基于LTCC技术的低通滤波器快速设计与测试方法_图文

1、2011年6月1日第34卷第11期现代电子技术M odern Electro nics T echnique基于LTCC 技术的低通滤波器快速设计与测试方法谢联文(南京航空航天大学后勤集团,江苏南京 210016摘 要:介绍了一种通带为01.2GH z 的LT CC 多层低通滤波器快速设计方法。利用滤波器设计软件,通过选择相应的参数,可以快速地设计出低通滤波器电路图,再将原型电路在三维电磁场仿真软件H FSS 中建立滤波器模型。根据厂商提供的电容、电感等元器件模型库,根据模型库中的电容、电感值估算本次设计所需的元件大小,在HF SS 中可以快速的建立模型,仿真结果可以很快的满足指标要求。最后采

2、用标准L T CC 工艺实现出尺寸为3.2mm 1.6mm 1.0mm 的低通滤波器。运用该方法可以帮助工程师快速地设计L T CC 滤波器,有很强的实用性和便利性。关键词:低温共烧陶瓷;多层结构;低通滤波器;传输零点中图分类号:T N713 34 文献标识码:A 文章编号: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 言以前的射频电路设计在印刷电路板上往往占据了相当大的面积,已不适用于现今无线通信产品,因此有许多技术被引进来缩小电路面积,LT CC 技术便是其中一种。LT CC 是以陶瓷粉做为电

6、路基板的材料,在850900 的烧结炉中将各种无源元件,例如电容、电感、滤波器等组件埋入多层陶瓷基板中,形成三维立体空间高密度电路,以平行式印刷涂布制程烧结,形成整合式陶瓷组件。所以LFCC 可以进一步将电路小型化与高密度化,因而特别适用于高频的通信模块采用。由于LTCC 技术优异的特性,引起微电子技术的一次重大进步,其应用范围也非常广泛,有以无线通信模组为主的相关应用,包括从微波低端频率的GSM ,CDM A,TDM A 、蓝牙和无线局域网到毫米波波段的30GH z 的LM DS,大批量的应用围绕移动通信手机、个人数字助理(PDA,笔记本计算机等个人电子产品展开。LTCC 材料在高频下具有较

7、低的介质损耗特性,可以降低功耗,不仅有利于元件的小型化,还提高电路的组装密度,且有利于提高系统的可靠性。滤波器1 10是无线系统模块中的关键器件,一个好的滤波器可以有效地抑制带外信号,提高系统效率。射频无源滤波器的基本构成元件是电容和电感,而LT CC 技术的实质是无源元件的集成。采用低损耗的LT CC 材料与多层结构制成,将滤波器的布局由平面转为三维立体布局,进而实现滤波器的小型化。这不仅降低了成本,增加了设计的灵活性,而且还可以充分利用三维结构带来的电磁耦合来优化滤波器的性能,大大提高的系统得集成度和可靠性。近几年已有许多关于LTCC 带通滤波器的设计与研究被提出。本文利用滤波器设计软件F

8、ilter Solutio ns,根据技术指标设计出基于LT CC 技术的低通滤波器电路图,再根据电路数值提取LT CC 无源元件模型库的电容、电感模型,再由三维电磁仿真软件H FSS 对滤波器进行仿真优化,得到滤波器工作频率为0 1.2GH z,通带插入损耗小于0.71dB,反射损耗大于20dB,传输零点分别为1.8GH z,以满足带外抑制的要求。1 滤波器的设计实际的滤波器总不能得到理想的衰减特性。在综合设计滤波器时,总是确定一个逼近衰减特性的函数,然后根据这个逼近函数综合出具体的结构。常用的逼近函数有两种,相应的滤波器称为最大平坦式滤波器和切比雪夫式滤波器。由于介绍这方面的书很多,这里就

9、不再赘述。本次制作的滤波器,具体技术指标为:通带频率为01.2GH z,最大插损为1dB,阻带损耗大于20dB (1.866GH z。在滤波器设计软件Filter So lutions 中,采用切比雪夫式滤波器为原型,在相应的频点加入传输零点,形成广义切比雪夫函数曲线。这样可以有效地增加滤波器的矩形度和对称性,具有插损小、抑制度高等特点。在Filter So lutions 中具体设置的参数如图1所示,其中,滤波器类型为5阶Cheby shev 型,纹波系数为0 01,通带频率为01 2GH z,两个传输零点分别设置为1.8GH z 和3.0GH z 。设置完参数后,即可得到1.2GH z 低

10、通滤波器电路原理图(见图2、频率响应图(见图3以及反射损耗图(见图4。从电路原理图中,可以看到在切比雪夫原型电路基础上,加入了两个并联电容构成并联谐振电路以达到产生传输零点的目的。对于最基本的并联谐振电路,其导纳为:Y =j C +1/(j L 。当电路谐振时, 0=1/LC ,导纳为零,也就是说呈开路状态,从而输入的电磁波也将被全反射,故能在传输特性中形成一个衰减极点,在输出端无能量输出。可见,串联在二端口网络中的并联LC 谐振会产生 传输零点。图1 滤波器设计软件 中的参数设置图2 1.2G Hz 低通滤波器广义切比雪夫电路原理图经过上述理论分析,在LT CC 模型库中适合地选取电路中各器

11、件的值,利用三维电磁场仿真软件H FSS,根据电路结构建立模型,所有的器件都埋入于LT CC 陶瓷基板中。在考虑元件布局的时候,需要严格遵守工艺线的设计规则,并在设计电容与电感时留下一 定的容差,以便于工艺实现,同时将测试架的整体模型都考虑进去。整个滤波器模型如图5所示,设计尺寸为3.2mm 1.6m m 1.0mm 。本滤波器设计使用10层陶瓷,8层金属,介质介电常数为5.9,损耗角正切为0 002,每一层介质厚度为100 m,金属成份为银合金,每一层金属的厚度为10 m,不同层金属以通孔垂直连接,第9层为地层。谐振器电容利用VIC 型在第5到第7层之间实现,谐振器螺旋电感在第2层到第4层实

12、现。电路两侧接地电容分别与两端口连接,布局在第8层,中间的接地电容利用层叠的形式实现在第4和第9层之间。图3 1.2G Hz 低通滤波器频率响应图图4 1.2G Hz 低通滤波器反射损耗图图5 电磁仿真滤波器模型利用H FSS 进行电磁仿真的结果如图6所示,可以看到插入损耗与反射损耗两个数据完全符合指标要求,同时由于相互耦合的关系,额外产生了一个传输零点,带外抑制得到了更好的控制。98现代电子技术2011年第34卷 图6 电磁仿真结果2 样品的制作在模拟仿真之后,就进行LT CC 滤波器实物的制作,将H FSS 中的图形转换为AutoCAD 版图,采用FerroA6M 材料进行加工,其介电常数

13、为5.9,损耗角正切为0.002,内埋金属为银合金,表面进行镀锡处理。在滤波器的制作过程中,由于LTCC 工艺流程较为复杂,主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填孔、印刷、叠片、层压、切片和烧结等工序,每道工序都有产生工艺误差的可能性,因此基板制作过程中出现偏差是不可避免的,通常很难一次做到所加工实物与电路仿真结果相一致。因此在版图设计上需要留出尽可能宽的工艺窗口,以便于设计意图通过工艺的实现。同时,为了便于样品测试,制作了50 PCB 测试版,将SMA 接头搭在基板表面两端,滤波器粘着与中央进行测量。最后制作的实际样品附测试架如图7所示,最终尺寸为3 2mm 1 6mm 1.0m m 。图7

14、1.2G Hz L T CC 低通滤波器附测试架测试样品图8为本次制作的LT CC 低通滤波器与仿真的对比结果。可以看出,数据基本吻合,实际测试的滤波器数据如下:截止频率为0 1.2GH z;尺寸大小为3.2mm 1.6m m 1.0mm;表贴形式为标准的FV1206表贴;通带插入损耗小于等于0.71dB;带外抑制大于等于20dB (1.776GH z;通带驻波比小于等于1 21。实测结果完全符合指标要求,适合大批量 生产。图8 1.2GH z 低通滤波器实测结果与H FSS 仿真结果对比3 结 论本文设计了一种通带为DC 1.2GH z,具有三传输零点的LT CC 低通滤波器。利用滤波器设计

15、软件Filter So lutions 给出了电路元件的各个数值;再用电磁仿真软件H FSS 合成出具有良好性能的滤波器。基于LTCC 技术的多层滤波器与传统的分离器件相比具有体积小、重量轻和性能好等许多优点。本文所给出的滤波器性能表现良好,尺寸仅为3.2m m 1.6mm 1.0mm 。只要能预先在滤波器设计软件中设定好滤波器的参数,就能快速有效地合成出各个器件的数值,设计具有一定的灵活性,可以根据不同的滤波器规格设定不同的参数,在无线系统中有很好的实用价值。参 考 文 献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.(下转第103页99第11期谢联文:基于LT CC 技术的低通滤波器快速设计与测试方法 图7 调整可调电容来调节电路的指标2.2 测试结果噪声系数测试结果见表2。表2 噪声系数测试结果频率/GH z 噪声/dB 频率/GH z1.466.01.73增益和驻波比测试结果如图8所示。图8 增益和驻波比测试结果1dB 压缩点测试,结果见表3。表3 功率测试结果频率/GH z功率/dBm 频率/GH z10.76.012.0测试结果表明,实验值与理论设计值吻合得较好,

20、表明这种设计方法可取。3 结 论C 波段宽带低噪声放大器设计在国内外已有一些研究,但是该满足宽带高性能指标要求的工程设计案例还不多。该设计的宽带低噪声放大器的噪声系数、增益、增益平坦度、输入输出驻波比以及1dB 压缩点的功率均达到和超过指标要求,并且该放大器在整个C 波段表现性能优良。因此,在雷达和电子对抗等工程领域可以得到广泛应用。另外,在C 波段宽带低噪声放大器的小型化和集成化设计上还需进一步探索。参 考 文 献1电子工业部十四所.微波固态电路设计M .南京: SSS 丛书编辑部出版社,1991.2李晋,刘光祜.C 波段宽带低噪声频率源的研制J.现代电子技术,2008,31(11:53 55.3李佩,陈兴国,朱华顺.一种雷达微波接收机电路的集成化设计与实现J.微电子学,2005,35(4:441 444.4陈兴国,李佩,刘同怀,等.新型的轻小型化雷达接收机的研制J.电子技术应用,2005,31(5:57 59.5张德智,祝家秀,徐今.X 波段宽带单片集成低噪声放大器设计J.微波学报,2008,24(5:45 47.6彭龙新,李建平,蒋幼泉,等.S 波段单片低噪声放大器J.东南大学学报:自然科学版,2004,34(1:5 9.7黄清华,刘训春,郝明丽,等.2dB 噪声系数的K a 波段宽带高增益单片低噪声放大器J.半导体