帶外抑制大于等于20dB (1.776GH z;通帶駐波比小于等于1 21。實(shí)測(cè)結(jié)果完全符合指標(biāo)要求,適合大批量 生產(chǎn)。圖8 1.2GH z 低通濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與H FSS 仿真結(jié)果對(duì)比3 結(jié) 論本文設(shè)計(jì)了一種通帶為DC 1.2GH z,具有三傳輸零點(diǎn)的LT CC 低通濾波器。利用濾波器設(shè)計(jì)

15、軟件Filter So lutions 給出了電路元件的各個(gè)數(shù)值;再用電磁仿真軟件H FSS 合成出具有良好性能的濾波器?；贚TCC 技術(shù)的多層濾波器與傳統(tǒng)的分離器件相比具有體積小、重量輕和性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。本文所給出的濾波器性能表現(xiàn)良好,尺寸僅為3.2m m 1.6mm 1.0mm 。只要能預(yù)先在濾波器設(shè)計(jì)軟件中設(shè)定好濾波器的參數(shù),就能快速有效地合成出各個(gè)器件的數(shù)值,設(shè)計(jì)具有一定的靈活性,可以根據(jù)不同的濾波器規(guī)格設(shè)定不同的參數(shù),在無(wú)線系統(tǒng)中有很好的實(shí)用價(jià)值。參 考 文 獻(xiàn)1PO ZA R D M.M icro wav e eng ineer ing M .3r d ed.N ewYo rk

16、:W iley,2006.2CH IU C T ,L I B N ,HU A N G C H ,et al.Desig n and implementatio n o f embedded miniatur e bandpass filters for R F system in or ganic packag e applicatio ns C /P ro ceedings of 57th Electro nic Co mpo nents and T echno log y Conference.Reno ,N V ,U SA :ECT C,2007:175 178.3H U A NG H

17、H ,X U S Y,HO RN G T S.Fast pro toty pebased design appro ach to miniaturized L T CC band pass fil ters using tw o reflect ion zeros C/P roceedings o f T he36th Euro pean M icro wav e Conference.M anchester ,U SA :EM CM ,2006:545 548.4T A N G Ching w en,Y O U Sheng fu.Desig n metho do lo giesof LT C

18、C bandpass filter s,diplex er,and tr iplex er w ithtransmission zer os J.IEEE T ransactions on M icrow ave T heor y and T echniques,2006,54(2:717 723.5A RU N K undu,M ELL EN Neal.M iniatur ized mult ilay erbandpass filter with multiple transmission zeros C/Pro ceedings of 2006IEEE M T T S Internatio

19、nal M icrowave Sym posium Digest.San Francisco,CA:IEEE,2006:760 763.(下轉(zhuǎn)第103頁(yè)99第11期謝聯(lián)文:基于LT CC 技術(shù)的低通濾波器快速設(shè)計(jì)與測(cè)試方法 圖7 調(diào)整可調(diào)電容來(lái)調(diào)節(jié)電路的指標(biāo)2.2 測(cè)試結(jié)果噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表2 噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果頻率/GH z 噪聲/dB 頻率/GH z1.466.01.73增益和駐波比測(cè)試結(jié)果如圖8所示。圖8 增益和駐波比測(cè)試結(jié)果1dB 壓縮點(diǎn)測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表3。表3 功率測(cè)試結(jié)果頻率/GH z功率/dBm 頻率/GH z10.76.012.0測(cè)試結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)值與理論設(shè)計(jì)值吻合得較好,

20、表明這種設(shè)計(jì)方法可取。3 結(jié) 論C 波段寬帶低噪聲放大器設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外已有一些研究,但是該滿足寬帶高性能指標(biāo)要求的工程設(shè)計(jì)案例還不多。該設(shè)計(jì)的寬帶低噪聲放大器的噪聲系數(shù)、增益、增益平坦度、輸入輸出駐波比以及1dB 壓縮點(diǎn)的功率均達(dá)到和超過(guò)指標(biāo)要求,并且該放大器在整個(gè)C 波段表現(xiàn)性能優(yōu)良。因此,在雷達(dá)和電子對(duì)抗等工程領(lǐng)域可以得到廣泛應(yīng)用。另外,在C 波段寬帶低噪聲放大器的小型化和集成化設(shè)計(jì)上還需進(jìn)一步探索。參 考 文 獻(xiàn)1電子工業(yè)部十四所.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)M .南京: SSS 叢書(shū)編輯部出版社,1991.2李晉,劉光祜.C 波段寬帶低噪聲頻率源的研制J.現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(11:53 55.3李佩,陳興國(guó),朱華順.一種雷達(dá)微波接收機(jī)電路的集成化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微電子學(xué),2005,35(4:441 444.4陳興國(guó),李佩,劉同懷,等.新型的輕小型化雷達(dá)接收機(jī)的研制J.電子技術(shù)應(yīng)用,2005,31(5:57 59.5張德智,祝家秀,徐今.X 波段寬帶單片集成低噪聲放大器設(shè)計(jì)J.微波學(xué)報(bào),2008,24(5:45 47.6彭龍新,李建平,蔣幼泉,等.S 波段單片低噪聲放大器J.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,34(1:5 9.7黃清華,劉訓(xùn)春,郝明麗,等.2dB 噪聲系數(shù)的K a 波段寬帶高增益單片低噪聲放大器J.半導(dǎo)體