第五章 寬頻帶通濾波器
5.2 多層寬頻帶通濾波器設計
5.2.1 型式 A 帶通濾波器
型式 A 帶通濾波器:美磊製程
吾人利用前述 2GHz 耦合型高通濾波器與 5GHz 耦合型低通濾波 器，整合為一通帶為2GHz~ 5GHz的寬頻帶濾波器。在高通濾波器方面 整合時針對第四章所提到電感接地問題，吾人在佈局時有做細部修改，
三維立體佈局圖如下圖 5.1 所示。整體電路尺寸為200 80 27.06mil× × 3。
圖 5.1 型式 A 寬頻帶通濾波器三維立體佈局圖
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 68
圖 5.2 為 型 式 A 寬 頻 帶 通 濾 波 器 電 磁 模 擬 結 果 ， 在 通 帶 2GHz~ 5GHz 內植入損失小於1.5dB ，返回損失大於14.9dB 。在高頻通 帶外5.969GHz~ 11.46GHz間可提供30dB以上衰減量，雖然在對地電感 做了部份的修正，使得此帶通濾波器在頻帶內表現還算優異，但在低頻 帶通帶外原本預期的頻率響應特性卻消失了，吾人推測這是對地電感處 理不佳所致，吾人將在型式 B 與型式 C 寬頻帶通濾波器設計時，吸取 經驗加以改善。
EM simulation
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-60 -40 -20 0
S11
S21
圖 5.2 型式 A 帶通濾波器 EM 模擬結果
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 69
圖 5.3 為量測結果，因為燒結時體積的收縮所致，整個通帶略微往 高頻漂移，頻寬較模擬結果寬。在通帶 2.07GHz~ 5.1GHz 植入損失小於 1.5dB，返回損失大於13.5dB。在通帶外6.34GHz~ 11.38GHz可提供30dB 衰減量。整體來說量測與電磁模擬結果十分近似。
Measurement vs. EM
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-60 -40 -20 0
EM
Measurement
S
21S
11圖 5.3 型式 A 帶通濾波器量測結果
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 70
對一寬頻帶通濾波器而言，通帶內的群延遲量亦是一個相當重要參 數，其定義如下所示：
S21
Group delay: =τ
ω
− ∂∠
∂
下圖 5.4 為量測所得的群延遲量響應。在通帶2GHz~ 5GHz內小於1ns。 最後吾人將量測與電磁模擬結果整理於下表 5.1。圖 5.5 為型式 A 寬頻 濾波器最後成品上拍圖。
BPF 2~5GHz Group delay
Frequency(GHz)
2 3 4 5
G ro u p D e la y (n s )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
圖 5.4 型式 A 帶通濾波器群延遲量(Group delay)量測結果
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 71
EM 模擬結果 量測結果
頻率範圍 2GHz~ 5GHz 2.07GHz~ 5.1GHz 植入損耗 <1.5dB <1.5dB 返回損失 >14.9dB >13.5dB 高通帶外抑制頻帶
（衰減量 30dB> ） 5.969GHz~ 11.46GHz 6.34GHz~ 11.38GHz Group delay <1ns
尺寸 200 80 27.06mil× × 3 表 5.1 型式 A 濾波器模擬及量測結果比較表
圖 5.5 型式 A 寬頻濾波器最後成品上拍圖 200mil
80mil
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5.2.3型式B帶通濾波器
型式 B 帶通濾波器:工研院製程
在完成型式 A 帶通濾波器後，吾人將製作一符合 UWB 規格之寬頻 帶通濾波器，其通帶頻率為 3.1GHz~ 4.9GHz ，並希望吸取先前設計經 驗，在通帶外傳輸零點特性能更加顯著。下圖 5.6 為型式 B 寬頻帶通濾 波器三維立體佈局圖，電路右半部為第三章所展示型式 B 低通濾波器，
右半部為第四章所展示型式 B 高通濾波器，由於之前設計時以先考慮連 接阜位置，在合併時只需做細部電路微調，便可得到預期頻率響應。型 式 B 帶通濾波器整體電路尺寸為256 100 38.94mil× × 。
圖 5.6 型式 B 帶通濾波器三維立體佈局圖
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下圖 5.7(a)為電磁模擬結果，圖 5.7(b)將形式 B 帶通濾波器與之前 已設計的型式 B 低通濾波器與型式 B 高通濾波器比較，可發現在傳輸 零點部份除了在第三個零點有頻漂現象，其於零點位置大致符合當初設 計。在低頻通帶外產生兩個零點，分別為1.2GHz 與 2.6GHz ，在高頻通 帶外有四個傳輸零點，分別座落於5.95GHz，7.55GHz，9.15GHz 與 11.3GHz 。在通帶內 3.1GHz~ 4.9GHz 植入損失小於1.8dB ，返回損耗大 於15dB，在高頻通帶外5.73GHz~ 12GHz可提供30dB的衰減量。
EM simulation
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-80 -60 -40 -20 0
S11 S21
圖 5.7(a) 型式 B 帶通濾波器電磁模擬結果
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 74
EM comparion
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12
|S
21| (d B )
-80 -60 -40 -20 0
Lowpass Filter Highpass Filter Bandpass Filter
圖 5.7(b) 型式 B 帶通濾波器與高、低通濾波器電磁模擬比較
圖 5.8 為型式 B 寬頻帶通濾波器量測結果，在通帶 3.1GHz~ 4.9GHz 內 植入損耗皆小於1.5dB，而返回損失皆大於11.5dB，本電路略為有往高 頻漂移現象，若是觀察 3.137GHz~ 4.91GHz 返回損失大於15dB 以上。在 低通帶外產生了兩個傳輸零點，第一個傳輸零點與電磁模擬結果吻合，
零點位於1.2GHz 處，第二個傳輸零點則略為往高頻漂移，第二個零點位 於2.671GHz與電磁模擬時的2.6GHz十分接近，在DC~ 1.546GHz可提 供 30dB 以上衰減量。在高通帶外有ㄧ較明顯傳出零點位於 6.025GHz 與
電磁模擬5.95GHz亦相去不遠。至於原本電磁模擬中高頻第二個與第三
個傳輸零點，吾人推測由於零點產生機制是利用耦合方式實現，再第三 章型式Ｂ低通濾波器層探討過因製程陶燒後電路的收縮，使的兩個零點 過於接近而無法突顯各別零點。至於模擬中第四個高頻零點則飄移到
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 75
12.58GHz與電磁模擬中的11.3GHz差距較大；雖然在高通帶與模擬略有
不同，但在 5.788GHz~ 12GHz 可以提供 30dB 以上衰減量，與當初電磁 模擬5.73GHz~ 12GHz可提供30dB以上衰減量的目標也相去不遠。型式 B 濾波器由於是由工研院製程實現，電路面積較大，燒結後即是電路尺 寸略有收縮，但相對面積變化率比型式 A 帶通濾波器的美磊製程來的 小，因此頻寬部份實際量測結果與模擬結果十分近似，沒有型式 A 帶通 濾波器頻寬延展的現象發生。
S
21S
11Measurement vs. EM
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-80 -60 -40 -20 0
EM
Measurement
圖 5.8 型式 B 帶通濾波器量測結果
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 76
圖 5.9 為群延遲率的量測結果，在通帶3.1GHz~ 4.9GHz內群延遲率皆小 於 0.87ns。最後將型式 B 寬頻帶通濾波器量測與模擬的結果比較整理於 表 5.2 中，而圖 5.10 為型式 B 寬頻帶通濾波器最後成品上拍俯視圖。
UWB BPF Group delay
Frequency (GHz)
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
G ro u p D e la y ( n s )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
圖 5.9 型式 B 帶通濾波器群延遲量(Group delay)量測
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EM 模擬結果 量測結果
頻率範圍 3.1GHz~ 4.9GHz 3.137GHz~ 4.91GHz 植入損耗 <1.8dB <1.5dB 返回損失 >15dB >15dB
低通帶外傳輸零點高 1.2GHz 2.6GHz
1.2GHz 2.671GHz
高通帶外傳輸零點
5.95GHz
7.55GHz 9.15GHz
11.3GHz
6.025GHz
8.255GHz 12.58GHz
通帶外抑制頻帶
衰減量 30dB> 5.73GHz~ 12GHz 5.788GHz~ 12GHz Group delay <0.87ns
尺寸 256 100 38.94mil× × 表 5.2 型式 B 濾波器模擬及量測結果比較表
圖 5.10 型式 B 寬頻帶通濾波器成品上拍俯視圖
256mil
100mil
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5.2.2型式C帶通濾波器
型式 C 帶通濾波器:美磊製程
吾人在完成型式 A 與型式 B 濾波器後，在相同製程嘗試實現更寬 頻帶濾波器，設定帶通頻率為 2GHz~ 7GHz ，下圖 5.11 為型式 C 帶通 濾波器三維立體佈局圖，在此濾波器中吾人針對高通濾波器三個接地電 感部分特別做了改善，如圖標記部分，在設計時就已將後其需額外增加 處理部分考慮進去，因此在低頻通帶外表現較符合預期，出現了兩個傳 輸零點，本電路中高通濾波器在此製程的上面九層完成，為了減小對地 電容影響，在高通濾波器的
L 與接地面 1 間隔了四層基板，而低通濾波0
器則利用接地面 1 與接地面 2 間的七層基板中實現。未來研究延伸方向 是如何將高通濾波器堆疊在低通濾波器的正上方，如此可再降低整體電 路尺寸，但要面臨的是重新考慮個別 I/O port 的輸出位置，以及各元件 間更複雜的耦合效應，在此因為時間關係，學生先以圖 5.11 形式實現。
型式 C 帶通濾波器整體電路尺寸為190 80 27.06mil× × 3。
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圖 5.11 型式 C 帶通濾波器三維立體佈局圖
圖 5.12 為電磁模擬結果，在低頻通帶外出現了預期的兩個零點，分 別位於 0.7GHz 與1.55GHz ，在通帶 2GHz~ 7.1GHz 植入損失小於1dB ， 返回損失大於12dB。在高頻通帶外9GHz~ 15GHz可提供24dB的衰減 量。
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 80
EM simulation
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-60 -40 -20 0
S11 S21
圖 5.12 型式 C 帶通濾波器 EM 模擬結果
圖 5.13 為量測結果，整個通帶同樣有向高頻漂移現象發生，頻寬較模擬 結果寬，在通帶2.19GHz~ 7.1GHz植入損失小於1dB，返回損失大於 11dB 。在低頻通帶外 0.7GHz 與1.715GHz 有兩個傳輸零點。在高頻通帶 外9.61GHz~ 15GHz可提供29dB衰減量。圖 5.14 為型式 C 濾波器量測 所得的群延遲量，在通帶 2GHz~ 7GHz 小於1.1ns 。吾人將量測與模擬 結果比較整理於表 5.3 中。5.15 為型式 C 寬頻濾波器最後成品上拍圖。
中正大學 e-Thesys(94 學年度) 81
Measurement vs. EM
Frequency (GHz)
0 2 4 6 8 10 12 14
M a g n it u d e ( d B )
-80 -60 -40 -20 0
EM
Measurment S21
S11
圖 5.13 型式 C 帶通濾波器量測結果
BPF 2~7GHz Group delay
Frequency(GHz)
2 4 6 8
G ro u p D e la y (n s )
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
圖 5.14 型式 C 帶通濾波器群延遲量(Group delay)量測
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EM 模擬結果 量測結果
頻率範圍 2GHz~ 7.1GHz 2.19GHz~ 7.1GHz
植入損耗 <1dB <1dB
返回損失 >12dB >11dB 高通帶外抑制頻帶 9GHz~ 15GHz 9.61GHz~ 15GHz
衰減量 >24dB >29dB
低通帶外傳輸零點 0.7GHz 1.55GHz
0.7GHz 1.715GHz
Group delay <1.1ns 尺寸 190 80 27.06mil× × 3
表 5.3 型式 C 濾波器模擬及量測結果比較表
圖 5.15 型式 C 寬頻濾波器最後成品上拍圖 190mil
80mil