NI AWR仿真软件助力南理工学生设计性能优越的带通滤波器

2015-06-30 来源:微波射频网 我要评论(0) 字号:

学校简介

创立于1992年10月,南京理工大学(NUST) 设有电子工程,光学工程,光电技术,检测与控制工程等学院。南京理工大学同时拥有电工电子教学实验中心、无线传感网技术研究中心、江苏省光谱成像与智能感知重点实验室。随着全球信息化和信息时代的到来,南京理工大学取得了前所未有的快速发展和成长。

设计挑战

带通滤波器(BPF)是许多现代系统级封装(SiP)应用中的基本组件。同时也是超外差接收机中体积最大的组件之一。 由于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的垂直整合能力,它可以在非常低的频率(小于200MHz)用来实现BPF的小型化。尽管如此,采用LTCC技术的BPF在MHz频率段并不常见,因为波长过大将对缩减尺寸形成挑战。体声波(BAW)滤波器 由于尺寸小,在低频占有重要位置;然而,它们却具有较高的插入损耗和群延迟,同时也需要额外的电容器和电感器用于阻抗匹配。

因为BPF需要非常大的谐振器电容和电感 ,我们面临的挑战是如何让BPF在MHz频率工作。 通过采用垂直交指型电容器(VIC),在非常低频的情况下,不仅能够具有大的电容,同时可以减少过滤器的尺寸。目前,增强VIC电容的一种方法是增加指叉的大小或数量。然而,增加指叉的尺寸对于缩减滤波器的尺寸不仅毫无助益,而且会导致多余的谐振或杂散尖峰,限制了可使用的频带,如图1(a)所示。

图1:(a) 传统VIC的典型S参数。 (b)拟建的BPF的电路拓扑。

解决方案

南京理工大学的学生着手设计小型化集总元件的10层LTCC 带通滤波器,在60MHz为中心频率引入了两个传输零点(图2)。

图2:(a) 顶视图。(b)拟建的BPF照片

通过使用垂直过孔将间隔指叉的开口端相连结,可以同时达到VIC电容增量和杂散尖峰抑制。由论文可知,的尺寸为世界上最小,只有0.004 x0.004 x0.0004 λg

由于缩减尺寸是这项工作的主要挑战,第一步是要选择一个只有少数元件的电路拓扑。这个BPF设计首先以60MHz为中心频率、带宽为15MHz。接着选择一个众所周知具有八个元件的电路模型,如图1(b)所示。电容器C3 在输入和输出端口之间产生的反馈路径,可提供选择性;并且分别在34和88MHz有两个传输零点。C1和C2分别配置相同的值和版图,以减少优化参数。然后采用Microwave Office 电路设计软件的优化功能来提取相应的元件值。

拟建的BPF的初始物理版图十分容易设置。然而,考虑到元件之间的寄生和相互耦合效应,必须进行微调。最后使用AXIEM 3D平面电磁(EM)仿真完成整个BPF的版图。

所得仿真结果和测量结果有很好的一致性,如图3所示。

图3:使用GSG探针测量,BPF仿真和测量的结果。

这个设计的中心频率为60MHz,基于15dB的回波损耗的带宽为15MHz。两个有限零点均位于规定的位置。 值得注意的是,测得的1.95dB的通带插入损耗高于预期,这是由于顶部金属层的表面粗糙度较高,导致更高的电阻损耗。

为何选用NI AWR Design Environment

Microwave Office 提供了一个易于使用的界面和内置的流程定义工具,使我们能够有效地为LTCC设计中的垂直多层交指电容器和多层螺旋电感器构建模型 。AXIEM使我们能够轻松地调整、扫描并优化电容器和电感器的值。

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