CC BY
725
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
*
удк б^37254 т. С. ХРОЛЕНКО
А. И. ТЮМЕНЦЕВ А. Н. ЯКОВЛЕВ
в. п. кисмерешкин
Омский государственный технический университет
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
РЕАЛИЗАЦИЯ
LC-ФИЛЬТРОВ В СТРУКТУРЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Представлена поэтапная методика разработки LC-фильтров на основе многослойных печатных плат. Произведены расчеты схем фильтров нижних частот, полосовых фильтров их конструкций. Проведены анализ и исследование изготовленных образцов. Приведены основные достоинства такого класса фильтров.
Ключевые слова: LC-фильтр, многослойная печатная плата, PCB-технология, фильтр нижних частот, полосовой фильтр, амплитудно-частотная характеристика.
Необходимость выделения заданных частотных диапазонов из имеющегося спектра частот до сих пор не потеряла своей актуальности при разработке многих радиотехнических устройств и, по всей видимости, не потеряет ее и в обозримом будущем. Из всех известных на сегодняшний день видов фильтров пассивные LC-фильтры находят широкое применение в современной аппаратуре РЭА. Это обусловлено возможностью их реализации в широком диапазоне частот, большим диапазоном возможных относительных полос пропускания, а также тем, что такие фильтры достаточно просто обеспечивают заданную АЧХ и позволяют работать со сравнительно большими уровнями входного сигнала.
В настоящее время при разработке РЭА встает вопрос не только обеспечения высококачественных электрических параметров, надежности, улучшения технологичности изготовления, но также реализации устройств с минимальными массогабаритными характеристиками. Одним из перспективных путей решения этой задачи является создание интегрированных LC-фильтров на основе многослойных печатных плат (МПП). Попытки создания подобного типа фильтров предпринималась и раньше в [1], но частотные характеристики фильтров, полученных в данной работе, не в полной мере соответствуют требованиям, предъявляемым к современной РЭА, из-за большого вносимого затухания, неравномерности в полосе пропускания, а также недостаточной избирательности в полосе задерживания.
В данной статье предложено решение вопроса создания высокотехнологичных, малогабаритных LC-фильтров с высокими электрическими характеристиками на основе МПП.
Наиболее широкое практическое применение в разрабатываемой аппаратуре связи из всех LC-фильтров находят фильтры нижних частот (ФНЧ) и полосовые (ПФ), поэтому именно возможности их реализации рассмотрены в статье. На рис. 1 приведена одна из наиболее распространенных схем ФНЧ 5-го порядка, которая при сравнительно небольшом количестве элементов схемы обеспечивает прием-
лемые для большинства практических задач электрические параметры и позволяет реализовать полиномиальные фильтры Баттерворта или Чебышева.
Выражение, описывающее затухание четырехполюсника, описывается в [2]:
г20р =|Н(Усо)|2=Ту[і + М(ш2)],
(1)
где Ш — положительный вещественный коэффициент, М(ю2) — полином от ю2; ю2 — частота.
Учитывая, что полином Чебышева имеет вид
Tn(x)=cos(n•arccosx),
выражение (1) затухание фильтра запишем как:
е2“р = 1У[1+ЛГ2(П)]
где Л-постоянный коэффициент.
Полином Баттерворта имеет вид [2]:
F(x)=x2n,
тогда выражение (1) запишем в виде
е2ар =ш(1+а2п).
(2)
(3)
ы
Ь2
С2
сз
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная ФНЧ 5-го порядка
а) б) в)
Рис. 3. Опытные образцы ФНЧ на МПП с частотой среза: а) 40 МГц, б) 150 МГц, в) 660 МГц
Расчет номиналов элементов этой схемы может быть выполнен как по характеристическим параметрам, так и по рабочим на основе известных методик [2 — 6]. Расчет фильтра по рабочим параметрам подразумевает расчет, исходя из требуемых характеристик фильтра, который будет иметь передаточную функцию, заданную в начале. Тогда как расчет по характеристическим параметрам проводится исходя из того, что сопротивление нагрузки считается равным характеристическому сопротивлению и все параметры проектируемого устройства выражаются через характеристические сопротивления и характеристическую постоянную передачи. В итоге проектируется фильтр, состоящий из однотипных Г, Т или П-образных звеньев, включенных каскадно. В общем случае синтез фильтров по характеристическим параметрам более прост.
Расчет фильтров нижних частот произведен по рабочим параметрам, исходя из требуемых характеристик, на основе известных методик, достаточно полно изложенных в [3 — 5].
Элементами схемы фильтра (рис. 1) являются индуктивности и емкости. Как известно из [7—10], интегрированные индуктивности и емкости могут быть выполнены в виде различных конструкций. Проведенный анализ возможных вариантов в качестве конструкции интегрированных индуктивностей показал, что только планарные многовитковые конструкции обеспечивают требуемые номиналы индуктивности. Поскольку для выполнения соединений витков 3D индуктивностей необходимы слепые отверстия, что сложно выполнить на основе МПП, использование стековых индуктивностей нежелательно вследствие большой собственной емкости таких катушек индуктивности.
В связи с тем, что добротность катушек индуктивности, предназначенных для использования в селективных цепях, определяется в основном омическими потерями, то в качестве подложки МПП
можно использовать широко известный стеклотекстолит марки FR-4 (так как в качестве проводника используется медь с низким удельным сопротивлением). Из всего разнообразия конструкций интегрированных конденсаторов, подробно рассмотренных в [8] наиболее удобной для исполнения в структуре подложки МПП является конструкция плоскопараллельных конденсаторов. При реализации достаточно больших емкостей (десятки пФ) необходимо увеличивать количество слоев, а также уменьшать расстояние между ними, что в свою очередь ведет к усложнению технологии и конструкции устройства, поэтому в таких случаях необходимо использовать диэлектрик с нормированной диэлектрической проницаемостью и низким тангенсом угла диэлектрических потерь. Одним из таких материалов является Faradflex с нормированной удельной емкостью 155 пФ/см2 и tg 5=0,012, использование которого позволяет создать конденсаторы с достаточно высокими добротностями и широким диапазоном номиналов емкостей при малом занимаемом объеме подложки.
Расчет конструктивных параметров выбранных топологий индуктивных и емкостных элементов был произведен по оценочным формулам, изложенным в [11], так как точные аналитические выражения для расчета емкостей и индуктивностей, выполненных подобным образом, на сегодняшний день отсутствуют. При этом, как показывает проведенные исследования точность емкостей и индуктивностей должна быть не более ±2 %. В связи с этим расчет точных конструктивных параметров элементов был проведен на основе методов компьютерного моделирования с использованием специализированной САПР. Подобный метод позволил повысить точность расчетных значений элементов до 2 %, вместо 10 %, полученных на основе аналитических выражений, при этом добротность индуктивностей, предварительно полученная по результатам компьютерного моде-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
лирования, была принята 55 — 60. Расчет топологии конструктивных элементов произведен с учетом параметров выбранных материалов, конструкций элементов, а также выбранного стека слоев МПП.
С учетом выше изложенного были рассчитаны фильтры Баттерворта 5-го порядка на сопротивление нагрузки 50 Ом и частотами среза 40, 150 и 660 МГц. Полученные 3D модели таких фильтров изображены на рис. 2.
С целью экспериментальной проверки результатов расчетов и моделирования были изготовлены лабораторные образцы ФНЧ. Разработанные устройства представляют собой десятислойные МПП с планарными многовитковыми катушками на верхнем слое печатной платы, экраном на нижнем слое и высокочастотными разъемами на входе и выходе. Внешний вид готовых образцов LC-фильтров представлен на рис. 3.
Полученные результаты измерений частотных характеристик изготовленных образцов, изображены на рис. 4. На этих же рисунках представлены характеристики полученных ранее моделей. На рис. 4а видно, что частота среза составляет 40 МГц, что полностью соответствует полученной ранее характеристике 3D модели, при этом измеренная характеристика образцов имеет лучшее затухание на частоте до 200 МГц. На рис. 4б и в показаны характеристики фильтров с частотами среза 140 МГц и 660 МГц, что отличается от частот среза моделей —124 МГц и 625 МГц. Небольшой сдвиг частот среза обусловлен спецификой технологического процесса производства печатных плат (подтрав проводников, плотность прессования), что может быть учтено в моделировании при следующих итерациях.
Из показанного (рис. 4) видно, что в полосе задерживания образуются полюса затухания, близко к полосе пропускания, несмотря на то, что фильтры (рис. 1) являются полиномиальными. Такой эффект получен за счет неучтенной при моделировании межвитковой емкости катушек индуктивности, что может быть исключено выбором другой конструкции катушек или же учтено введением дополнительных элементов в схему при моделировании. АЧХ образцов всех трех фильтров в полосах пропускания достаточно точно повторяют характеристики электронных моделей, тогда как в полосе задерживания несколько отличаются. Эти отличия, по всей видимости, могут быть обусловлены как несовершенством конструкции: вследствие малых габаритов фильтра входной и выходной разъем располагаются слишком близко, так и погрешностями метрологических измерений. Неравномерность в полосе пропускания всех трех фильтров не более 1 — 1,5 дБ.
Результаты экспериментальных данных показывают, что соответствие между расчетными и экспериментальными данными является высоким, что позволяет говорить о корректности выбранной методики проектирования интегрированных ФНЧ на основе МПП.
Наряду с фильтром нижних частот в средствах связи находят широкое применение также и полосовые фильтры. Несмотря на то что в настоящее время известно достаточно много схем полосовых LC-фильтров, однако лишь немногие из них оказываются приемлемыми для практической реализации в виде интегрированных в объем МПП структур. Одной из основных причин ограниченного количества подходящих схем является трудность практической реализации элементов фильтров, которые могут быть либо слишком большими или оказаться
б)
в)
результаты моделирования результаты измерения образцов
Рис. 4. АЧХ опытных образцов ФНЧ с частотой среза: а) 40 МГц, б) 150 МГц, в) 660 МГц
сравнимыми с паразитными значениями емкостей и индуктивностей. Одна из возможных схем полосового фильтра, подходящего для практической реализации в виде 3D структуры на основе МПП и позволяющей одновременно обеспечить приемлемые для практического применения электрические параметры, приведена на рис. 5.
Исследуем возможность реализации на основе представленной схемы полосового фильтра УКВ диапазона с границами полосы пропускания 30 и 80 МГц, на сопротивление 50 Ом и произведем расчет полосового фильтра по характеристическим параметрам. Основные методики расчета по характеристическим параметрам достаточно подробно рассмотрены в [2, 4, 6].
лпг^
ЛИГ4-
Рис. 5. Схема электрическая принципиальная полосового фильтра 2-го порядка
Рис. 6. АЧХ полосового фильтра с /0=55 МГц
а)
б)
Рис. 7. Окончательная схема фильтра (а) и его АЧХ (б)
Элементы схемы (рис. 5) можно представить в виде следующих соотношений [12]:
І1 -12 -
2я/0Д 2я/0Д
где
а1=п = ^ = 1-1; Рі= —= -^2- = 1-08
Л П.(/0)2
А/
Р2=-
2/п
= 1.
(5)
х2 + Х1 ^2 + А
Тогда значения элементов схемы (рис. 5) будут
равны:
іі -12
-158 нГн; С1=С3 = :г-^г = 62пФ;
2л/г
2ті/0Я
Р2
: 58 пФ.
Существующие на сегодняшний день методики расчета широкополосных фильтров основаны на представлении полосовых фильтров в виде каскадного соединения звеньев ФНЧ и ФВЧ. Для схем, подобных приведенной выше, использование известных выражений ведет к отклонениям расчетной АЧХ от заданной, поэтому необходимо вводить коэффициент использования полосы пропускания к. Для фильтра с полосой пропускания 90 % коэффициент к получен опытным путем и приближен к 1,4. Тогда с учетом поправочного коэффициента, значения элементов схемы: С1 = С3 = 81 пФ. Результаты моделирования полученной схемы приведены на рис. 6.
При оценке возможности реализации на основе полученной схемы интегрированного 3D полосового фильтра схема оказалась недостаточно удобной для практической реализации в структуре МПП. Неудобства практической реализации обусловлены:
— во-первых, сложность реализации незазем-ленных емкостей,
— во-вторых, необходимостью уменьшения величин емкостей с целью минимизации занимаемой ими площади.
Решить этот вопрос можно за счет преобразования Т-образного звена в П-образное [6].
Схема такого фильтра приведена на рис. 7а, а его АЧХ — на рис. 7б. Значения полученных элементов при этом составят С1 = С3 = 21,3 пФ, С2 = 29,8 пФ, что позволит сократить занимаемую емкостями площадь более чем в 2,5 раза.
Расчет конструктивных параметров элементов произведен по описанной выше методике расчета конструктивных параметров ФНЧ. Полученная 3D модель полосового фильтра, а также сравнение АЧХ модели фильтра и эквивалентной схемы приведены на рис. 8.
Исходя из того, что измеренные характеристики фильтров нижних частот достаточно точно повторяют характеристики полученных ранее моделей этих фильтров, можно сделать вывод, что это также будет справедливо и для полосового фильтра.
Таким образом, полученные результаты позволяют утверждать, что:
— комбинирование материалов основания МПП могут быть использованы для реализации ЬС-фильт-ров, к которым предъявляются жесткие требования по массогабаритным показателям;
— рассмотренная методика реализации 3D структур от выбора схемы до оптимизации топологии фильтра позволяет создавать фильтры с характеристиками отличными от ожидаемых на 2 — 5 %.
ЬС-фильтры, реализованные на основе МПП с применением диэлектрических слоев с нормированными параметрами, обладают следующими достоинствами:
— отсутствие необходимости подстройки характеристик фильтров и, как следствие, ускорение и снижение стоимости процесса производства;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
а)
б)
Рис. 8. 3D модель полосового фильтра (а), АЧХ модели фильтра и эквивалентной схемы (б)
— возможность изготовления серии фильтров без переналадки производства;
— высокая повторяемость характеристик в одной партии опытных образцов.
Полученные в ходе работы ЬС-фильтров на основе МПП имеют характеристики не хуже фильтров на дискретных элементах, обладая при этом минимальными габаритными размерами, и, учитывая описанные выше достоинства, такой тип фильтров может быть использован в малогабаритной аппаратуре связи.
Библиографический список
1. ЬС-фильтры на пленочных компонентах, встроенных в многослойные печатные платы / И. А. Корж [и др.] // Успехи современной радиоэлектроники. — 2010. — № 12. — С. 59 — 61.
2. Трофимов, Л. А. Расчет полосовых фильтров : учеб. пособие для курсового и дипломного проектирования / Л. А. Трофимов. — Казань : КГТУ, 2004. — 40 с.
3. Зааль, Р. Справочник по расчету фильтров / Рудольф За-аль ; пер. с нем. Ю. В. Камкина. — М. : Радио и связь, 1983. — 752 с.
4. Куцко, Т. Ю. Расчет полосовых фильтров / Т. Ю. Куцко. — М.—Л. : Энергия, 1965. — 192 с.
5. Маттей, Д. Л. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. В 2 т. Т. 2 / Д. Л. Матей, Л. Янг, Е. М. Т. Джонс. — М. : Связь, 1971. - 439 с.
6. Черне, Х. И. Индуктивные связи и трансформации в электрических фильтрах / Х. И. Черне. — М.: Связьиздат, 1962. — 316 с.
7. Борейко, Д. А. Исследование параметров катушек индуктивности, выполненных по ЬТСС технологии / Д. А. Борейко, Т. С. Дьяченко, А. И. Тюменцев // Техника радиосвязи. — 2012. — № 17. — С. 73 — 84.
8. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой
обжига. В 3 ч. Ч. 1. / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. Симин // Компоненты и технологии. — 2005. — № 5. — С. 190—196.
9. Вендик, И. Б. Многослойные интегральные схемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига. В 3 ч. Ч. 2. Средства проектирования и реализация пассивных устройств / И. Б. Вендик, Д. В. Холодняк, А. Симин // Компоненты и технологии — 2005. — № 6. — С. 210 — 216.
10. Капитанова, П. В. Исследование параметров пассивных СВЧ-компонентов, выполненных по многослойной интегральной технологии / П. В. Капитанова, А. В. Симин, Д. В. Холодняк // Труды высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. — 2005. — № 1. _ С. 75 — 81.
11. Bahl, I. Lumped Elements for RF and Microwave Circuits / Inder Bahl. — Boston — London: Artech House, 2003. — 488 p.
12. Босый, Н. Д. Электрические фильтры / Н. Д. Босый. — Киев : Гостехиздат, 1959. — 616 с.
ХРОЛЕНКО Татьяна Сергеевна, аспирантка кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ТЮМЕНЦЕВ Александр Иванович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.
ЯКОВЛЕВ Андрей Николаевич, кандидат технических наук, зам. начальника отдела по научной работе Омского научно-исследовательского института приборостроения.
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность» ОмГТУ. Адрес для переписки: uniqueotto@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 06.12.2012 г.
© Т. С. Хроленко, А. И. Тюменцев, А. Н. Яковлев,
В. П. Кисмерешкин
