微型蓝牙LTCC平衡滤波器的设计与研究
第32卷 第6期 2012年12月
固体电子学研究与进展
RESEARCH &PROGRESS OF SSE
V ol. 32, N o. 6Dec. , 2012
射频与微波
微型蓝牙LTCC 平衡滤波器的设计与研究
戴永胜 冯 媛 尹洪浩
(南京理工大学电子工程与光电技术学院, 南京, 210094)
2012-05-28收稿, 2012-06-29收改稿
摘要:提出一种基于低温共烧陶瓷(L T CC) 技术实现的小型化平衡滤波器。该平衡滤波器频率范围为2. 4～2. 5GHz, 可广泛应用于蓝牙通讯系统。在设计时利用垂直通孔互连工艺技术将滤波器和巴伦进行互连, 并且集成在一个模块中, 其中, 蓝牙滤波器的设计采用半集总结构, M archand 巴伦采用独特的螺旋线宽边耦合带状线结构(SBCS ) , 极大地缩小了巴伦尺寸。实现了具有阻抗变换功能的蓝牙波段微型平衡滤波器, 其尺寸仅为2. 5mm ×2. 0mm ×1. 2m m 。测试结果表明, 该平衡滤波器带内差损小于1. 8dB, 相位不平衡度小于±6°, 均满足设计指标要求。
关键词:平衡滤波器; 低温共烧陶瓷; 蓝牙; 阻抗转换
中图分类号:T N 713 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2012) 06-0556-05
Design and Research of a Miniaturized LTCC Balance Filter
for Bluetooth Application
DA I Yongsheng FENG Yuan YIN Honghao
(School of Electr onic E ngineering and Op toelectronic T echnology , N US T , N anj ing , 210094, CH N )
Abstract :T his paper presents a miniaturized balance filter based o n lo w temper ature co -fired ceramic (LTCC). Its fr equency range is 2. 4～2. 5GHz, and can be w idely applied to bluetoo th co mmunication . Balun and filter are integr ate as a w hole in a single m odule by the vertical thr oug h -ho le inter connect pro cess techno logy . T he blueto oth filter is desig ned by sem i -lumped structure, and the M archand balun is realized w ith spiral boardside coupling str ipline (SBCS ) w hich co ntributes dram atically to the r eductio n of the dimension. A m iniaturized bluetooth band balance filter w ith the impedance transfo rmation function have been achieved , as the size is only 2. 5m m ×2. 0mm ×1. 2mm. Measurement results sho w that the balance filter insertion loss is less than 1. 8dB and phase differ ence is no more than ±6°, w hich meet desig n requirements.
Key words :balance filter ; low temperature co -f ired ceramic (LTCC ) ; bluetooth ; impedance transfer
EEACC :1270
于其固有的特性, 在系统中占有的体积较大, 而采用
引 言
射频无源器件是射频模块中重要组成部分, 由
平面集成技术缩小的体积远不能满足工程需求。先进的LT CC(低温共烧陶瓷) 技术采用多层立体三维集成技术, 使射频无源器件小型化、高性能、低成本
973(; (
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[1-2]
戴永胜等:微型蓝牙L T CC 平衡滤波器的设计与研究
表1 平衡滤波器指标要求
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成为可能。微波平衡滤波器在现代无线通信系统中是非常重要的器件, 在许多无线通信应用中, 例如无线局域网、蓝牙、WiM AX 以及LNB(低噪声下变频器) 等, 平衡滤波电路被广泛应用于射频前端模块。
采用LT CC 多层工艺设计的平衡滤波器, 集成滤波器和巴伦的功能, 其尺寸远小于单个片式巴伦和芯片滤波器的尺寸总和。因此, 微型LT CC 平衡滤波器开始受到人们越来越多的关注和研究。
文中研究的微型蓝牙LTCC 平衡滤波器, 内部集成了滤波器和平衡-不平衡变换器(balun) 及阻抗匹配网络, 如图1所示, 是将图中虚线框内的滤波器和巴伦、阻抗匹配电路集成在一个LTCC 模块中的设计[4], 能够最大限度地利用滤波器和巴伦各自的真正性能, 同时实现阻抗匹配功能。无需在电路板上使用分立元件, 从而减少电路板占用面积和减少数量, 降低总成本。因此, 这种产品被认为能够帮助缩小多种无线通信数据设备的尺寸和提高集成度, 为现
代无线通信系统的应用提供更有效的技术保障。
[3]
Tab . 1 Proj ect Requirements of the balance filter Band widt h /GHz Insert ion loss/dB V S W R
U nbalance po rt impedance/ Ba lance po rt impedance /
A ttenuation /dB ) P hase differ ence /(°
2. 4～2. 5≤2. 0
≤2. 050
100(50+50) ≥35(880～960M Hz ) ≥30(1710～1910M Hz ) ≥20(4800～5000M Hz )
180±10
信号。一方面可以起到阻抗变换的作用, 另一方面两个输出有180°的相位差, 即等效为一个具有幅度相同, 输出相位反相的功分器, 可有效减小两路间的互耦和干扰。
M archand 巴伦由于有较好的输出等幅值和输出180°相移, 制作容易而且能实现宽频特性, 所以被广泛地应用于微波和毫米波电路中。Marchand 巴伦主要由两段四分之一波长的耦合线组成。能量从不平衡端口输入, 两段四分之一波长短路线从半波长开路线上耦合得到能量, 从而在两个平衡输出端口得到幅值相同、相位相差180°的输出能量。其电路结构如图2所示。
图1 具有平衡信号射频前端模块图
Fig. 1 R F fr ont-end blo ck diag ra m with ba lanced sig nal
图2 M archand 巴伦等效电路Fig. 2 M archand Balun equivalent circuit
1 平衡滤波器设计
1. 1 指标要求
平衡滤波器由巴伦和滤波器级联组合而成。要设计好一个平衡滤波器, 首先要分别设计构成该平衡滤波器的巴伦和滤波器, 然后再解决好平衡滤波器中这两个元器件之间的互连问题。文中设计的平衡滤波器指标如表1所示。1. 2 巴伦设计[5]
Balun (Balance-unbalance ) , 是平衡-不平衡变
换器的简称, 英文音译为巴伦, 通常用于射频(RF ) 电路中的差分电路结构。它是一种从单端不平衡电
路到双端平衡电路的信号转换装置, 实质是把一个设计M archand 巴伦时, 首先利用ADS 软件进行路级仿真, 为三维结构设计提供初值。输入端和输出端阻抗在固定的前提下, 耦合线长度四分之一波长已经由中心频率确定, 所以设计重点在于选取两段耦合线的间距和线宽, 也就是耦合线的耦合量。依据文献[6]奇偶模阻抗计算方法, 得到耦合线初值, 然后可以利用ADS 的目标优化功能, 给定元件参数优化初值和优化范围, 设置要达到的目标, 采用随机或者梯度优化方式, 得到最优的性能曲线, 从而确定宽边耦合带状线的长、宽、层间距。
文中三维设计的Marchand 巴伦选用螺旋宽边耦合带状线(Spiral bro adside coupled stripline ) , 简称SBCS 。带状线采用螺旋盘绕、上下耦合的方式, 可
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三维结构和每层之间的互连原理如图3
所示。
电容C r 并联组成。
该蓝牙滤波器是采用半集总结构设计的, 在结构上有多个创新点。从滤波器并联谐振单元(如图5) 中可以看出, 谐振级的大电容C r 采用VIC 电容, 这种上下结构大大减小了横向尺寸, 而耦合电容则充分利用了平板的复用性, 很有效地缩小了滤波器的体积。谐振级中并联电感的实现非常的巧妙, 是该滤波器设计中的一个亮点。电感与电容的连接没有采用传统的用带状线连接的方式, 而是在电容上挖孔, 利用金属通孔来连接, 这里也充分利用了通孔的
图3 M archand 巴伦三维结构实现原理图F ig. 3 M ar chand Balun t hr ee-dimensio nal
st ructure schematic
感性。但通孔电感的有效值不能达到所需电感值, 结构中增加了一段曲折带状线接上金属通孔。实际电感L r 的实现包括了金属通孔及带状线的叠加值。
1. 3 滤波器设计[7]
在设计中, 根据带状线电感的经验公式(1) 计算初电感各个参数的初值, 便于建立LTCC 的三维模型。
+0. 5+(1)
w +d 3l
其中l 为电感的总长度, w 为电感的线宽, d 为电感
L s =2l ln
线的厚度。
电容的实现方式就是基于传统的平板电容原理, 电容的大小可以根据式(2) 计算出, 其中S 为金属板的面积, d 为金属板间的距离, r 为陶瓷的相对介电常数。
C =
0r d
(2)
图5 滤波器并联谐振单元F ig. 5 Filter parallel r esonant unit
2 L T CC 平衡滤波器三维实现
平衡滤波器的整体结构中包括两个器件:滤波器和巴伦。文中设计的平衡滤波器采用上下结构来放置巴伦和滤波器, 在中间引入屏蔽层, 不仅解决了两个器件之间的干扰问题, 提高隔离度, 而且更有效地利用了Z 方向的空间。垂直安排两个器件能够有效减缩LTCC 模块尺寸, 两个器件采用垂直通孔互连技术, 通孔穿过中间挖孔的屏蔽层, 将上下两部分串联起来。在没有增加额外匹配网络的情况下, 通过调节通孔的特性参数便能使平衡滤波器的两个器件匹配良好。
将巴伦和滤波器垂直放置的最终三维模型如图6所示。其中, 上半部分放置蓝牙滤波器, 下半部分放置M archand 巴伦, 中间用屏蔽层隔开以降低相互间的耦合, 两者连接的方法采用垂直通孔互连。由于通孔对插损和反射损耗都有一定的影响, 故在部分结构仿真时要考虑到通孔的影响, 需要将其结合在一起进行仿真。滤波器的输出端口接到巴伦的不平
在设计蓝牙滤波器时, 考虑到对体积要求较高, 选取两阶耦合谐振带通滤波器原型作为该蓝牙滤波器的电路。由于蓝牙频段和PCS 以及GSM 频段非常接近, 低端很容易受这两个频段的影响, 故蓝牙滤波器对低阻带的要求很高, 这里通过加传输零点增大低阻带的衰减。该蓝牙滤波器的电路原理图如图4所示, 其中电容C 01、C
12、C 23表征谐振级间的电耦合, L 12表征谐振级间的磁耦合, 谐振级由电感L r 和
图4 蓝牙滤波器原理图
. 衡输入端口, 且具有相同的阻抗50 , 所以它们的连
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阻带几乎没有影响。
3 仿真测试结果
该平衡滤波器采用介电常数为9. 2, 损耗角正切值为0. 001的LT CC 原材料制作而成。设计的产品外形尺寸及焊盘图如图7所示, 滤波器外形长、宽、高尺寸仅为2. 5m m ×2. 0mm ×1. 2m m 。
图8给出了平衡滤波器的电路仿真结果与测试
图6 L T CC 平衡滤波器三维模型图F ig. 6 3-D model of the L T CC bala nce filter
在平衡滤波器设计时, 为了在高端产生一个零点, 改善高端的抑制, 在滤波器中加了一层T 字型的金属图形和一小段微带线, 实现了串联接地谐振级。高端的零点可以通过改变T 字型的位置来调整, 同时调整T 字型的位置对通带内的波形及低端
结果的比较曲线, 从图中可以看出两者基本一致。测试结果如下:带内差损值小于1. 8dB, 驻波比小于1. 5, 带外抑制大于38dB(880～960M Hz) 、32dB (1710～1910MHz) 、26dB (4800～5000MHz) , 相位不平衡度小于±6°, 均满足用户指标要求, 且设计和测试结果吻合较好。
平衡滤波器的各个测试指标基本符合设计值, 但仍然有些差距。这主要是由于LTCC 工艺造成
图7 加工外形尺寸及焊盘图
F ig. 7 P ro cessing dimensions and pad figur
e
图8 平衡滤波器仿真、测试结果图:(a ) S 参数; (b ) 相位差
F ig. 8 Simula tio n and measur ement r esults of balance filter :(a) S paramet er; (b) P hase differ ence
的, 在图形印刷、等静压和烧结的步骤中都会产生实
际值和设计值之间的误差, 因此保证LT CC 工艺的稳定性和一致性以及提高工艺精度是制作合格器件4 结 论
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固 体 电 子 学 研 究 与 进 展32卷
波器, 通过将滤波器和巴伦集成在一个陶瓷模块内, 能够最大程度地利用滤波器和巴伦各自的特性。文中设计制作的平衡滤波器尺寸大小仅为2. 5mm ×2. 0mm ×1. 2mm , 其实测结果与仿真结果基本吻合, 该系列的LT CC 滤波器体积小、重量轻、安装方便, 在RF 无线通信和雷达系统中有广泛的应用前景。
参
考
文
献
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戴永胜(D AI Yo ng sheng ) 男, 1956年生, 南京理工大学电磁场与微波技术专业, 副研究员, IEEE 高级会员, 主要研究方向为微波毫米波集成电路、微波子系统等。
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Computing
冯 媛(F ENG Yuan) 女, 1989年生, 南京理工大学电子与通信工程专业, 在读硕士研究生, 主要研究方向为射频微波器件设计。
尹洪浩(YI N Ho ng hao ) 男, 1988年生, 南京理工大学通信与信息系统专业, 在读硕士研究生, 主要研究方向为射频微波器件设计。
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薛舫时(XU E Fang shi) 男, 1939年生, 1965年复旦大学半导体理论研究生毕业, 研究员, 从事于微波半导体器件和半导体电子态研究, 近年来关注Ga NHF ET 沟道阱中电子状态与器件性能间的关联。