第二章 射頻系統封裝模組各元件設計
2.2 低通濾波器設計
一般而言，濾波器的設計需要符合以下這幾個特點：
1．濾波特性好：即要有低的輸入損耗(insertion loss)、通帶(passband)內要平坦及產 生傳輸零點以抑制其它頻帶不要的訊號
2．成本要低，尺寸要小，結構要簡單。
3．要能對製作時的尺寸誤差有良好的容忍度。
此低通濾波器主要是目的是在於訊號發射的時候，將非線性通訊元件如功率放 大器，混波器等所產生的諧波(harmonic)消除，故除了通道內需儘量平坦且低輸入損 耗外，還要有適當的零點產生在倍頻或是三倍頻處。
2.2.1 低通濾波器設計原理
此低通濾波器是利用一般微波濾波器教科書中常見的的輸入損耗方法(insertion loss)來設計[5]，首先定義功率損耗比值(power loss ratio)如下：
2
Power available from source 1 Power delivered to load 1 ( )
inc
在可以實現的的網路中以等鏈波及最平緩的函數特性(equal-ripple & maximally flat response)或以人名稱之為柴比雪夫(Chebyshev)或巴特沃斯(Butterworth)函數特性為
介電常數為 7.8，介質損耗為 0.004，介質層厚為 39 或 87um。預定設計中心頻率為 2.45GHz，比例頻寬為 10%，並設計傳輸零點在中心頻率的倍頻處，即 4.8GHz，以 降低通訊應用時倍頻訊號的干擾。設計上取階數為五，巴特沃斯特性為通帶內之響 應，則整體電路架構的集總元件電路圖如 2.7。利用 LTCC 來實現集總元件電路時，
電容的設計主要是以兩金屬片的間的距離 d、交錯的有效面積 A 和介電係數來決 定，如下式：
c A d
=
ε
但在 LTCC 結構中，因為要節省體積，整體的佈線相當的緊密，且為了防止外在電 磁波對內部電路的干擾，LTCC 最上層和最下層都會設計為接地面，如此一來，電 路彼此之間及電路和接地面均會產生無法忽視的耦合效應，故一般設計時均將電容 和電感以接地層分開，且電容利用
π
型電路來設計，如圖 2.8[6]。利用將電容內埋 在兩接地金屬層之間可以達到同時設計輸入端和輸出端電容，並且阻絕和其它電路 的影響。利用π
型電路的概念，可以將圖 2.7 的集總電路的電容元件分為 a.b.c 三個 節點，如圖 2.9(a)所示，且因整體的電路是對稱的，所以可以設計完 a 節點到 b 節 點的電路，再鏡射到 b 和 c 節點中即可，相對應在 LTCC 中的電容佈線圖如圖 2.9(b)。電感的設計則是利用傳統的螺旋型電感，由於在一般的電路中，電感的 Q 值往 往決定嚴重影響電路本身的特性，故利用較厚的介質層(87um)來設計電感，並將電 感的佈線層設計離接地層越大越好，以減少電感的對地電容，以提升其 Q 值，降低 電感的損耗[7]。電感的佈線如圖 2.10 所示。整體的佈線圖如圖 2.11 所示。
2.2.3 模擬與量測
模擬的軟體是利用 Ansoft 公司所研發的三維電磁軟體 HFSS，整體 LTCC 的尺 寸大小為 2000um*1250um*860um，電路結構中的接地面和輸入輸出埠均在電路封 裝後，利用側面電極和外部電路作電氣連結，以節省整體電路的體積。模擬的結果
如圖 2.12 所示，設計的中心頻率為 2.4GHz，通帶內最大輸入損耗約為 0.5dB，將傳 輸零點設計於倍頻 4.8GHz，衰減量約為-50dB。
LTCC 實作的照片如圖 2.14 所示，量測其輸入損耗及反射損耗對頻率如圖 2.13 所示，量測的中心頻率是在 2.4GHz，通帶內的最大的輸入損耗約為 0.6dB，比起模 擬的輸入損耗大了約 0.1dB，量測傳輸零點在 4.5GHz 處，衰減量約-39dB，比起模 擬傳輸零點約平移了 270MHz，但量測倍頻 4.9GHz 的衰減量仍然有-29dB，整體量 測的特性和模擬還算吻合。探討其損耗較大的原因應該是側面電極和 FR4 載板的電 氣連結處沒有處理好，而產生多餘的損耗，而傳輸零點平移的原因應是瀘波器的接 地面和 FR4 的接地面連結處所使用的貫孔(via)金屬柱產生類似對地電感的效應，而 使傳輸零點產生平移。