學校簡介
創立于1992年10月,南京理工大學(NUST) 設有電子工程,光學工程,光電技術,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、無線傳感網技術研究中心、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展和成長。
設計挑戰
帶通濾波器(BPF)是許多現代系統級封裝(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)技術的垂直整合能力,它可以在非常低的頻率(小于200MHz)用來實現BPF的小型化。盡管如此,采用LTCC技術的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。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VIC的典型S參數。 (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,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,第一步是要選擇一個只有少數元件的電路拓撲。這個BPF設計首先以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,以減少優化參數。然后采用Microwave Office 電路設計軟件的優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。最后使用AXIEM 3D平面電磁(EM)仿真完成整個BPF的版圖。
所得仿真結果和測量結果有很好的一致性,如圖3所示。
圖3:使用GSG探針測量,BPF仿真和測量的結果。
這個設計的中心頻率為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置的流程定義工具,使我們能夠有效地為LTCC設計中的垂直多層交指電容器和多層螺旋電感器構建模型 。AXIEM使我們能夠輕松地調整、掃描并優化電容器和電感器的值。