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

NIAWR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0.004x0.004x0.0004λg。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MicrowaveOffice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AXIEM3D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NIAWRDesignEnvironmentMicrowaveOffice提供了一个易于使用的界面和内置的流程定义工具