NI AWR仿真軟件設計性能優(yōu)越的帶通濾波器詳細講解教程

學校簡介

創(chuàng)立于1992年10月，南京理工大學（NUST） 設有電子工程，光學工程，光電技術，檢測與控制工程等學院。南京理工大學同時擁有電工電子教學實驗中心、無線傳感網技術研究中心、江蘇省光譜成像與智能感 知重點實驗室。隨著全球信息化和信息時代的到來，南京理工大學取得了前所未有的快速發(fā)展和成長。

設計挑戰(zhàn)

帶通濾波器（BPF）是許多現代系統(tǒng)級封裝（SiP）應用中的基本組件。同時也是超外差接收機中體積最大的組件之一。 由于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術的垂直整合能力，它可以在非常低的頻率（小于200MHz）用來實現BPF的小型化。盡管如此，采用LTCC技術的 BPF在MHz頻率段并不常見，因為波長過大將對縮減尺寸形成挑戰(zhàn)。體聲波（BAW）濾波器 由于尺寸小，在低頻占有重要位置；然而，它們卻具有較高的插入損耗和群延遲，同時也需要額外的電容器和電感器用于阻抗匹配。

因為BPF需要 非常大的諧振器電容和電感 ，我們面臨的挑戰(zhàn)是如何讓BPF在MHz頻率工作。 通過采用垂直交指型電容器（VIC），在非常低頻的情況下，不僅能夠具有大的電容，同時可以減少過濾器的尺寸。目前，增強VIC電容的一種方法是增加指叉 的大小或數量。然而，增加指叉的尺寸對于縮減濾波器的尺寸不僅毫無助益，而且會導致多余的諧振或雜散尖峰，限制了可使用的頻帶，如圖1（a）所示。

圖1：（a） 傳統(tǒng)VIC的典型S參數。 （b）擬建的BPF的電路拓撲。

解決方案

南京理工大學的學生著手設計小型化集總元件的10層LTCC 帶通濾波器，在60MHz為中心頻率引入了兩個傳輸零點（圖2）。

圖2：（a） 頂視圖。（b）擬建的BPF照片

通過使用垂直過孔將間隔指叉的開口端相連結，可以同時達到VIC電容增量和雜散尖峰抑制。由論文可知，的尺寸為世界上最小，只有0.004 x0.004 x0.0004 λg。

由于縮減尺寸是這項工作的主要挑戰(zhàn)，第一步是要選擇一個只有少數元件的電路拓撲。這個BPF設計首先以60MHz為中心頻率、帶寬為15MHz。接著選擇一個眾所周知具有八個元件的電路模型，如圖1（b）所示。電容器C3 在輸入和輸出端口之間產生的反饋路徑，可提供選擇性；并且分別在34和88MHz有兩個傳輸零點。C1和C2分別配置相同的值和版圖，以減少優(yōu)化參數。然后采用Microwave Office 電路設計軟件的優(yōu)化功能來提取相應的元件值。

擬建的BPF的初始物理版圖十分容易設置。然而，考慮到元件之間的寄生和相互耦合效應，必須進行微調。最后使用AXIEM 3D平面電磁（EM）仿真完成整個BPF的版圖。所得仿真結果和測量結果有很好的一致性，如圖3所示。

圖3：使用GSG探針測量，BPF仿真和測量的結果。

這個設計的中心頻率為60MHz，基于15dB的回波損耗的帶寬為15MHz。兩個有限零點均位于規(guī)定的位置。 值得注意的是，測得的1.95dB的通帶插入損耗高于預期，這是由于頂部金屬層的表面粗糙度較高，導致更高的電阻損耗。

為何選用NI AWR Design Environment

Microwave Office 提供了一個易于使用的界面和內置的流程定義工具，使我們能夠有效地為LTCC設計中的垂直多層交指電容器和多層螺旋電感器構建模型 。AXIEM使我們能夠輕松地調整、掃描并優(yōu)化電容器和電感器的值。