小型化高阻帶抑制聲表面波濾波器組件設計

張 偉,蒲志勇,龔 旭,溫桎茹,楊桃均,呂 翼

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器組件是一種包含多個濾波通道的濾波模組[1-2],一般集成有多顆SAW濾波器、射頻開關等有源器件,通過外部控制碼自由、快速切換射頻開關以實現不同頻段的濾波功能。基于SAW技術的多通道濾波組件已被廣泛應用于通信、對抗、雷達、航空航天等領域[3]。隨著通訊產品的發展,整機用戶對于多通道濾波組件的體積、阻帶抑制等要求也越來越高[4-9]。

本文介紹了一款包含8個濾波通道的SAW濾波器組件,其工作于L波段,-3 dB帶寬大于48 MHz,插入損耗小于7 dB,帶內幅度波動小于1.5 dB,近端阻帶抑制大于70 dBc,組件尺寸僅為18 mm×15 mm×5 mm(不含引針絕緣子)。該SAW濾波器組件可應用于手持、背負等通信終端設備[10]。

1 小型化組件設計

本文介紹了一款工作于L波段的SAW濾波器組件,具體指標參數如表1所示。

表1 組件指標要求

針對上述指標開展設計,組件設計結構如圖1所示。組件設計方案是:通過兩顆濾波器級聯實現高阻帶抑制,將濾波器和射頻開關進行組合,通過控制碼切換開關來實現不同通道的濾波功能。

圖1 組件設計結構框圖

1.1 電路設計

根據標稱頻率、插入損耗、帶外抑制及結構尺寸要求的綜合考慮,采用小型化SMD3030C封裝表貼SAW濾波器、集成開關等元器件,雙面貼裝于一塊多層電路板上,并安裝于金屬腔體內的技術方案。根據圖1進行電路原理圖設計,如圖2所示。

圖2 組件電路設計

本文采用兩級SAW濾波器級聯的方案以滿足阻帶抑制大于70 dBc的要求,將組件指標分解到單顆SAW濾波器,指標分解如下:

1)-3 dB帶寬

該指標主要由SAW濾波器決定,以第一通道的SAW濾波器為例。濾波器是兩級級聯,考慮到溫度漂移和制作誤差的影響,將單級濾波器-1.5 dB帶寬設定為不低于50 MHz。

2) 插入損耗

該指標主要由濾波器及開關決定。組件要求總的損耗在7 dB內,考慮到單只開關損耗約在1 dB,由于采用了兩個濾波器級聯,兩級濾波器的損耗控制在5 dB內,單個濾波器的損耗控制在2.5 dB內。

3) 帶內幅度波動

該指標主要由SAW濾波器以及匹配調試效果決定。考慮到濾波器采用級聯結構,帶內波紋可能會嚴重惡化,組件要求帶內幅度波動控制在1.5 dB內,因此,單個濾波器的帶內幅度波動要求控制在0.7 dB內。

4) 阻帶抑制

該指標主要由SAW濾波器本身的阻帶抑制及電磁兼容性等決定。本項目阻帶抑制要求大于70 dBc,單個濾波器的阻帶抑制無法滿足要求,故采用兩級濾波器級聯的方式。為了產品調試時留有一定的余量,需要SAW濾波器的阻帶抑制指標優于產品指標至少3 dB,因此要求單個濾波器的阻帶抑制大于38 dBc。

5) 外形尺寸

組件尺寸為18 mm×15 mm×5 mm。該指標主要由開關尺寸、濾波器尺寸和匹配電路決定。為了滿足小體積的要求,濾波器采用SMD3030C封裝來實現小型化。

1.2 SAW濾波器設計

本文組件包含8款SAW濾波器,以第8通道的SAW濾波器為例,要求濾波器的中心頻率為1 766.3 MHz,插入損耗小于2.5 dB,-1.5 dB帶寬大于50 MHz,阻帶抑制大于38 dBc,帶內幅度波動小于0.7 dB。

SAW濾波器由陶瓷外殼底座、金屬蓋板及SAW濾波器芯片構成。外殼采用SMD3030封裝,典型尺寸為3.0 mm×3.0 mm×1.2 mm。芯片與外殼之間采用金絲鍵合,封裝方式采用平行封焊工藝,以保證產品良好的氣密性。產品整體尺寸小,質量小。

根據上述要求制作的SAW濾波器,其實測響應曲線如圖3所示。濾波器實測中心頻率為1 766.18 MHz,插入損耗為-1.1 dB,-1.5 dB帶寬為57.6 MHz,阻帶抑制為40 dBc,帶內幅度波動為0.3 dB。

圖3 單顆SAW濾波器實測曲線

1.3 PCB版圖設計

為了滿足組件小體積的要求,版圖布局采用濾波器環繞開關布局法:將開關置于版圖中心,器件環繞開關四周放置,以實現更加緊湊的結構。選用小體積器件,采用雙面布局方式,器件緊湊排列,充分利用殼體內部空間,實現產品小型化。

版圖設計時,射頻走線需滿足50 Ω的阻抗。根據傳輸線理論,其特征阻抗為

(1)

式中:εr為材料介電常數;h為傳輸線與基板的介質厚度;w為傳輸線寬度;t為傳輸線厚度。

根據SI9000軟件計算可得到走線寬度約為0.16 mm,計算方法如圖4所示。元器件的焊盤寬度一般遠大于0.16 mm,易導致射頻走線的阻抗不連續,從而影響組件的損耗、帶內波紋等指標,因此需要根據計算來優化元器件焊盤的阻抗,讓大焊盤不會因阻抗不連續而產生太大的信號反射。設計時,先將射頻信號的焊盤對應位置的中間層掏空,再用SI9000軟件計算出該掏空處所對應的層數,以實現焊盤50 Ω阻抗控制。同時在級聯濾波器中間增加一個π型匹配網絡,以改善級聯后的通帶性能。

圖4 PCB阻抗控制

為了滿足阻帶抑制指標,采用兩級SAW濾波器級聯方式以及多通道抗干擾布局方法,以實現近端70 dBc以上的阻帶抑制。設計時需要考慮射頻輻射影響,當射頻走線有足夠的參考平面時,電場大部分被參考平面所耦合,只有少部分電場輻射到了空間中。為了進一步較少輻射的影響,讓射頻線的四周都存在參考平面,此時電場全部被參考平面所耦合,基本無電場輻射到空間中。因此,電路設計時,在射頻走線旁設置大量接地孔,以最短路徑將輻射引入地,可以避免射頻輻射帶來的影響。印制板設計時需注意通道之間的串擾,降低輸入、輸出端口之間的直通耦合。射頻走線要有最短的接地回路,電源、控制信號要遠離射頻信號,要有完整的接地銅皮屏蔽,避免射頻信號通過電源線直接串擾。組件設計版圖如圖5所示。

圖5 組件設計圖

2 版圖仿真

為了驗證小型化濾波組件是否能夠達到高阻帶抑制的指標,對濾波器、開關等元器件的射頻性能進行聯合仿真分析。若各通道相互存在串擾信號,信號相位疊加后可能出現不同頻率在幅度上的差異,導致信道通帶內的幅度波紋變大。利用HFSS軟件對組件進行仿真,將PCB版圖導入建立仿真模型,仿真結果如圖6所示。由圖可見,通帶內插入損耗在5～6 dB,在1～1.25 GHz較低頻段內,組件的阻帶抑制高于80 dB;在2～3 GHz較高頻段內,組件的阻帶抑制高于60 dB。

圖6 組件仿真曲線

3 實驗測試

根據上述方法制作了多通道級聯濾波組件,實物如圖7所示,各通道實測曲線如圖8所示。

圖7 組件實物圖

圖8 組件仿真和實測曲線對比

組件實測數據如表2所示,由表可見,其滿足表1中各項指標要求。

表2 組件實測數據

4 結束語

本文介紹了一款小型化、高阻帶抑制SAW濾波器組件的設計實例,組件外形尺寸僅為18 mm×15 mm×5 mm,其-3 dB帶寬大于48 MHz,插入損耗小于7 dB,帶內幅度波動小于1.5 dB,近端阻帶抑制大于70 dBc。本文提出的版圖設計方法實現了在緊湊空間內的小型化布局,組件同時實現了較高的阻帶抑制,對同類型產品的研制具有指導意義。