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莹綦房
6 years ago
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1 ANSYS 0 中国用户大会优秀论文应用于无线前端系统中的 LTCC 带通滤波器袁博, 吕昕北京理工大学信息与电子学院,0008 [ 摘要 ] 低温共烧陶瓷技术 (LTCC) 是目前实现无线射频前端小型化的最通用的手段, 而滤波器是射频前端系统中最有重要的器件之一本文将介绍应用于全波电磁场仿真软件 HFSS 对一种新型的带通滤波器的设计和仿真优化方法 LTCC 带通滤波器基于准基总参数的拓扑结构同时采用宽带技术扩宽带宽分别再常温低温和高温三种环境下对该滤波器性能进行了测试, 仿真结果与测试结果非常吻合, 从而进一步证明了 HFSS 仿真软件对于设计 LTCC 多层射频器件的有效性 [ 关键词 ] 低温共烧陶瓷 ; 射频前端 ; 带通滤波器 ; 小型化 A LTCC Band Pass Filter for Wireless Front-End Bo Yuan, Xin Lv School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, 0008 [Abstract] MCM (Multi-chip Module) is presently the most effective method for realizing the miniaturization of wireless front-end applications. Filter is one of the most important components in the MCM.[],[3] In this paper, a novel quasi-lumped band pass filter for wireless front-end was designed and fabricated, adopting low temperature cofired ceramics (LTCC). The BPF circuit is based on the quasi-lumped filter topology and a wideband circuit design method was adopted. The BPF has been simulated and optimized by Ansoft HFSS. The measured results which were tested not only in the normal atmospheric temperature but also in the high and low temperature agree very well with the full-wave electromagnetic designed responses The proposed filter has been realized in a ten layers ceramic substrate, showing promising application potentials in miniaturized wireless front-end. [ Keyword ] Wireless Front-End; Low Temperature Co-fired Ceramics ( LTTC); Band Pass Filter (BPF); miniaturization. 前言由于 LTCC 具有良好的高频性能高集成特性和良好的稳定性, 越来越多的射频电路采用该材料 LTCC 是一种多层陶瓷共烧工艺, 可将无源器件内埋于多层基板内部, 有源器件埋置于表层的空腔中因为 LTCC 具有三维立体封装特性, 所以有许多传统厚膜工艺

2 ANSYS 0 中国用户大会优秀论文无法实现的新型的小型化紧凑电路都可以由该工艺实现本论文通过使用 HFSS 软件仿真优化了应用于 C 波段无线射频前端中内部集成带通滤波器在本论文中, 我们设计了一种应用于宽带接收前端系统中的多层小型化宽带滤波器该滤波器的中心频率是 5.0GHz, 带宽为 GHz, 插入损耗 0.9dB 此滤波器的原型电路是基于准集总参数形式, 通过增加相邻谐振器之间的耦合强度展宽了通带范围与此同时通过应用全波电磁场仿真软件 HFSS 在输入和输出端引入交叉电容设计, 在通带的两侧产生了两个传输零点, 在不增加滤波器阶数的情况下改善了带外抑制特性 [5] 在完成样片加工之后, 我们对该 LTCC 带通滤波器进行了常温低温和高温三种条件下的射频性能测试, 测试结果表明仿真结果和实测结果非常吻合, 该小型化滤波器满足高性能集成化射频前端系统的要求. 滤波器设计和实现依据切比雪夫滤波器原理, 首先要获滤波器的原型电路此带通滤波器的综合方法是基于切比雪夫低通原型电路, 同时根据射频前端系统设计要求采用准集总参数形式的两阶带通模型 [4] 带通滤波器的等效电路如图所示图. ltcc 带通滤波器等效电路图. 滤波器原型电路综合方法如图. 所示, 此二阶滤波器原型在第一和第二个谐振单元之间引入了耦合电容和耦合电感设计 ω 和 ω 分别表示阻带范围内任意频点下面的公式将用于计算并联谐振单元的电感 L 电容 C 和互感 L ω r = () L C S + S C = () kf kf Z0 ωω ω ω

3 ANSYS 0 中国用户大会优秀论文 L = C (3) L ωr S kf Skf = (4) C ω ω 其中,Z0 表示系统的特性阻抗,Skf 表示矩形系数原型结构主要包含三个部分, 其中有两个由相同的电感 L 和电容 C 构成的谐振单元谐振单元的谐振频率与带通滤波器的中心频率一致通过在两个谐振器之间引入互感 L 和 C 3 来扩展滤波器的通带范围 ; 此外在输出和输入端之间引入电容 C 4, 可以在通带两侧的阻带范围内产生两个传输零点, 在不增加滤波器阶数的情况下改善通带外信号的抑制度通过上述公式计算的原型电路的归一化值如下 : C =.5pF, L =0.73nH, C =0.38pF, C 3 =0.pF, L =.8nH and C 4 =0.pF. 图. 展示了基于上述原型电路的带通滤波器的三维结构模型基于 LTCC 工艺的多层布线特性, 我们可以使用金属平板和和短路带状线构建满足上述感值的内埋电感和相应容值的电容但是必须注意到, 在高频时由于寄生参数存在, 准集总参数的电容和电感值将会随着频率发生变化, 因此需要引入相应的补偿结构由于两个谐振单元的之间的互耦合电感值比较大, 依靠传统的改变两个谐振单元之间距离的方法已经不能获得上述较大的互感值我们在两个谐振单元之间引入了一段带状线, 通过应用 HFSS 软件优化带状线的位置获得相应的电感值. 应用 HFSS 仿真软件对滤波器仿真优化此滤波器使用 Ferro 公司生产的 A6M 生陶瓷基板, 烧结之后每层基板的厚度为 96 μ m, 介电常数为 5.9, 介质损耗角正切值为 0.00 我们应用全波电磁场仿真软件[] 对如图. 的带通滤波器进行了仿真和优化在仿真过程中充分结合实际工艺的要求, 对于层间的金属过孔结构进行了容差分析优化, 使信号在层间传输时的损耗尽量减少对于两谐振单元之间的带状线结构的位置, 使用了 HFSS 软件中参数扫描优化功能, 获得了满足要求的互感值为了拟合实际测试环境, 该滤波器的测试基板采用了 Rogers 4350B 射频基板, 输入和输出端口采用 lump port 激励模式经过 HFSS 仿真软件的优化, 改变了局部参数值, 弥补了寄生参量对滤波器整体性能的影响最终的仿真结果显示, 该滤波器的中心频率为 5.0GHz, 通带范围大约为 GHz, 插入损耗小于.dB, 回波损耗优于 -5dB 同时在相应的频点上获得两个传输零点

4 ANSYS 0 中国用户大会优秀论文 3. 滤波器测试结果 3 带通滤波器的整体尺寸为 mm, 测试样片的图像如图.3 所示常温环境下的测试工作在 MCES 实验室完成测试仪器为安捷伦矢量网络分析 E8363B 短路开路负载直通 (SOLT) 校准范围为 -0GHz 应用 HFSS 全波仿真软件和在室温环境下的 S 参数测试结果如图.4 所示高低温测试在七星华创微电子公司 LTCC 测试实验室完成, 测试设备如图.5 所示低温 -0 和室温环境对比测试结果如图.6 所示, 高温 65 和室温环境对比测试结果如图.7 所示

5 ANSYS 0 中国用户大会优秀论文从上述测试结果可以得出以下结论 : ) 带通滤波器的中心频率为 5.0GHz, 通带范围为 GHz, 其仿真结果和实际测试结果有良好的吻合度 ) 和相关文章报道的带通滤波器相比, 其通带内插入损耗特性比较好 3) 滤波器在室温低温和高温环境下其性能基本保持一致, 没有发成大的频率偏移现象 4 结论本论文介绍了一种基于 LTCC 多层工艺设计的 C 波段带通滤波器, 通过仿真设计和实际测试发现三维电磁场仿真软件 HFSS 对于设计多层复杂封装结构的 LTCC 射频器件非常有效该滤波器具有良好的电气性能和小型化机构, 常适合应用于射频前端封装结构中, 能够满足系统的小型化需求和各种复杂的外部环境要求 [ 参考文献 ] [] 谢拥军. 刘莹等 HFSS 原理与上程应用北京 : 科学技术山版社,009 [] L. K. Yeung and K. L. Wu, "A compact second-order LTCC bandpass filter with two finite transmission zeros," IEEE transactions on MTT, vol. 5, no., p ,february 003. [3]C.T. Chiu, C.L. Lin, T.S. Horng, S.M. Wu, andc.p.hung, Design of Super-Miniature Bandpass Filters Embedded in the Organic Substrate without Using Large-Value Capacitors 006 Electronic Components and Technology Conference. [4]Weihua Yu, Bo Yuan, and Houjun,Sun, A Compact Quasi-lumped LTCC Band Pass Filter for C-band Wireless Application International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 008. [5]Kyu-Bok Lee, Jae-Young Lee, 5.GHz Band nd-order Band-pass Filter Using LTCC Muti-layer Technology, Volume 5, 4-7 Dec APMC005 Proceedings, 005,.

NANO COMMUNICATION 23 No.3 90 CMOS 94/188 GHz CMOS 94/188 GHz A 94/188 GHz Dual-Band VCO with Gm- Boosted Push-Push Pair in 90nm CMOS 90 CMOS 94

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