學(xué)校簡(jiǎn)介

創(chuàng)立于1992年10月，南京理工大學(xué)(NUST) 設(shè)有電子工程，光學(xué)工程，光電技術(shù)，檢測(cè)與控制工程等學(xué)院。南京理工大學(xué)同時(shí)擁有電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究中心、江蘇省光譜成像與智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。隨著全球信息化和信息時(shí)代的到來，南京理工大學(xué)取得了前所未有的快速發(fā)展和成長。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

帶通濾波器（BPF）是許多現(xiàn)代系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）應(yīng)用中的基本組件。同時(shí)也是超外差接收機(jī)中體積最大的組件之一。 由于低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)的垂直整合能力，它可以在非常低的頻率（小于200MHz）用來實(shí)現(xiàn)BPF的小型化。盡管如此，采用LTCC技術(shù)的BPF在MHz頻率段并不常見，因?yàn)椴ㄩL過大將對(duì)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(shí)也需要額外的電容器和電感器用于阻抗匹配。

因?yàn)锽PF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(shí)可以減少過濾器的尺寸。目前，增強(qiáng)VIC電容的一種方法是增加指叉的大小或數(shù)量。然而，增加指叉的尺寸對(duì)于縮減濾波器的尺寸不僅毫無助益，而且會(huì)導(dǎo)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(shù)。 （b）擬建的BPF的電路拓?fù)洹?/p>

解決方案

南京理工大學(xué)的學(xué)生著手設(shè)計(jì)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(gè)傳輸零點(diǎn)（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(jié)，可以同時(shí)達(dá)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 λ_g。

由于縮減尺寸是這項(xiàng)工作的主要挑戰(zhàn)，第一步是要選擇一個(gè)只有少數(shù)元件的電路拓?fù)?。這個(gè)BPF設(shè)計(jì)首先以60MHz為中心頻率、帶寬為15MHz。接著選擇一個(gè)眾所周知具有八個(gè)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(chǎn)生的反饋路徑，可提供選擇性；并且分別在34和88MHz有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)。C₁和C₂分別配置相同的值和版圖，以減少優(yōu)化參數(shù)。然后采用Microwave Office 電路設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化功能來提取相應(yīng)的元件值。

擬建的BPF的初始物理版圖十分容易設(shè)置。然而，考慮到元件之間的寄生和相互耦合效應(yīng)，必須進(jìn)行微調(diào)。最后使用AXIEM 3D平面電磁（EM）仿真完成整個(gè)BPF的版圖。

所得仿真結(jié)果和測(cè)量結(jié)果有很好的一致性，如圖3所示。

圖3：使用GSG探針測(cè)量，BPF仿真和測(cè)量的結(jié)果。

這個(gè)設(shè)計(jì)的中心頻率為60MHz，基于15dB的回波損耗的帶寬為15MHz。兩個(gè)有限零點(diǎn)均位于規(guī)定的位置。 值得注意的是，測(cè)得的1.95dB的通帶插入損耗高于預(yù)期，這是由于頂部金屬層的表面粗糙度較高，導(dǎo)致更高的電阻損耗。

為何選用NI AWR Design Environment

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