基于LTCC技術(shù)的橢圓函數(shù)低通濾波器設(shè)計

秦 舒

（華進(jìn)半導(dǎo)體封裝先導(dǎo)研發(fā)中心有限公司，江蘇 無錫 214135）

1 引 言

濾波器的主要功能就是濾除通帶外的干擾信號，使需要頻段內(nèi)的信號得到良好的傳輸[1～4]。對低通濾波器來說，在截止頻率外是否能達(dá)到陡峭的高抑制衰減是衡量濾波器性能的一個重要指標(biāo)[5,6]。

圖1給出了Ansoft Designer對巴特沃滋（Butterworth）低通濾波器、切比雪夫（Chebyshev）低通濾波器以及橢圓函數(shù)（Elliptic）低通濾波器在相同階數(shù)、相同截止頻率條件下的S參數(shù)電路仿真結(jié)果，從圖中可以看出三類濾波器不同的衰減特性。

橢圓函數(shù)低通濾波器通帶到阻帶的截止率最陡峭，在截止頻率外通過很窄的過渡帶就能達(dá)到很高的衰減，并且在阻帶中有傳輸零點(diǎn)；切比雪夫低通濾波器的衰減率在橢圓函數(shù)低通濾波器和巴特沃斯低通濾波器之間；巴特沃滋低通濾波器在通帶內(nèi)有著較好的紋波，但衰減率不甚理想[7]。巴特沃滋低通濾波器和切比雪夫低通濾波器類似，其所有傳輸零點(diǎn)都位于無限遠(yuǎn)處。在微波通信領(lǐng)域，往往需要一定頻帶內(nèi)的陡峭衰減[4]，橢圓函數(shù)濾波器通帶到阻帶優(yōu)良的過渡特性無疑是最佳選擇。

圖1 不同響應(yīng)的衰減特性對比

圖2給出了橢圓函數(shù)低通濾波器在階數(shù)n不同的情況下的傳輸特性曲線，三階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶形成了2個傳輸零點(diǎn)，帶外衰減率最低；七階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶中形成了3個傳輸零點(diǎn)，衰減特性居中；九階的橢圓函數(shù)低通濾波器在阻帶中形成了4個傳輸零點(diǎn)，截止頻率處衰減率最高，阻帶中的抑制度也最高。

圖2 不同階數(shù)橢圓低通濾波器傳輸特性

可以看出，隨著橢圓函數(shù)低通濾波器階數(shù)的增加，阻帶中的傳輸零點(diǎn)會隨之增加；在阻帶中增加傳輸零點(diǎn)個數(shù)，通帶外的衰減率會隨之提高，阻帶的抑制度也會加大。因此，在設(shè)計濾波器時，要使在截止頻率處的衰減率加大，阻帶中實現(xiàn)高抑制度，可通過增加濾波器階數(shù)來滿足。在本文中將利用LTCC技術(shù)，同時考慮電路的性能和面積問題，利用三維高頻仿真軟件HFSS設(shè)計一款高性能小型化橢圓函數(shù)七階低通濾波器。具體要求如下：3 dB處截止頻率1.35 GHz，在1.65 GHz處的衰減達(dá)到-40 dB，同時要求很好的高次諧波抑制和阻帶衰減特性。表1為此款濾波器的設(shè)計指標(biāo)。

表1 濾波器的設(shè)計指標(biāo)

2 濾波器設(shè)計

如圖3所示，橢圓函數(shù)七階低通濾波器的電路包括串聯(lián)支路中的4個電感和并聯(lián)支路中的3個LC諧振腔。這3個LC諧振腔可以在阻帶中引入3個傳輸零點(diǎn)。每一個傳輸零點(diǎn)發(fā)生在特定的諧振頻率處，此處電路的Q值為零，信號將會被全反射。

圖3 橢圓函數(shù)七階低通濾波器電路原理圖

在設(shè)計時，可以調(diào)整諧振腔中電感、電容值的大小，使每一個LC諧振腔產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)按順序排列。如圖4所示，使中間的LC諧振腔產(chǎn)生第一個傳輸零點(diǎn)，左邊的LC諧振腔產(chǎn)生第二個傳輸零點(diǎn)，右邊的LC諧振腔產(chǎn)生第三個傳輸零點(diǎn)。

圖4 電容設(shè)計示意圖

在本文中，金屬導(dǎo)線材料選用銀，導(dǎo)線厚度為10 μm，LTCC材料的介電常數(shù)為7.8，損耗角正切值為0.002。此款濾波器將被設(shè)計為19層，模型最上邊4層和最下邊4層為薄層，LC諧振腔中的3個電容會被放置這些層中，7個電感將放置在另外11個厚層中，這樣就會形成上下電容、中間電感的結(jié)構(gòu)。模型的尺寸為：3.2 mm×2.0 mm×1.4 mm。濾波器的結(jié)構(gòu)布局由表2、圖5可以看出。

如圖6所示，濾波器放置在PCB基板上進(jìn)行仿真測試，濾波器輸入輸出端口通過金屬引線與PCB板連接。

這里選用的PCB基板材料為Rogers RO4350，介電常數(shù)為3.48，基板高度設(shè)計為0.508 mm，導(dǎo)線寬度為1.13 mm。這樣通過式（2）和式（3）便可使輸入輸出端口的阻抗分別為50 Ω。圖7為濾波器的S參數(shù)測試結(jié)果。

表2 濾波器的結(jié)構(gòu)布局

圖5 濾波器3D結(jié)構(gòu)圖

圖6 濾波器3D外觀圖

由圖7可以看出，S21曲線在3 GHz以內(nèi)的阻帶中沒有達(dá)到-40 dB的衰減，電路在4.5 GHz左右發(fā)生諧振，產(chǎn)生了尖峰，S11在通帶范圍內(nèi)大于-10 dB，使VSWR大于2。測試結(jié)果沒有滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖7 S參數(shù)測試結(jié)果

出現(xiàn)這種問題的原因有以下兩點(diǎn)：

（1）模型內(nèi)部元件之間的相互寄生耦合

由于要在3.2 mm×2.0 mm的有限長寬范圍內(nèi)實現(xiàn)10個元件的物理結(jié)構(gòu)布局，元件和元件之間的相互耦合作用是必然存在的。由于模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，元件與元件之間的距離較小，元件之間難以避免的寄生效應(yīng)導(dǎo)致了模型測試結(jié)果與預(yù)期結(jié)果產(chǎn)生了偏差。

（2）實現(xiàn)電感過程中造成的誤差

在這款濾波器設(shè)計中，電感模型采用平面螺旋電感結(jié)構(gòu)，由于電感面積較大，很容易和垂直相鄰的上、下層中的元件發(fā)生寄生效應(yīng)，并且電感離地層高度的不同會造成電感值的很大偏差。

通過分析，找出了問題的所在，那么如何減小模型內(nèi)部的寄生耦合效應(yīng)、調(diào)整電感的設(shè)計是接下來要做的工作。

3 濾波器優(yōu)化設(shè)計

如圖8、圖9所示，在平面螺旋電感元件的布局方面，每一個LC諧振腔中的電感C都與串聯(lián)支路中相鄰的兩個電感A和B垂直放置，電感C在中間層，電感A和B分別在其上、下的相鄰層，而層距只有86.9 μm，這樣的結(jié)構(gòu)使得相鄰層的電感走線間產(chǎn)生了寄生電容，且相鄰的電感間又發(fā)生了緊耦合效應(yīng)，使電感值產(chǎn)生了偏差，導(dǎo)致濾波器模型的仿真結(jié)果與預(yù)期結(jié)果產(chǎn)生差異。

圖8 電感耦合示意圖

圖9 螺旋電感耦合示意圖

圖10 調(diào)整后的螺旋電感示意圖

為了避免這種寄生耦合現(xiàn)象，設(shè)計時可以改變螺旋電感的內(nèi)徑、調(diào)整圈數(shù)，在保證電感值大小盡量不變的前提下，使上、下相鄰層的電感在垂直方向的投影減少重合，從而減小了相鄰層電感之間的寄生耦合。圖10為調(diào)整后的螺旋電感示意圖。在相鄰層的電感布局結(jié)構(gòu)調(diào)整后，模型的仿真曲線如圖11所示。

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的S參數(shù)測試結(jié)果

可以看出，在對電感做了調(diào)整之后，模型的仿真結(jié)果得到了改善，仿真結(jié)果可以滿足表1中提出的指標(biāo)。

圖12給出了濾波器在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的仿真結(jié)果對比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的測試結(jié)果相對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前在以下方面得到了改善：

（1）通帶中回波損耗從-7.6 dB下降到-11.5 dB；

（2）阻帶中引入了4個傳輸零點(diǎn)，得到了理想的衰減效果；

（3）在阻帶中1.61～3.10 GHz的頻帶內(nèi)，濾波器具有大于40 dB的抑制；

（4）在阻帶中3.10～6 GHz的頻帶內(nèi)，濾波器具有大于30 dB的遠(yuǎn)端抑制。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的S參數(shù)對比結(jié)果

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的濾波器性能可以滿足提出的設(shè)計指標(biāo)。通帶內(nèi)插入損耗和回波損耗分別是-0.6 dB和-11.5 dB，截止頻率在1.35 GHz處；在截止頻率外濾波器通過260 MHz的過渡帶達(dá)到了-40 dB的衰減；1.61～3.10 GHz的頻帶內(nèi)抑制大于40 dB；3個零點(diǎn)分別在f1=1.65 GHz、f2=1.85 GHz、f3=2.60 GHz處獲得，在4.6 GHz處又產(chǎn)生了第四個零點(diǎn)，使得衰減效果更為理想?；贚TCC技術(shù)設(shè)計的此款橢圓函數(shù)七階低通濾波器通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，成功地避免了寄生效應(yīng)的產(chǎn)生，使濾波器達(dá)到了高性能的指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

本文闡述了結(jié)合引入傳輸零點(diǎn)的規(guī)律和方法，設(shè)計了含有3個LC諧振腔的橢圓函數(shù)低通濾波器等效電路，每個LC諧振腔在其諧振頻率處可以引入一個傳輸零點(diǎn)。建立好的等效電路包括串聯(lián)支路中的4個電感和并聯(lián)支路中的3個LC諧振腔，共10個元件。為了充分發(fā)揮LTCC技術(shù)的三維空間優(yōu)勢，縮小器件體積，濾波器模型的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計為19層，體積為3.2 mm×2.0 mm×1.4 mm。

通過對濾波器模型內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，避免了濾波器元件間的寄生耦合效應(yīng)，使濾波器的性能得到了改善，其特性可以滿足高性能應(yīng)用指標(biāo)的需求。測試結(jié)果為：通帶內(nèi)插入損耗和回波損耗分別是-0.6 dB和-11.5 dB，截止頻率為1.35 GHz，通帶外的截止率陡峭，阻帶中引入的4個傳輸零點(diǎn)使濾波器的衰減效果更為理想。

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