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NI AWR仿真軟件助力南理工學生設(shè)計性能優(yōu)越的帶通濾波器

2015-06-30 來源:微波射頻網(wǎng) 字號:

學校簡介

創(chuàng)立于1992年10月,南京理工大學(NUST) 設(shè)有電子工程,光學工程,光電技術(shù),檢測與控制工程等學院。南京理工大學同時擁有電工電子教學實驗中心、無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究中心、江蘇省光譜成像與智能感知重點實驗室。隨著全球信息化和信息時代的到來,南京理工大學取得了前所未有的快速發(fā)展和成長。

設(shè)計挑戰(zhàn)

帶通濾波器(BPF)是許多現(xiàn)代系統(tǒng)級封裝(SiP)應用中的基本組件。同時也是超外差接收機中體積最大的組件之一。 由于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)的垂直整合能力,它可以在非常低的頻率(小于200MHz)用來實現(xiàn)BPF的小型化。盡管如此,采用LTCC技術(shù)的BPF在MHz頻率段并不常見,因為波長過大將對縮減尺寸形成挑戰(zhàn)。體聲波(BAW)濾波器 由于尺寸小,在低頻占有重要位置;然而,它們卻具有較高的插入損耗和群延遲,同時也需要額外的電容器和電感器用于阻抗匹配。

因為BPF需要非常大的諧振器電容和電感 ,我們面臨的挑戰(zhàn)是如何讓BPF在MHz頻率工作。 通過采用垂直交指型電容器(VIC),在非常低頻的情況下,不僅能夠具有大的電容,同時可以減少過濾器的尺寸。目前,增強VIC電容的一種方法是增加指叉的大小或數(shù)量。然而,增加指叉的尺寸對于縮減濾波器的尺寸不僅毫無助益,而且會導致多余的諧振或雜散尖峰,限制了可使用的頻帶,如圖1(a)所示。

圖1:(a) 傳統(tǒng)VIC的典型S參數(shù)。 (b)擬建的BPF的電路拓撲。

解決方案

南京理工大學的學生著手設(shè)計小型化集總元件的10層LTCC 帶通濾波器,在60MHz為中心頻率引入了兩個傳輸零點(圖2)。

圖2:(a) 頂視圖。(b)擬建的BPF照片

通過使用垂直過孔將間隔指叉的開口端相連結(jié),可以同時達到VIC電容增量和雜散尖峰抑制。由論文可知,的尺寸為世界上最小,只有0.004 x0.004 x0.0004 λg。

由于縮減尺寸是這項工作的主要挑戰(zhàn),第一步是要選擇一個只有少數(shù)元件的電路拓撲。這個BPF設(shè)計首先以60MHz為中心頻率、帶寬為15MHz。接著選擇一個眾所周知具有八個元件的電路模型,如圖1(b)所示。電容器C3 在輸入和輸出端口之間產(chǎn)生的反饋路徑,可提供選擇性;并且分別在34和88MHz有兩個傳輸零點。C1和C2分別配置相同的值和版圖,以減少優(yōu)化參數(shù)。然后采用Microwave Office 電路設(shè)計軟件的優(yōu)化功能來提取相應的元件值。

擬建的BPF的初始物理版圖十分容易設(shè)置。然而,考慮到元件之間的寄生和相互耦合效應,必須進行微調(diào)。最后使用AXIEM 3D平面電磁(EM)仿真完成整個BPF的版圖。

所得仿真結(jié)果和測量結(jié)果有很好的一致性,如圖3所示。

圖3:使用GSG探針測量,BPF仿真和測量的結(jié)果。

這個設(shè)計的中心頻率為60MHz,基于15dB的回波損耗的帶寬為15MHz。兩個有限零點均位于規(guī)定的位置。 值得注意的是,測得的1.95dB的通帶插入損耗高于預期,這是由于頂部金屬層的表面粗糙度較高,導致更高的電阻損耗。

為何選用NI AWR Design Environment

Microwave Office 提供了一個易于使用的界面和內(nèi)置的流程定義工具,使我們能夠有效地為LTCC設(shè)計中的垂直多層交指電容器和多層螺旋電感器構(gòu)建模型 。AXIEM使我們能夠輕松地調(diào)整、掃描并優(yōu)化電容器和電感器的值。

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