基于LTCC 技術的差分濾波器設計

尚陽陽 ,李小珍 ,邢孟江

(1.電子科技大學 電子科學與工程學院,四川 成都 611731;2.昆明學院 信息技術學院,云南 昆明 650500)

隨著現代通信技術的日新月異,差分電路也因為其特殊的結構得到了越來越廣泛的應用,其不僅對共模輸入信號有著較強的抑制作用,同時,差分電路還有著比單端電路更好的抑制接地噪聲和抗干擾的能力。而具備差分結構的差分濾波器也因為有著相較于單端濾波器更好的抗干擾以及噪聲濾除作用而得到了更加廣泛的研究和應用。現階段對于差分濾波器的研究和實現主要采用了下面的幾種方式:引入階躍諧振阻抗器以及一些增加共模抑制的耦合結構[1-5];基片集成波導結構[6-7];槽線結構以及缺陷地結構[8-9]。李夏清等[5]提出了一種結合階躍阻抗諧振器的差分濾波器設計方案,其具備了20 dB 的共模抑制效果,但是結構較為復雜;張勝等[7]提出了一種利用缺陷地的雙層基片集成波導結構制作的差分濾波器,其共模抑制較高,但是帶寬較窄,僅有70 MHz;鄒欣彤[9]利用縫隙線諧振器設計了一款差分濾波器,回波損耗較低,為34.3 dB,但是其共模抑制效果稍差。雖然以上幾種方式都實現了差分濾波的效果,但是其往往結構復雜且尺寸較大,不易于加工集成,而且由于結構的差異性,往往達不到一個很好的共模抑制效果。

為了解決上述問題,提高差分濾波器的集成度,并且降低其制造難度及成本,本文采用了LTCC 技術[10]進行加工制造,并且在設計方面選擇將單端電路轉換為差分電路的方法來實現,降低了設計難度。LTCC 技術是一門已經逐漸發展成熟的技術,具備較好的兼容性以及封裝效果。陶瓷材料本身在高頻的環境下仍具有能夠快速傳輸信號、保持信號本身較寬通帶的優良特性,而LTCC 材料更能夠針對使用環境的不同,調整材料的配方,得到更適用于相對應環境的優良介電常數[11-12]。在電路方面的應用中,LTCC 材料能夠與導電率較高的銅、銀等金屬材料共燒,不僅能夠提升電路的品質因數,而且使得電路的設計更加方便、靈活。不僅如此,LTCC 的生產制造工藝是非連續型的,從漿料配置到燒結成型,每一步都可以對其進行質量檢查,從而在很大程度上提高了多層基板制造的成功率,同時降低生產成本。LTCC 的低溫共燒特性,有利于集成多層基板,采用內埋式的結構將多個無源元件集成在器件內部,免除了器件封裝的成本,還能夠采用表貼式的結構將有源元件與無源元件共同集成起來,有利于提高電路的集成度,適應發展的潮流。

基于LTCC 技術以及差分電路理論[13],本文結合ADS 和HFSS 進行建模仿真,以截止頻率2.4 GHz 為目標,成功設計出了一款截止頻率為2.4 GHz 的LC差分低通濾波器。

1 差分LC 濾波器設計

1.1 差分LC 濾波電路的設計

關于差分LC 濾波電路的設計,通常有兩種形式。第一種是直接構建差分電路模型,然后通過軟件逐步仿真優化,適用于階數較低、結構相對簡單的電路;第二種是先設計出單端的濾波電路,再轉化成差分的濾波電路,這種方式更加方便快捷。本文采用的是第二種方法。

首先借助ADS(Advanced Design System)軟件里的自動設計程序,快速得到一個七階的橢圓低通濾波電路[14]。再通過對其進行調諧優化,最終得到的電路圖如圖1 所示。當單端輸入信號變成差分輸入信號時,整體電路可看作關于地的對稱電路,得到的新電路如圖2 所示。

圖1 七階橢圓低通濾波器等效電路圖Fig.1 Seven-order elliptic low-pass filter equivalent circuit

圖2 雙端口轉換電路圖Fig.2 Dual port conversion circuit

共模信號的輸入為:

差模信號的輸入為:

想要對共模信號起到抑制作用,那么信號傳輸到電路中間的部分時應該相同,所以C4=C8,C5=C9,C6=C10,C7=C11,L1=L4,L2=L5,L3=L6,C1=C12,C2=C13,C3=C14。

通過調諧優化,最終得到的電路圖如圖3 所示。其中,C1=2.53 pF,C2=1.18 pF,C3=2.6 pF,C15=0.112 pF,C16=0.37 pF,C17=0.44 pF,C18=0.034 pF,L1=1.19 nH,L2=1.18 nH,L3=1.21 nH。

圖3 差分濾波器等效電路圖Fig.3 Differential filter equivalent circuit

1.2 HFSS 建模仿真

LTCC 技術采用的是內埋式集成,不僅可以提高集成度,而且還有利于封裝。LTCC 集成電感的設計[15]有兩種模型,一種是平面螺旋電感,一種是垂直螺旋電感。本文采用的是垂直螺旋電感,以減少器件的尺寸,如圖4 所示。電容的模型有交指電容、平板電容等模型。本文采用的是平板電容,優點在于結構簡單,方便加工,如圖5 所示。

圖4 垂直螺旋電感模型圖Fig.4 Vertical spiral inductor model

圖5 平板電容模型圖Fig.5 Flat capacitor model

結合電感和電容模型,以及差分電路,建立起完整的差分濾波器模型,如圖6。模型中采用的LTCC材料的相對介電常數為6.8,導體部分選擇用銀。

圖6 LC 電路模型圖Fig.6 LC circuit model

對已經建立的模型進行結果仿真。由于差分電路的特性,在電路當中需要通過差分線進行連接,差分線是由兩根在基板上平行構建的微帶線構成,其阻抗與差分線的線寬、間距以及介質材料等因素有關。其工作原理為:兩條微帶線傳輸的信號之間的相位相差了180°,而經過兩根微帶線所產生的無用信號是一致的,將通過兩根微帶線后信號相減,就在消除誤差信號的同時得到了兩倍的有用信號。在HFSS 中進行建模時,需要得到阻抗為100 Ω 的差分線,可以利用si9000 軟件進行計算。選擇其中的Edge-Coupled Embedded Microstrip 1B2A,填入相應的內容后,通過更改參數,得到阻抗為100 Ω 時的物理參數,再進行建模。最終得到的整體仿真模型如圖7 所示。整體的仿真結果如圖8。圖9 給出的是單端LC 濾波器的三維仿真結果。

圖7 仿真整體模型圖Fig.7 Simulation overall model

經過圖8 和圖9 的對比,不難發現在不影響差模信號的前提下,該差分濾波器對共模信號有了一個大于15 dB 的抑制效果。證實了將單端電路轉換為差分電路確實是一種設計差分濾波器的方式。

圖8 差分濾波器仿真結果Fig.8 Differential filter simulation result

圖9 單端濾波器仿真結果Fig.9 Single-ended filter simulation results

2 結論

本文通過將單端LC 濾波器轉化為具有對稱結構差分濾波器的方式,設計了一款低通的差分濾波器,再通過仿真與變化前后的結果進行對比,證明了該方式確實能夠在不影響濾波效果的前提下,對通帶范圍內的共模信號進行抑制,為差分濾波器的設計提供了一個切實可行的辦法。相比較于其他的差分濾波器,本文給出的濾波器具有體積小、結構簡單、易于加工等優點,采用的LTCC 技術方便大規模的生產和使用,而且能夠延長器件的壽命,增加器件的可靠性。