Унифицированные полосовые LC-фильтры, выполненные по интегральной технологии

Основными тенденциями развития компонентной базы, в том числе устройств частотной селекции сигналов, являются улучшение их электрических и эксплуатационных параметров, повышение технологичности и унификации габаритных размеров. Поэтому и в нашей стране, и за рубежом всё большее распространение получают интегральные фильтры, выполненные по технологии низкотемпературной керамики (LTCC) на базе трёхмерных структур со встроенными компонентами, обладающими высокой избирательностью и надёжностью, а также малыми потерями в полосе пропускания и габаритами.

Подобные фильтры, как правило, находят применение в диапазоне частот свыше 1000 МГц. При этом, в зависимости от предъявляемых требований, встроенные элементы могут быть выполнены с сосредоточенными, квазисосредоточенными или распределёнными параметрами [1]. В наибольшей степени для унификации подходят интегральные фильтры на распределённых элементах, позволяющие за счёт выбора типа резонаторов и связей между ними реализовывать в одних и тех же габаритных размерах миниатюрные устройства частотной селекции сигналов в широком диапазоне частот. Так, например, компаниями Mini Circuits, Murata, Syfer и некоторыми другими выпускаются выполненные по технологии LTCC интегральные фильтры на частоты до 8000 МГц с размерами 3,2 × 1,6 × 1,0 мм.

Интегральные фильтры на сосредоточенных элементах позволяют расширить нижнюю границу диапазона рабочих частот, избежать паразитных полос пропускания на кратных частотах и в ряде случаев упростить реализацию заданных частотных характеристик. Однако их миниатюризация и унификация габаритных размеров представляют собой более трудную задачу. Это обусловлено технологическими особенностями низкотемпературной керамики, в частности невысокой ди-электрической проницаемостью и ограниченной номенклатурой толщины керамических листов, не позволяющих реализовать миниатюрные конденсаторы большой ёмкости. Кроме того, реализация интегральных LC-фильтров возможна с ограниченным числом схемотехнических решений [1, 2].

Как было показано в диссертации Т.С. Хроленко [2], наиболее подходящими для создания миниатюрных интегральных полосовых LC-фильтров являются схемы, удовлетворяющие следующим критериям:

Из всего разнообразия схем фильт-ров в наибольшей степени этим требованиям соответствует топология на основе параллельных контуров и топология, преобразованная на последовательных контурах с ёмкостной связью (см. рис. 1а и 1б соответственно). Расчёт элементов этих схем может быть проведён на основе известных методик, изложенных, например, в Справочнике по расчёту фильтров [3].

Как показали исследования Т.С. Хроленко [2], использование стековых структур при проектировании миниатюрных интегральных LC-фильтров позволяет уменьшить их линейные размеры. На рисунках 2а и 2б изображены варианты исполнения стековой катушки индуктивности и стекового конденсатора, соответственно.

В этом случае, приближённые номиналы катушки индуктивности и конденсатора рассчитываются по формулам [4]:

где L₁, L₂ – индуктивности, k – коэффициент связи между ними, e – диэлек-трическая проницаемость материала, S – площадь обкладок конденсатора, d – расстояние между обкладками, n – количество обкладок.

Очевидно, что для минимизации геометрических размеров интегрального конденсатора необходимо использовать керамику малой толщины с высокой диэлектрической проницаемостью. Кроме того, для уменьшения потерь в полосе пропускания керамика должна обладать малым тангенсом угла диэлектрических потерь. В наибольшей степени этим требованиям отвечает материал Green Tape 951 фирмы DuPont, имеющий диэлектрическую проницаемость 7,8 и толщину после обжига от 36 до 216 мкм [1].

Макет интегрального полосового LC-фильтра третьего порядка с цент-ральной частотой 900 МГц и полосой пропускания 200 МГц был выполнен в 10 слоях керамики Green Tape 951 с габаритными размерами 12 × 6 × 1 мм (см. рис. 3). Конструкцию фильтра образуют квадратные стековые катушки индуктивности и стековые конденсаторы. Результаты измерений (см. рис. 4) показали, что предложенные схемные и конструктивные решения обеспечивают вносимые потери в полосе пропускания не более 3 дБ, затухание в полосе задерживания – не менее 30 дБ и отсутствие паразитных полос пропускания вплоть до утроенной цент-ральной частоты.

Дальнейшие исследования, направленные на минимизацию и унификацию габаритных размеров фильтров, подтвердили, что применение выбранных схем, конструкций интегральных элементов и керамики Green Tape 951 позволяет реализовать интегральные полосовые LC-фильтры второго, третьего и более высоких порядков в диапазоне частот 150…3000 МГц с относительными полосами пропускания 10…70% и уровнем гарантированного затухания в полосе задерживания 20…40 дБ в виде унифицированного ряда в габаритных размерах 7,0 × 5,0 × 2,8 мм.

В качестве примера на рисунке 5а приведена конструкция интегрального полосового LC-фильтра с цент-ральной частотой 1840 МГц и полосой пропускания 200 МГц, выполненного на основе преобразованной схемы на последовательных контурах с ёмкостной связью в 20 слоях керамики Green Tape 951. Внешний вид фильтра показан на рисунке 5б. Использование высокодобротных конструкций катушек индуктивности в виде стековой круглой спирали, предложенных в работе Т.С. Хроленко [2], а также дополнительного внутреннего экрана позволило не только уменьшить габаритные размеры фильтра до 7,0 × 5,0 × 2,8 мм, но и снизить потери в полосе пропускания до 2 дБ при более узкой относительной ширине полосы пропускания. На рисунке 6 представлена расчётная АЧХ фильтра.

Заключение

Совместное решение схемотехнических, конструктивных и технологических вопросов подтвердило возможность реализации унифицированного ряда миниатюрных интегральных полосовых LC-фильтров второго, третьего и более высоких порядков в диапазоне частот от 150 МГц до 3 ГГц, с относительными полосами пропускания 10…70% и уровнем гарантированного затухания в полосе задерживания 20…40 дБ в габаритных размерах 7,0 × 5,0 × 2,8 мм.

Литература

1. Вендик И.Б., Холодняк Д.В., Симин А.В. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. Компоненты и технологии. 2005. Вып. 5. С. 190–196.
2. Хроленко Т.С. Интегральные LC-фильтры ВЧ и СВЧ диапазонов на основе современных материалов. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. Омск. 2013.
3. Ханзел Г. Е. Справочник по расчёту фильтров. Советское радио. 1974.
4. Bahl Inder. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits. Artech House. 2003.