第二章 關鍵模組元件之設計與開發
2.3 帶通濾波器(BPF)設計
2.3.1 鎊線對 BPF 的影響
由於一般常用的帶通濾波器(BPF)都是在輸出/輸出端使用電容器當作阻抗轉 換器(Impedance Inverter) [19]-[21]，如圖 2.6(a)為常用三階帶通濾波器，所 模擬的結果在圖 2.6(c)中(實線)。在本篇論文中，由於小型化的需求，利用一個 裸晶片的 switch 黏著於 LTCC 基板表面，因此需要用鎊線的技術來連接 switch 與 內埋式的濾波器。所以在濾波器的設計上就需要考慮到鎊線的效應(1 mm ≒ 1 nH)，圖 2.6(b)為常用的帶通濾波器加上鎊線的電路圖。從圖 3.6(c)(虛線)中可 得知，加上鎊線之後，不僅入射損失(Insertion loss)變大而且通帶上的反射損 失(Return loss)也變差了。
(a)
(b)
(c)
圖 2.6 (a)常用的三階帶通濾波器電路圖 (b)常用的三階帶通濾波器加上鎊線 電路圖 (c)帶通濾波器加鎊線與未加鎊線的模擬結果
2.3.2 電路設計
在我們這篇論文所提出的帶通濾波器(BPF)，主要是利用一個電感器放在輸出 /輸出端(I/O ports)當做阻抗轉換器，取代大部分傳統的帶通濾波器是使用電容 器的架構。而這一個電感器可以利用一個鎊線(類似一個電感器)的方式或是 LTCC 內部內埋式的電路來實現。
圖 2.7 所示，是放在前端天線模組內新設計的帶通濾波器的電路圖。這是一 個三階的帶通濾波器，主要是由一個並聯的LC共振器(由夾心帶線L3，L5和電容C5所 組成)和兩個等效的並聯LC共振器所形成，而這兩個等效的並聯LC共振器又是由兩 個串聯的LC共振器(L1，C3和L2，C4)再加上兩個終端開路的夾心帶線殘段(SL1，SL2) 所組成。在BPF的電路中，串聯的LC共振器(L1，C3和L2，C4)可以提供限定的傳輸 零點在低頻的地方。而在我們設計的通帶上，這兩個串聯的LC共振器的特性又如 同電感器一樣，並且與兩個電容性的夾心帶線SL1和SL2互相並聯，因而產生了兩個 傳輸的極點。此外，這兩個夾心帶線SL1和SL2是兩個不同長度的終端開路殘段，這 是一個四分之一波長(λ/4)的共振器，能夠提供兩個傳輸的零點在高頻的地方(靠 近所操作頻率第二諧波的地方)。還有這個串聯的LC共振器(L5，C5)可以在高頻的 地方提供第三個傳輸零點。
圖 2.7 帶通濾波器的電路圖
在電容C1和C2的方面，是扮演一個導納轉換器(Admittance Inverter)的角 色，可以去控制在LC共振器之間的耦合量，並且和C3及C4一起當作直流去耦合電 容，能夠阻絕在濾波器之前和之後的直流訊號。而在夾心帶線L4表現如同一個阻抗 轉換器(Impedance Inverter)能夠提供外部阻抗與共振器之間的匹配，其電感器L 也扮演一樣的功能。特別的是，這個電感L不是內埋在LTCC內的元件，而是利用一 個外部的鎊線來實現這個電感。這個鎊線可以用來連接BPF和LTCC表面上的裸晶片 (DPDT T/R switch)。電路圖中相關元件的尺寸及數值被詳列在表 2.2 中。
表 2.2 帶通濾波器相關元件的尺寸及數值
Component Value Component Value C1 = C2 (pF) 0.668 L1 = L2 (μm2)
(width × length) 100 × 2220
C3 = C4 (pF) 2.59 L3 (μm2)
(width × length) 152 × 675
C5 (pF) 1.61 L4 (μm2)
(width × length) 100 × 500 SL1 (μm2)
(width × length) 150 × 2272 L5 (μm2)
(width × length) 100 × 198 SL2 (μm2)
(width × length) 150 × 2634 - -
2.3.3 BPF 電磁模擬和量測結果
在帶通濾波器的佈線及模擬作業，我們使用 HFSS 來當作設計的工具。整個帶 通濾波器 3-D 的佈線圖顯示在圖 2.8 當中。總共使用了 14 層的 LTCC 陶瓷基板來 完成帶通濾波器的設計。有兩種不同厚度的 LTCC 陶瓷基板被使用在我們的設計當 中，一個厚度是 0.04 mm，另一個厚度是 0.09 mm。而在帶通濾波器設計上，第一 層和第八層到第十三層全部都是使用 0.09 mm 厚的基板，而剩餘的其他層則是使 用 0.04 mm 薄的基版。這個帶通濾波器被設計在我們的模組 1(Module 1)上，使用 的是杜邦(DuPont) 951 LTCC 的製程和材料，其基板的介電常數是 7.8。而在共同 使用的 FR4 PCB 測試治具上(圖 2.5)，則是選用介電常數是 4.4，損失正切(Loss Tangent)是 0.02，且厚度是 0.8 mm 的板材，可用來量測所製造出來的 LTCC 濾波 器。
圖 2.8 帶通濾波器的 3-D 佈線圖
在圖 2.9 中顯示的是帶通濾波器量測出來的結果，並且同時也將理想電路的 模擬結果以及電磁模擬結果一起顯示在圖中。並且量測出來的數據和電磁模擬出 來的數據大致來說是相符合的，但是在帶通濾波的通帶上只有兩個極點產生，這
是由於 LTCC 的製作過程中內部金屬電路的尺寸不夠精確所致。主要原因是因為陶 瓷材料在燒結後會在長度和寬度產生 10%～15%的收縮而厚度也會稍微的縮小，所 以會使得 LTCC 內部金屬電路的尺寸發生變化，改變電感和電容值，進而影響到了 濾波器的特性。所以在通帶上的反射損失(Return Loss)也同樣的受到了影響。不 過在入射損失(Insertion Loss)方面，從 4.85 GHz 到 6 GHz 的範圍最大不超過 2.31 dB，而在 4.92 GHz 的地方有 1.5 dB 的最小值。同時在高頻的範圍有兩個傳輸零 點，8.92 GHz 和 10.5 GHz，同時提供了 38 dB 的抑制能力。此外，在 1 到 3 GHz 的範圍內也提供了高達 38.7 dB 的抑制能力。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Frequency (GHz) -60
ScatteringParameters (dB)
Ideal Simulation EM Simulation Measurement
S21
S11
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Frequency (GHz) -60
ScatteringParameters (dB)
Ideal Simulation EM Simulation Measurement