基于LTCC 技術(shù)的差分濾波器設(shè)計(jì)

尚陽陽 ,李小珍 ,邢孟江

(1.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 611731;2.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650500)

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的日新月異,差分電路也因?yàn)槠涮厥獾慕Y(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用,其不僅對共模輸入信號有著較強(qiáng)的抑制作用,同時(shí),差分電路還有著比單端電路更好的抑制接地噪聲和抗干擾的能力。而具備差分結(jié)構(gòu)的差分濾波器也因?yàn)橛兄噍^于單端濾波器更好的抗干擾以及噪聲濾除作用而得到了更加廣泛的研究和應(yīng)用?，F(xiàn)階段對于差分濾波器的研究和實(shí)現(xiàn)主要采用了下面的幾種方式:引入階躍諧振阻抗器以及一些增加共模抑制的耦合結(jié)構(gòu)[1-5];基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[6-7];槽線結(jié)構(gòu)以及缺陷地結(jié)構(gòu)[8-9]。李夏清等[5]提出了一種結(jié)合階躍阻抗諧振器的差分濾波器設(shè)計(jì)方案,其具備了20 dB 的共模抑制效果,但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;張勝等[7]提出了一種利用缺陷地的雙層基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制作的差分濾波器,其共模抑制較高,但是帶寬較窄,僅有70 MHz;鄒欣彤[9]利用縫隙線諧振器設(shè)計(jì)了一款差分濾波器,回波損耗較低,為34.3 dB,但是其共模抑制效果稍差。雖然以上幾種方式都實(shí)現(xiàn)了差分濾波的效果,但是其往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大,不易于加工集成,而且由于結(jié)構(gòu)的差異性,往往達(dá)不到一個(gè)很好的共模抑制效果。

為了解決上述問題,提高差分濾波器的集成度,并且降低其制造難度及成本,本文采用了LTCC 技術(shù)[10]進(jìn)行加工制造,并且在設(shè)計(jì)方面選擇將單端電路轉(zhuǎn)換為差分電路的方法來實(shí)現(xiàn),降低了設(shè)計(jì)難度。LTCC 技術(shù)是一門已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟的技術(shù),具備較好的兼容性以及封裝效果。陶瓷材料本身在高頻的環(huán)境下仍具有能夠快速傳輸信號、保持信號本身較寬通帶的優(yōu)良特性,而LTCC 材料更能夠針對使用環(huán)境的不同,調(diào)整材料的配方,得到更適用于相對應(yīng)環(huán)境的優(yōu)良介電常數(shù)[11-12]。在電路方面的應(yīng)用中,LTCC 材料能夠與導(dǎo)電率較高的銅、銀等金屬材料共燒,不僅能夠提升電路的品質(zhì)因數(shù),而且使得電路的設(shè)計(jì)更加方便、靈活。不僅如此,LTCC 的生產(chǎn)制造工藝是非連續(xù)型的,從漿料配置到燒結(jié)成型,每一步都可以對其進(jìn)行質(zhì)量檢查,從而在很大程度上提高了多層基板制造的成功率,同時(shí)降低生產(chǎn)成本。LTCC 的低溫共燒特性,有利于集成多層基板,采用內(nèi)埋式的結(jié)構(gòu)將多個(gè)無源元件集成在器件內(nèi)部,免除了器件封裝的成本,還能夠采用表貼式的結(jié)構(gòu)將有源元件與無源元件共同集成起來,有利于提高電路的集成度,適應(yīng)發(fā)展的潮流。

基于LTCC 技術(shù)以及差分電路理論[13],本文結(jié)合ADS 和HFSS 進(jìn)行建模仿真,以截止頻率2.4 GHz 為目標(biāo),成功設(shè)計(jì)出了一款截止頻率為2.4 GHz 的LC差分低通濾波器。

1 差分LC 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 差分LC 濾波電路的設(shè)計(jì)

關(guān)于差分LC 濾波電路的設(shè)計(jì),通常有兩種形式。第一種是直接構(gòu)建差分電路模型,然后通過軟件逐步仿真優(yōu)化,適用于階數(shù)較低、結(jié)構(gòu)相對簡單的電路;第二種是先設(shè)計(jì)出單端的濾波電路,再轉(zhuǎn)化成差分的濾波電路,這種方式更加方便快捷。本文采用的是第二種方法。

首先借助ADS(Advanced Design System)軟件里的自動(dòng)設(shè)計(jì)程序,快速得到一個(gè)七階的橢圓低通濾波電路[14]。再通過對其進(jìn)行調(diào)諧優(yōu)化,最終得到的電路圖如圖1 所示。當(dāng)單端輸入信號變成差分輸入信號時(shí),整體電路可看作關(guān)于地的對稱電路,得到的新電路如圖2 所示。

圖1 七階橢圓低通濾波器等效電路圖Fig.1 Seven-order elliptic low-pass filter equivalent circuit

圖2 雙端口轉(zhuǎn)換電路圖Fig.2 Dual port conversion circuit

共模信號的輸入為:

差模信號的輸入為:

想要對共模信號起到抑制作用,那么信號傳輸?shù)诫娐分虚g的部分時(shí)應(yīng)該相同,所以C4=C8,C5=C9,C6=C10,C7=C11,L1=L4,L2=L5,L3=L6,C1=C12,C2=C13,C3=C14。

通過調(diào)諧優(yōu)化,最終得到的電路圖如圖3 所示。其中,C1=2.53 pF,C2=1.18 pF,C3=2.6 pF,C15=0.112 pF,C16=0.37 pF,C17=0.44 pF,C18=0.034 pF,L1=1.19 nH,L2=1.18 nH,L3=1.21 nH。

圖3 差分濾波器等效電路圖Fig.3 Differential filter equivalent circuit

1.2 HFSS 建模仿真

LTCC 技術(shù)采用的是內(nèi)埋式集成,不僅可以提高集成度,而且還有利于封裝。LTCC 集成電感的設(shè)計(jì)[15]有兩種模型,一種是平面螺旋電感,一種是垂直螺旋電感。本文采用的是垂直螺旋電感,以減少器件的尺寸,如圖4 所示。電容的模型有交指電容、平板電容等模型。本文采用的是平板電容,優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單,方便加工,如圖5 所示。

圖4 垂直螺旋電感模型圖Fig.4 Vertical spiral inductor model

圖5 平板電容模型圖Fig.5 Flat capacitor model

結(jié)合電感和電容模型,以及差分電路,建立起完整的差分濾波器模型,如圖6。模型中采用的LTCC材料的相對介電常數(shù)為6.8,導(dǎo)體部分選擇用銀。

圖6 LC 電路模型圖Fig.6 LC circuit model

對已經(jīng)建立的模型進(jìn)行結(jié)果仿真。由于差分電路的特性,在電路當(dāng)中需要通過差分線進(jìn)行連接,差分線是由兩根在基板上平行構(gòu)建的微帶線構(gòu)成,其阻抗與差分線的線寬、間距以及介質(zhì)材料等因素有關(guān)。其工作原理為:兩條微帶線傳輸?shù)男盘栔g的相位相差了180°,而經(jīng)過兩根微帶線所產(chǎn)生的無用信號是一致的,將通過兩根微帶線后信號相減,就在消除誤差信號的同時(shí)得到了兩倍的有用信號。在HFSS 中進(jìn)行建模時(shí),需要得到阻抗為100 Ω 的差分線,可以利用si9000 軟件進(jìn)行計(jì)算。選擇其中的Edge-Coupled Embedded Microstrip 1B2A,填入相應(yīng)的內(nèi)容后,通過更改參數(shù),得到阻抗為100 Ω 時(shí)的物理參數(shù),再進(jìn)行建模。最終得到的整體仿真模型如圖7 所示。整體的仿真結(jié)果如圖8。圖9 給出的是單端LC 濾波器的三維仿真結(jié)果。

圖7 仿真整體模型圖Fig.7 Simulation overall model

經(jīng)過圖8 和圖9 的對比,不難發(fā)現(xiàn)在不影響差模信號的前提下,該差分濾波器對共模信號有了一個(gè)大于15 dB 的抑制效果。證實(shí)了將單端電路轉(zhuǎn)換為差分電路確實(shí)是一種設(shè)計(jì)差分濾波器的方式。

圖8 差分濾波器仿真結(jié)果Fig.8 Differential filter simulation result

圖9 單端濾波器仿真結(jié)果Fig.9 Single-ended filter simulation results

2 結(jié)論

本文通過將單端LC 濾波器轉(zhuǎn)化為具有對稱結(jié)構(gòu)差分濾波器的方式,設(shè)計(jì)了一款低通的差分濾波器,再通過仿真與變化前后的結(jié)果進(jìn)行對比,證明了該方式確實(shí)能夠在不影響濾波效果的前提下,對通帶范圍內(nèi)的共模信號進(jìn)行抑制,為差分濾波器的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)切實(shí)可行的辦法。相比較于其他的差分濾波器,本文給出的濾波器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點(diǎn),采用的LTCC 技術(shù)方便大規(guī)模的生產(chǎn)和使用,而且能夠延長器件的壽命,增加器件的可靠性。