基于LTCC 技术的差分滤波器设计

尚阳阳 ,李小珍 ,邢孟江

(1.电子科技大学 电子科学与工程学院,四川 成都 611731;2.昆明学院 信息技术学院,云南 昆明 650500)

随着现代通信技术的日新月异,差分电路也因为其特殊的结构得到了越来越广泛的应用,其不仅对共模输入信号有着较强的抑制作用,同时,差分电路还有着比单端电路更好的抑制接地噪声和抗干扰的能力。而具备差分结构的差分滤波器也因为有着相较于单端滤波器更好的抗干扰以及噪声滤除作用而得到了更加广泛的研究和应用。现阶段对于差分滤波器的研究和实现主要采用了下面的几种方式:引入阶跃谐振阻抗器以及一些增加共模抑制的耦合结构[1-5];基片集成波导结构[6-7];槽线结构以及缺陷地结构[8-9]。李夏清等[5]提出了一种结合阶跃阻抗谐振器的差分滤波器设计方案,其具备了20 dB 的共模抑制效果,但是结构较为复杂;张胜等[7]提出了一种利用缺陷地的双层基片集成波导结构制作的差分滤波器,其共模抑制较高,但是带宽较窄,仅有70 MHz;邹欣彤[9]利用缝隙线谐振器设计了一款差分滤波器,回波损耗较低,为34.3 dB,但是其共模抑制效果稍差。虽然以上几种方式都实现了差分滤波的效果,但是其往往结构复杂且尺寸较大,不易于加工集成,而且由于结构的差异性,往往达不到一个很好的共模抑制效果。

为了解决上述问题,提高差分滤波器的集成度,并且降低其制造难度及成本,本文采用了LTCC 技术[10]进行加工制造,并且在设计方面选择将单端电路转换为差分电路的方法来实现,降低了设计难度。LTCC 技术是一门已经逐渐发展成熟的技术,具备较好的兼容性以及封装效果。陶瓷材料本身在高频的环境下仍具有能够快速传输信号、保持信号本身较宽通带的优良特性,而LTCC 材料更能够针对使用环境的不同,调整材料的配方,得到更适用于相对应环境的优良介电常数[11-12]。在电路方面的应用中,LTCC 材料能够与导电率较高的铜、银等金属材料共烧,不仅能够提升电路的品质因数,而且使得电路的设计更加方便、灵活。不仅如此,LTCC 的生产制造工艺是非连续型的,从浆料配置到烧结成型,每一步都可以对其进行质量检查,从而在很大程度上提高了多层基板制造的成功率,同时降低生产成本。LTCC 的低温共烧特性,有利于集成多层基板,采用内埋式的结构将多个无源元件集成在器件内部,免除了器件封装的成本,还能够采用表贴式的结构将有源元件与无源元件共同集成起来,有利于提高电路的集成度,适应发展的潮流。

基于LTCC 技术以及差分电路理论[13],本文结合ADS 和HFSS 进行建模仿真,以截止频率2.4 GHz 为目标,成功设计出了一款截止频率为2.4 GHz 的LC差分低通滤波器。

1 差分LC 滤波器设计

1.1 差分LC 滤波电路的设计

关于差分LC 滤波电路的设计,通常有两种形式。第一种是直接构建差分电路模型,然后通过软件逐步仿真优化,适用于阶数较低、结构相对简单的电路;第二种是先设计出单端的滤波电路,再转化成差分的滤波电路,这种方式更加方便快捷。本文采用的是第二种方法。

首先借助ADS(Advanced Design System)软件里的自动设计程序,快速得到一个七阶的椭圆低通滤波电路[14]。再通过对其进行调谐优化,最终得到的电路图如图1 所示。当单端输入信号变成差分输入信号时,整体电路可看作关于地的对称电路,得到的新电路如图2 所示。

图1 七阶椭圆低通滤波器等效电路图Fig.1 Seven-order elliptic low-pass filter equivalent circuit

图2 双端口转换电路图Fig.2 Dual port conversion circuit

共模信号的输入为:

差模信号的输入为:

想要对共模信号起到抑制作用,那么信号传输到电路中间的部分时应该相同,所以C4=C8,C5=C9,C6=C10,C7=C11,L1=L4,L2=L5,L3=L6,C1=C12,C2=C13,C3=C14。

通过调谐优化,最终得到的电路图如图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。

图3 差分滤波器等效电路图Fig.3 Differential filter equivalent circuit

1.2 HFSS 建模仿真

LTCC 技术采用的是内埋式集成,不仅可以提高集成度,而且还有利于封装。LTCC 集成电感的设计[15]有两种模型,一种是平面螺旋电感,一种是垂直螺旋电感。本文采用的是垂直螺旋电感,以减少器件的尺寸,如图4 所示。电容的模型有交指电容、平板电容等模型。本文采用的是平板电容,优点在于结构简单,方便加工,如图5 所示。

图4 垂直螺旋电感模型图Fig.4 Vertical spiral inductor model

图5 平板电容模型图Fig.5 Flat capacitor model

结合电感和电容模型,以及差分电路,建立起完整的差分滤波器模型,如图6。模型中采用的LTCC材料的相对介电常数为6.8,导体部分选择用银。

图6 LC 电路模型图Fig.6 LC circuit model

对已经建立的模型进行结果仿真。由于差分电路的特性,在电路当中需要通过差分线进行连接,差分线是由两根在基板上平行构建的微带线构成,其阻抗与差分线的线宽、间距以及介质材料等因素有关。其工作原理为:两条微带线传输的信号之间的相位相差了180°,而经过两根微带线所产生的无用信号是一致的,将通过两根微带线后信号相减,就在消除误差信号的同时得到了两倍的有用信号。在HFSS 中进行建模时,需要得到阻抗为100 Ω 的差分线,可以利用si9000 软件进行计算。选择其中的Edge-Coupled Embedded Microstrip 1B2A,填入相应的内容后,通过更改参数,得到阻抗为100 Ω 时的物理参数,再进行建模。最终得到的整体仿真模型如图7 所示。整体的仿真结果如图8。图9 给出的是单端LC 滤波器的三维仿真结果。

图7 仿真整体模型图Fig.7 Simulation overall model

经过图8 和图9 的对比,不难发现在不影响差模信号的前提下,该差分滤波器对共模信号有了一个大于15 dB 的抑制效果。证实了将单端电路转换为差分电路确实是一种设计差分滤波器的方式。

图8 差分滤波器仿真结果Fig.8 Differential filter simulation result

图9 单端滤波器仿真结果Fig.9 Single-ended filter simulation results

2 结论

本文通过将单端LC 滤波器转化为具有对称结构差分滤波器的方式,设计了一款低通的差分滤波器,再通过仿真与变化前后的结果进行对比,证明了该方式确实能够在不影响滤波效果的前提下,对通带范围内的共模信号进行抑制,为差分滤波器的设计提供了一个切实可行的办法。相比较于其他的差分滤波器,本文给出的滤波器具有体积小、结构简单、易于加工等优点,采用的LTCC 技术方便大规模的生产和使用,而且能够延长器件的寿命,增加器件的可靠性。