小型化高阻帶抑制聲表面波濾波器組件設(shè)計(jì)

張 偉,蒲志勇,龔 旭,溫桎茹,楊桃均,呂 翼

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器組件是一種包含多個(gè)濾波通道的濾波模組[1-2],一般集成有多顆SAW濾波器、射頻開關(guān)等有源器件,通過外部控制碼自由、快速切換射頻開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同頻段的濾波功能。基于SAW技術(shù)的多通道濾波組件已被廣泛應(yīng)用于通信、對抗、雷達(dá)、航空航天等領(lǐng)域[3]。隨著通訊產(chǎn)品的發(fā)展,整機(jī)用戶對于多通道濾波組件的體積、阻帶抑制等要求也越來越高[4-9]。

本文介紹了一款包含8個(gè)濾波通道的SAW濾波器組件,其工作于L波段,-3 dB帶寬大于48 MHz,插入損耗小于7 dB,帶內(nèi)幅度波動小于1.5 dB,近端阻帶抑制大于70 dBc,組件尺寸僅為18 mm×15 mm×5 mm(不含引針絕緣子)。該SAW濾波器組件可應(yīng)用于手持、背負(fù)等通信終端設(shè)備[10]。

1 小型化組件設(shè)計(jì)

本文介紹了一款工作于L波段的SAW濾波器組件,具體指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 組件指標(biāo)要求

針對上述指標(biāo)開展設(shè)計(jì),組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。組件設(shè)計(jì)方案是:通過兩顆濾波器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)高阻帶抑制,將濾波器和射頻開關(guān)進(jìn)行組合,通過控制碼切換開關(guān)來實(shí)現(xiàn)不同通道的濾波功能。

圖1 組件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)稱頻率、插入損耗、帶外抑制及結(jié)構(gòu)尺寸要求的綜合考慮,采用小型化SMD3030C封裝表貼SAW濾波器、集成開關(guān)等元器件,雙面貼裝于一塊多層電路板上,并安裝于金屬腔體內(nèi)的技術(shù)方案。根據(jù)圖1進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 組件電路設(shè)計(jì)

本文采用兩級SAW濾波器級聯(lián)的方案以滿足阻帶抑制大于70 dBc的要求,將組件指標(biāo)分解到單顆SAW濾波器,指標(biāo)分解如下:

1)-3 dB帶寬

該指標(biāo)主要由SAW濾波器決定,以第一通道的SAW濾波器為例。濾波器是兩級級聯(lián),考慮到溫度漂移和制作誤差的影響,將單級濾波器-1.5 dB帶寬設(shè)定為不低于50 MHz。

2) 插入損耗

該指標(biāo)主要由濾波器及開關(guān)決定。組件要求總的損耗在7 dB內(nèi),考慮到單只開關(guān)損耗約在1 dB,由于采用了兩個(gè)濾波器級聯(lián),兩級濾波器的損耗控制在5 dB內(nèi),單個(gè)濾波器的損耗控制在2.5 dB內(nèi)。

3) 帶內(nèi)幅度波動

該指標(biāo)主要由SAW濾波器以及匹配調(diào)試效果決定。考慮到濾波器采用級聯(lián)結(jié)構(gòu),帶內(nèi)波紋可能會嚴(yán)重惡化,組件要求帶內(nèi)幅度波動控制在1.5 dB內(nèi),因此,單個(gè)濾波器的帶內(nèi)幅度波動要求控制在0.7 dB內(nèi)。

4) 阻帶抑制

該指標(biāo)主要由SAW濾波器本身的阻帶抑制及電磁兼容性等決定。本項(xiàng)目阻帶抑制要求大于70 dBc,單個(gè)濾波器的阻帶抑制無法滿足要求,故采用兩級濾波器級聯(lián)的方式。為了產(chǎn)品調(diào)試時(shí)留有一定的余量,需要SAW濾波器的阻帶抑制指標(biāo)優(yōu)于產(chǎn)品指標(biāo)至少3 dB,因此要求單個(gè)濾波器的阻帶抑制大于38 dBc。

5) 外形尺寸

組件尺寸為18 mm×15 mm×5 mm。該指標(biāo)主要由開關(guān)尺寸、濾波器尺寸和匹配電路決定。為了滿足小體積的要求,濾波器采用SMD3030C封裝來實(shí)現(xiàn)小型化。

1.2 SAW濾波器設(shè)計(jì)

本文組件包含8款SAW濾波器,以第8通道的SAW濾波器為例,要求濾波器的中心頻率為1 766.3 MHz,插入損耗小于2.5 dB,-1.5 dB帶寬大于50 MHz,阻帶抑制大于38 dBc,帶內(nèi)幅度波動小于0.7 dB。

SAW濾波器由陶瓷外殼底座、金屬蓋板及SAW濾波器芯片構(gòu)成。外殼采用SMD3030封裝,典型尺寸為3.0 mm×3.0 mm×1.2 mm。芯片與外殼之間采用金絲鍵合,封裝方式采用平行封焊工藝,以保證產(chǎn)品良好的氣密性。產(chǎn)品整體尺寸小,質(zhì)量小。

根據(jù)上述要求制作的SAW濾波器,其實(shí)測響應(yīng)曲線如圖3所示。濾波器實(shí)測中心頻率為1 766.18 MHz,插入損耗為-1.1 dB,-1.5 dB帶寬為57.6 MHz,阻帶抑制為40 dBc,帶內(nèi)幅度波動為0.3 dB。

圖3 單顆SAW濾波器實(shí)測曲線

1.3 PCB版圖設(shè)計(jì)

為了滿足組件小體積的要求,版圖布局采用濾波器環(huán)繞開關(guān)布局法:將開關(guān)置于版圖中心,器件環(huán)繞開關(guān)四周放置,以實(shí)現(xiàn)更加緊湊的結(jié)構(gòu)。選用小體積器件,采用雙面布局方式,器件緊湊排列,充分利用殼體內(nèi)部空間,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化。

版圖設(shè)計(jì)時(shí),射頻走線需滿足50 Ω的阻抗。根據(jù)傳輸線理論,其特征阻抗為

(1)

式中:εr為材料介電常數(shù);h為傳輸線與基板的介質(zhì)厚度;w為傳輸線寬度;t為傳輸線厚度。

根據(jù)SI9000軟件計(jì)算可得到走線寬度約為0.16 mm,計(jì)算方法如圖4所示。元器件的焊盤寬度一般遠(yuǎn)大于0.16 mm,易導(dǎo)致射頻走線的阻抗不連續(xù),從而影響組件的損耗、帶內(nèi)波紋等指標(biāo),因此需要根據(jù)計(jì)算來優(yōu)化元器件焊盤的阻抗,讓大焊盤不會因阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生太大的信號反射。設(shè)計(jì)時(shí),先將射頻信號的焊盤對應(yīng)位置的中間層掏空,再用SI9000軟件計(jì)算出該掏空處所對應(yīng)的層數(shù),以實(shí)現(xiàn)焊盤50 Ω阻抗控制。同時(shí)在級聯(lián)濾波器中間增加一個(gè)π型匹配網(wǎng)絡(luò),以改善級聯(lián)后的通帶性能。

圖4 PCB阻抗控制

為了滿足阻帶抑制指標(biāo),采用兩級SAW濾波器級聯(lián)方式以及多通道抗干擾布局方法,以實(shí)現(xiàn)近端70 dBc以上的阻帶抑制。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮射頻輻射影響,當(dāng)射頻走線有足夠的參考平面時(shí),電場大部分被參考平面所耦合,只有少部分電場輻射到了空間中。為了進(jìn)一步較少輻射的影響,讓射頻線的四周都存在參考平面,此時(shí)電場全部被參考平面所耦合,基本無電場輻射到空間中。因此,電路設(shè)計(jì)時(shí),在射頻走線旁設(shè)置大量接地孔,以最短路徑將輻射引入地,可以避免射頻輻射帶來的影響。印制板設(shè)計(jì)時(shí)需注意通道之間的串?dāng)_,降低輸入、輸出端口之間的直通耦合。射頻走線要有最短的接地回路,電源、控制信號要遠(yuǎn)離射頻信號,要有完整的接地銅皮屏蔽,避免射頻信號通過電源線直接串?dāng)_。組件設(shè)計(jì)版圖如圖5所示。

圖5 組件設(shè)計(jì)圖

2 版圖仿真

為了驗(yàn)證小型化濾波組件是否能夠達(dá)到高阻帶抑制的指標(biāo),對濾波器、開關(guān)等元器件的射頻性能進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。若各通道相互存在串?dāng)_信號,信號相位疊加后可能出現(xiàn)不同頻率在幅度上的差異,導(dǎo)致信道通帶內(nèi)的幅度波紋變大。利用HFSS軟件對組件進(jìn)行仿真,將PCB版圖導(dǎo)入建立仿真模型,仿真結(jié)果如圖6所示。由圖可見,通帶內(nèi)插入損耗在5～6 dB,在1～1.25 GHz較低頻段內(nèi),組件的阻帶抑制高于80 dB;在2～3 GHz較高頻段內(nèi),組件的阻帶抑制高于60 dB。

圖6 組件仿真曲線

3 實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)上述方法制作了多通道級聯(lián)濾波組件,實(shí)物如圖7所示,各通道實(shí)測曲線如圖8所示。

圖7 組件實(shí)物圖

圖8 組件仿真和實(shí)測曲線對比

組件實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示,由表可見,其滿足表1中各項(xiàng)指標(biāo)要求。

表2 組件實(shí)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文介紹了一款小型化、高阻帶抑制SAW濾波器組件的設(shè)計(jì)實(shí)例,組件外形尺寸僅為18 mm×15 mm×5 mm,其-3 dB帶寬大于48 MHz,插入損耗小于7 dB,帶內(nèi)幅度波動小于1.5 dB,近端阻帶抑制大于70 dBc。本文提出的版圖設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了在緊湊空間內(nèi)的小型化布局,組件同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較高的阻帶抑制,對同類型產(chǎn)品的研制具有指導(dǎo)意義。