Сравнительный анализ высокоселективных LTCC-фильтров с моноблочной технологией

Необходимость в меньших и более производительных приводах

Начиная с 1965 года и в течение примерно 50 лет плотность транзисторов в интегральных схемах следовала закону Мура. Однако за последние 15 лет активная радиочастотная электроника развилась в подходы RF System-on-a-Chip (RF SoC) и RF System-in-a-Package (RF SiP), что привело к значительному сокращению SWaP-C (размер, вес, мощность и стоимость) и одновременному повышению вычислительной мощности. Сокращение SWaP-C также востребовано в пассивной радиочастотной электронике, где инженеры по радиочастотам продолжают испытывать давление как в плане более высокой производительности, так и более высокой объемной эффективности. Зрелые технологии создали прочное наследие пассивных радиочастотных компонентов, но для удовлетворения современных требований SWaP-C многие из них заменяются более новыми технологическими компонентами в процессе, известном как обновление технологий.

Одним из пассивных радиочастотных компонентов, который повсеместно используется во всех радиочастотных системах, является традиционный полосовой фильтр. Некоторые из наиболее зрелых технологий полосовых фильтров можно найти в технологиях создания фильтров на основе сосредоточенных элементов, оксида алюминия, керамического резонатора и керамического моноблочного фильтра. Настройка, травление, пайка, сверление и покрытие — вот лишь некоторые из требуемых операций. Эти зрелые фильтры широко используются практически на каждом оборонном и коммерческом рынке, причем на стороне приема их можно применять для предварительной селекции, подавления изображения, фильтрации ПЧ и гетеродина, канализации и сглаживания.

Недавно Mini-Circuits представила линейку полосовых фильтров LTCC с высокой степенью подавления BFHK, которая более компактна и демонстрирует гораздо большую полосу подавления, чем многие фильтры с зрелой технологией. Инженеры по радиочастотам, для которых достижение большого динамического диапазона системы в малом пространстве является первостепенным, заметили крошечные размеры серии BFHK, резкие переходы и глубокие уровни подавления. В этой статье мы описываем эксплуатационные характеристики полосовых фильтров LTCC серии BFHK компании Mini-Circuits, а также керамических моноблочных фильтров. Затем мы проводим прямое сравнение двух моделей фильтров из серии BFHK и их ближайших аналогов в технологии керамических моноблочных фильтров. Обсуждаются приложения и варианты использования фильтров LTCC с высокой степенью подавления в свете их полезности в конструкции приемника. В заключение мы приводим четкое обоснование модернизации технологии LTCC с высокой степенью подавления, которая начинает появляться на коммерческих и оборонных рынках. Характеристики производительности фильтра BFHK.

Серия фильтров LTCC с ультравысокой полосой заграждения

BFHK компании Mini-Circuits поддерживает стремление к миниатюризации цепей ВЧ/СВЧ, сочетая выдающуюся селективность и высокую полосу заграждения с размером, стоимостью и повторяемостью компонентов LTCC. Оптимальная производительность, указанная в технических характеристиках для фильтров серии BFHK, измеряется при монтаже центрального проводника корпуса NM1812C-3 размером 0,012 дюйма [0,3 мм], показанного на правой стороне рисунка 1, непосредственно на контактную площадку размером 0,012 [0,3 мм] на полосковой печатной плате. Mini-Circuits решает практические проблемы сопряжения с полным спектром методов проектирования печатных плат, которые отличаются от полосковой линии, с помощью фильтров серии BFHKI. Эта серия включает в себя универсальный интерпозер для размещения других технологий печатных плат и геометрий трасс, включая копланарный волновод и микрополосковый. Производительность фильтров серий BFKH и BFHKI сопоставима. В рамках данной статьи мы сосредоточим внимание на серии BFHK.

Рис 1: Механические схемы полосового фильтра LTCC серии BFHK компании Mini-Circuits с высокой степенью подавления и моноблочного фильтра марки Y

Конструкция и изготовление компонентов LTCC создают прочную и надежную платформу, с которой можно начать. В качестве примера можно привести серию BFHK полосовых фильтров LTCC с высокой степенью режекции, которые работают в диапазоне температур от -55⁰C до +125⁰C, демонстрируют надежную частотную характеристику в зависимости от температуры и включают полосы пропускания вплоть до 19 ГГц. Благодаря низким вносимым потерям для чувствительных систем и подавлению полосы задерживания, которое часто составляет от 80 до 100 дБ или даже выше, полосовые фильтры серии BFHK отлично подходят для систем, требующих работы с высоким динамическим диапазоном.

Описание технологии моноблочных фильтров и эксплуатационные возможности

Керамические моноблочные полосовые фильтры характеризуются превосходными вносимыми потерями в полосе пропускания и крутыми юбками в переходной полосе. Их подавление полосы задерживания в среднем составляет от 30 до 50 дБ, и как автономный полосовой фильтр он часто недостаточен для радиочастотных систем с динамическим диапазоном, превышающим 60 дБ. Размер керамических моноблочных фильтров невелик, но технология керамических моноблочных фильтров больше не позволяет создавать фильтры с самыми компактными форм-факторами. Например, на рисунке 1 показано, что высота и ширина керамического моноблочного фильтра ограничены размерами, необходимыми для формования резонаторов. Длина, конечно, определяет центральную частоту полосового фильтра. Хотя рисунок 1 является полезным сравнением, имейте в виду, что керамические моноблочные фильтры часто требуют дополнительного оборудования для экранирования, что занимает еще больше места на печатной плате.

Сравнение фильтров BFHK High-Rejection LTCC и моноблока

Рисунок 1 был нарисован в масштабе, чтобы показать разницу в размерах между корпусом серии BFHK NM1812C-3 и компонентом моноблока Brand Y (обратите внимание, что Brand X значительно больше, чем Brand Y). Площадь фильтра BFHK LTCC на 63% меньше площади керамического моноблока, и это не включает в себя ни одно из рекомендуемых экранов, необходимых для создания полной моноблочной сборки. Поскольку BFHK на 50% короче моноблока, имея высоту всего 1,5 мм по сравнению с 3 мм у моноблока Brand Y, объем фильтра BFHK LTCC оказывается на 80% меньше, чем у керамического моноблочного фильтра. Это значительное уменьшение размера дает разработчикам большую гибкость в компоновке печатной платы. Объемная эффективность полосовых фильтров серии BFHK — это лишь одна из характеристик, которая ускорила внедрение этих фильтров инженерами по радиочастотам для многочисленных приложений.

Производительность не ухудшается в полосе задерживания для меньших фильтров серии BFHK по сравнению с моноблоками Brand X и Brand Y; она улучшается. На рисунке 2 вносимые потери в зависимости от частоты показаны для полосового фильтра BFHK-5001+ 4,9 ГГц и компонента Brand X. Фильтры были выбраны на основе схожести их центральных частот РЧ и ширины полосы пропускания 3 дБ.

Рис 2. Вносимые потери в зависимости от частоты для полосовых фильтров Mini-Circuit’ BFHK-5001+ и Monoblock Brand X

Радиочастотный фильтр имеет очень похожие характеристики спада и почти идентичную полосу пропускания 30 дБ. Для моноблочного фильтра подавление полосы пропускания составляет всего 50 дБ на частотах ниже полосы пропускания и всего 30 дБ для частот, превышающих полосу пропускания. BFHK-5001+ демонстрирует подавление 80 дБ ниже полосы пропускания и примерно 75 дБ выше. Улучшение подавления полосы пропускания на десятки дБ при значительно меньшей занимаемой площади позволяет разработчикам достигать более высокого динамического диапазона в корпусах меньшего размера, что абсолютно критично во многих приложениях на стороне приема.

Продолжая сравнение, на рисунке 3 показаны вносимые потери полосового фильтра BFHK-6751+ 6,4 ГГц и вносимые потери полосового фильтра Brand Y Ceramic Monoblock, наложенные на одну диаграмму.

Рис 3. Вносимые потери в зависимости от частоты для полосовых фильтров Mini-Circuit’s BFHK-6751+ и Monoblock Brand Y

Гораздо более крупный моноблочный компонент Brand Y имеет меньшие потери в полосе пропускания, чем крошечный фильтр LTCC с высокой степенью режекции BFHK, преимущество, которое достигается ценой почти в три раза большей площади. Моноблочный полосовой фильтр Brand Y даже демонстрирует очень крутой и относительно глубокий спад для своей нижней юбки, но его подавление полосы задерживания 65 дБ превосходит BFHK-6751+ на 30 дБ или более. На частотах выше полосы пропускания тестовые данные, доступные в техническом описании моноблочного компонента Brand Y, не показывают, что фильтр достигает 30 дБ подавления, в то время как BFHK-6751+ преодолевает 60 дБ на 8 ГГц к 95–100 дБ за пределами 8,5 ГГц.

Появление фильтров LTCC с высокой степенью режекции Mini-Circuits важно не только из-за растущей плотности схем, хотя эта причина важна. Возможно, что еще важнее, фильтры BFHK LTCC с высокой степенью подавления Mini-Circuits позволяют многим современным системам работать с очень низкими уровнями сигналов, значительно ослабляя помехи соседних каналов, так что они не влияют на чувствительность системы. В многоканальных системах характеристики перекрестных помех между каналами ужесточаются по мере увеличения динамического диапазона системы. Излучательные запуски и корпусы нескольких резонаторов затрудняют ограничение полей рассеяния керамическими моноблочными полосовыми фильтрами, что означает, что часто рекомендуются или даже требуются экранирующие рамки. В то время как фильтры с высокой степенью подавления серии BFHK требуют внимания к деталям при компоновке, традиционные полосковые запуски достигли превосходных результатов. Даже серия BFHKI с платой интерпозера для размещения копланарного волновода и микрополосковой линии работает исключительно хорошо с точки зрения подавления полосы заграждения, когда приняты соответствующие меры в электрической и механической компоновке. Часто полосовые фильтры серии BFHK не являются ограничивающим фактором, и они способны работать за пределами предела подавления корпуса хоста. Последнее замечание о производительности в зависимости от температуры. Как высокочастотные полосовые фильтры LTCC BFHK, так и керамические моноблочные полосовые фильтры хорошо работают в зависимости от температуры, но серия BFHK рассчитана на работу от -55⁰C до +125⁰C, а в паспорте показаны кривые частотной характеристики, которые фактически накладываются друг на друга. Это то, чего не могут достичь полосовые фильтры с керамической моноблочной технологией, поскольку их рабочий температурный диапазон ограничен диапазоном от -40⁰C до +85⁰C. Высокотемпературные характеристики фильтров BFHK важны, поскольку одним из побочных продуктов постоянно сжимающейся системы РЧ является то же тепло, ограниченное меньшей площадью, что приводит к более высоким температурам. Неудивительно, что локальные температуры системы РЧ превышают 90⁰C или 100⁰C. Производительность при низких экстремальных температурах имеет особое значение на рынке аэрокосмической и оборонной промышленности.

Применение и варианты использования – преселекторы и фильтры подавления изображения

Обычные применения полосовых фильтров – это преселекторы входного каскада и фильтры подавления изображения. Для радиочастотных приемников давно существует необходимость во включении высокоселективных преселекторов во входной каскад. Преселектор – это первая линия обороны от помех высокого уровня, смежных с полосой пропускания, которые могут снизить чувствительность приемника. Фильтры BFHK с высоким подавлением LTCC могут выполнять функцию преселектора для полос пропускания до 27,5 ГГц. Низкие вносимые потери, крутой спад и высокое подавление полосы задерживания идеально подходят для ослабления внеполосного шума и помех. На рисунке 4 показан простой пример компактного двухточечного микроволнового входного каскада с фильтром BFHK, используемым в качестве преселектора.

Преселектор: 24000 – 27500 МГц (вносимые потери 2,23 дБ)

LNA: усиление 20,41 дБ при 26500 МГц

Аттенюатор: 3,15 дБ при 26000 МГц

Рис 4. Структурная схема двухточечного микроволнового входного каскада с BFHK-2582+ в качестве преселектора

В супергетеродинных приемниках фильтр подавления изображения расположен ниже по потоку от преселектора и, как правило, за LNA. Изображение, расположенное на противоположной стороне LO от желаемой полосы пропускания, часто должно быть ослаблено минимум на 60 дБ (подавление изображения), а иногда и на целых 80 дБ. Фильтры с высоким подавлением BFHK LTCC являются превосходными фильтрами подавления изображения, поскольку их крутые юбки и высокое подавление полосы задерживания позволяют им быстро переходить из полосы пропускания в полосу задерживания и сильно ослаблять спектральную полосу, известную как изображение.

Заключение – Обоснование модернизации технологии полосовых фильтров

В этой статье мы сравнили механические и электрические характеристики фильтров LTCC с высокой степенью подавления серии BFHK компании Mini-Circuits с характеристиками традиционных керамических моноблочных технологических компонентов. Хотя вносимые потери керамических моноблочных фильтров ниже, фильтры LTCC серии BFHK достигают подавления полосы задерживания на десятки дБ выше в корпусе, который составляет одну пятую размера и работает от -55⁰C до +125⁰C с превосходной температурной стабильностью. Приложения преселектора и фильтра подавления изображения подчеркивают необходимость значительного ослабления помеховых сигналов в соседних полосах или даже самого изображения. Требования к динамическому диапазону системы часто превышают 100 дБ, что делает 30 дБ подавления, обеспечиваемого керамическим моноблочным фильтром, недостаточными, даже при дополнении другими средствами фильтрации.

Высокий динамический диапазон, высокая плотность цепей и высокие рабочие температуры систем требуют новой технологии фильтрации. Mini-Circuits удовлетворила этот спрос с серией BFHK высокоселективных LTCC-фильтров. Популярность серии BFHK растет, поскольку рыночные силы стимулируют модернизацию технологий. Эта тенденция существует для многих рынков, таких как SATCOM, Test & Measurement, Quantum Computing, Aerospace and Defense. Поскольку инженеры по радиочастотам продолжают испытывать давление из-за более высокой производительности радиочастотных систем и более плотной компоновки печатных плат, ожидается, что эта тенденция модернизации технологий продолжится.