NI AWR仿真软件助力南理工学生设计性能优越的带通滤波器

学校简介

创立于1992年10月，南京理工大学(NUST) 设有电子工程，光学工程，光电技术，检测与控制工程等学院。南京理工大学同时拥有电工电子教学实验中心、无线传感网技术研究中心、江苏省光谱成像与智能感知重点实验室。随着全球信息化和信息时代的到来，南京理工大学取得了前所未有的快速发展和成长。

设计挑战

带通滤波器（BPF）是许多现代系统级封装（SiP）应用中的基本组件。同时也是超外差接收机中体积最大的组件之一。 由于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的垂直整合能力，它可以在非常低的频率（小于200MHz）用来实现BPF的小型化。尽管如此，采用LTCC技术的BPF在MHz频率段并不常见，因为波长过大将对缩减尺寸形成挑战。体声波（BAW）滤波器 由于尺寸小，在低频占有重要位置；然而，它们却具有较高的插入损耗和群延迟，同时也需要额外的电容器和电感器用于阻抗匹配。

因为BPF需要非常大的谐振器电容和电感 ，我们面临的挑战是如何让BPF在MHz频率工作。 通过采用垂直交指型电容器（VIC），在非常低频的情况下，不仅能够具有大的电容，同时可以减少过滤器的尺寸。目前，增强VIC电容的一种方法是增加指叉的大小或数量。然而，增加指叉的尺寸对于缩减滤波器的尺寸不仅毫无助益，而且会导致多余的谐振或杂散尖峰，限制了可使用的频带，如图1（a）所示。

图1：(a) 传统VIC的典型S参数。 （b）拟建的BPF的电路拓扑。

解决方案

南京理工大学的学生着手设计小型化集总元件的10层LTCC 带通滤波器，在60MHz为中心频率引入了两个传输零点（图2）。

图2：(a) 顶视图。（b）拟建的BPF照片

通过使用垂直过孔将间隔指叉的开口端相连结，可以同时达到VIC电容增量和杂散尖峰抑制。由论文可知，的尺寸为世界上最小，只有0.004 x0.004 x0.0004 λ_g。

由于缩减尺寸是这项工作的主要挑战，第一步是要选择一个只有少数元件的电路拓扑。这个BPF设计首先以60MHz为中心频率、带宽为15MHz。接着选择一个众所周知具有八个元件的电路模型，如图1（b）所示。电容器C₃ 在输入和输出端口之间产生的反馈路径，可提供选择性；并且分别在34和88MHz有两个传输零点。C₁和C₂分别配置相同的值和版图，以减少优化参数。然后采用Microwave Office 电路设计软件的优化功能来提取相应的元件值。

拟建的BPF的初始物理版图十分容易设置。然而，考虑到元件之间的寄生和相互耦合效应，必须进行微调。最后使用AXIEM 3D平面电磁（EM）仿真完成整个BPF的版图。

所得仿真结果和测量结果有很好的一致性，如图3所示。

图3：使用GSG探针测量，BPF仿真和测量的结果。

这个设计的中心频率为60MHz，基于15dB的回波损耗的带宽为15MHz。两个有限零点均位于规定的位置。 值得注意的是，测得的1.95dB的通带插入损耗高于预期，这是由于顶部金属层的表面粗糙度较高，导致更高的电阻损耗。

为何选用NI AWR Design Environment

Microwave Office 提供了一个易于使用的界面和内置的流程定义工具，使我们能够有效地为LTCC设计中的垂直多层交指电容器和多层螺旋电感器构建模型 。AXIEM使我们能够轻松地调整、扫描并优化电容器和电感器的值。