CN109743034A

CN109743034A - 基于硅通孔的低通滤波器设计方法

Info

Publication number: CN109743034A
Application number: CN201811367799.2A
Authority: CN
Inventors: 董刚; 缑石龙; 杨银堂
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-05-10

Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔的低通滤波器设计方法，主要解决现有基于硅通孔低通滤波器设计过程复杂，需要大量的时间和计算资源的问题。其实现方案是：1)根据工程需求和滤波器输入条件确定低通滤波器选型和设计指标；2)根据设计指标，确定低通滤波器各元件值，建立滤波器的集总电路图；3)根据集总电路图中的各节电感元件值，确定各节三维集成电感中硅通孔的排列的行、列间距和电感匝数；4)根据集总电路图中的各节电容元件值，确定各节同轴硅通孔电容器的内介质层厚度；5)利用3)和4)中确定的参数，在电磁软件中建立硅通孔低通滤波器三维模型并仿真，完成整个低通滤波器的设计。本发明设计简单，耗时更短，可用于射频无线通信系统。

Description

基于硅通孔的低通滤波器设计方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种低通滤波器的设计方法，可用于射频无线通信领域。

背景技术

低通滤波器是射频前端部分一个重要的无源器件。随着现代无线通信技术的发展，对通信设备和通信系统的要求是具有小型化、高速和多功能等特点。传统的无源滤波器由于电感器和电容器的尺寸太大，现有封装技术无法将传统无源滤波器等射频单元集成到系统内部。为此，近年来基于硅通孔的电容电感构成的滤波器技术得到了越来越多的研究。

专利CN106158835A提出了一种基于硅通孔技术的低通滤波器，其采用垂直同轴硅通孔电容器代替传统平面电容器，结合平面螺旋电感，设计了一种五阶低通滤波器。专利CN106329038A利用硅通孔阵列，设计了一种LC低通滤波器。

以上这两种基于硅通孔的低通滤波器均没有系统的技术手段，在确定特定电感值的电容器和特定电容值的电容器的电气参数时，需要利用电磁仿真软件进行多次的迭代仿真。这种基于仿真的硅通孔低通滤波器设计过程复杂，需要大量的时间和计算资源，因此限制了基于硅通孔的低通滤波器的产出。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于硅通孔的低通滤波器设计方法，以减小仿真时间和计算资源的消耗，简化此类低通滤波器繁琐的设计过程。

为了实现上述目的，本发明的实现方案如下：

(1)根据工程需求和滤波器输入条件确定低通滤波器选型和设计指标，其中，低通滤波器选型包括：巴特沃斯型、切比雪夫型、逆切比雪夫型以及椭圆型；

设计指标包括：滤波器阶数N、截止频率ω_c、通带最大衰减度A_p、特征阻抗z_o以及阻带最大衰减度A_s；

(2)根据设计指标，利用集总元件低通滤波器设计方法，确定低通滤波器各元件值，建立滤波器的集总电路图；

(3)根据集总电路图中的各节电感元件值，确定各节三维集成电感中硅通孔的排列的行、列间距和电感匝数：

(3a)根据集总电路图中的电感元件值，先给出一组包括电感匝数N_T、硅通孔排列的行间距P_TSV和列间距S_TSV的参数值，计算此组参数值对应的三维集成电感的电感值和面积；

(3b)将(3a)中得到的电感值与集总电路中的电感元件值比较，根据比较结果调整电感匝数N_T、行间距P_TSV和列间距S_TSV的值，重新计算电感值和面积；

(3c)重复(3a)-(3b)操作，直到计算的电感值等于集总电路的电感值，且电感面积最小，得到最终的电感匝数N_T、硅通孔排列的行间距P_TSV和列间距S_TSV的值；

(4)根据集总电路图中的各节电容元件值，确定各节同轴硅通孔电容器的内介质层厚度t_r：

其中，l_TSV为硅通孔高度，r_TSV为硅通孔铜柱半径，C为集总电路图中的电容元件值，ε为同轴硅通孔内介质层材料的介电常数；

(5)利用(3)中确定的各节电感器的参数和(4)中确定的各节电容器的参数，在电磁软件中建立硅通孔低通滤波器三维模型，进行仿真，完成对整个低通滤波器的设计。

本发明的有益之处在于：

本发明由于只需根据设计指标建立滤波电路，再用基于硅通孔的三维集成电感替换电感，利用同轴硅通孔的寄生电容替换电容，并且根据电感电容可以利用数学公式计算得到硅通孔的参数，因而使得基于硅通孔的低通滤波器设计更加简单，耗时更短。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中建立的低通滤波器集总电路图；

图3是本发明中基于硅通孔的三维集成电感结构示意图；

图4是用本发明设计的低通滤波器实例图；

图5是对图4低通滤波器的性能仿真图。

具体实施方式

为了对本方法的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图进行清楚、完整地描述本方法的具体实施方式。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，按照工程需求和设计输入确定滤波器选型和设计指标。

由于理想滤波器的特性难以实现，因而设计当中都是按某个函数形式来设计的，不同函数的滤波器所对应的幅频特性不同，常见的函数滤波器类型有巴特沃斯型、切比雪夫型、逆切比雪夫型以及椭圆函数型。而设计指标用以确定滤波器能把特定频率的信号提取出来，并抑制不需要的信号。通常，低通滤波器设计指标包括滤波器阶数N、截止频率ω_c、通带最大衰减度A_p、特征阻抗z_o以及阻带衰减度A_s。

在本实施例中，选用巴特沃斯型低通滤波器，确定的输入条件为：通带边缘频率f_p＝2.4GHz，通带最大衰减量A_p＝1.0dB，阻带边缘频率f_s＝4.8GHz以及阻带的最小衰减量A_s＝20dB；

根据上述输入条件以及巴特沃斯滤波器设计方法，计算得到低通滤波器的设计指标。

1.1)计算通带偏差δ_p和阻带偏差δ_s：

1.2)计算滤波器的阶数N：

其中，ω_p＝2πf_p和ω_s＝2πf_s为对应角频率；阶数为正整数，所以得到的数值必须四舍五入为整数；

1.3)计算低通滤波器的截止频率ω_c：

通过上述步骤和公式计算得到本实例低通滤波器的阶数N＝5，截止频率为ω_c＝2.8GHz，设特征阻抗z_o＝50Ω。

步骤2，根据所确定的设计指标，确定滤波器各元件的电感电容值，建立滤波器电路。

2.1)根据步骤1中确定的设计指标，通过查询巴特沃斯型低通滤波器原型数值表得到滤波器各节元件的归一化值：本实例查询到的5阶巴特沃斯型低通滤波器的各元件归一化值为g1＝0.61803F，g2＝1.61803H，g3＝2.0F，g4＝1.61803H，g5＝0.61803F；

2.2)根据各元件的归一化值g、截止频率ω_c和特征阻抗z_o，计算得到低通滤波器的电感L和电容C：

将步骤2.1中的各元件归一化值、截止频率及特征阻抗带入式<5>和<6>中，得到滤波电路5个元件的数值为：第一节电容C1＝680.8fF，第二节电感L2＝4.456nH，第三节电容C3＝2.203pF，第四节电感L4＝4.456nH，第五节电容C5＝680.8fF；

2.3)利用各节电感电容值建立低通滤波器的集总电路：

本实例中建立的低通滤波器集总电路，如图2所示，此低通滤波电路包含两个电感L2，L4和三个电容C1，C3，C5，其中第二节电感L2与第四节电感L4串联，且第二节电感L2位于首部，其一端与输入端口连接，另一端接第四节电感L4，第四节电感L4另一端与输出端口相连接；第一节电容C1一端与输入端口连接，另一端接地；第三节电容C3一端与第二节电感L2和第四节电感L4的公共端相连，另一端接地；第五节电容C5一端与输出端口连接，另一端接地。

步骤3，根据集总电路图中的各节电感元件值，确定各节三维集成电感中硅通孔的排列的行、列间距和电感匝数。

如图3所示，基于硅通孔的三维集成电感结构，包含硅通孔TSV、顶层再分布层Top_RDL以及底层再分布层Bottom_RDL。图3中标注的l_TSV指硅通孔高度，r_TSV指硅通孔半径，w_RDL指再分布线宽度，t_RDL指再分布线厚度，这4种参数由工艺条件决定；P_TSV指通孔阵列行间距，S_TSV指硅通孔阵列列间距，这两种参数和电感匝数N_T为本步骤需要确定的设计参数，具体实现如下：

(3a)根据集总电路图中的电感元件值，先给出一组包括电感匝数N_T、硅通孔排列的行间距P_TSV和列间距S_TSV的参数值，再计算此组参数值对应的三维集成电感的电感值和面积；

(3a1)计算三维集成电感的电感值：

(3a1.1)计算三维集成电感中所有硅通孔的总自感L₁：

其中，μ为介质材料的磁导率；

(3a1.2)计算三维集成电感中所有再分布线的总自感L₂：

其中，为顶层再分布线的长度；

(3a1.3)计算三维集成电感中同列硅通孔之间的互感总和M₁：

其中，i1为硅通孔阵列中第一列的第i1个硅通孔，j1为硅通孔阵列中第一列的第j1个硅通孔；M_p为导体互感计算公式，表示如下：

式中，l为导体的长度，d为两导体的中心间距；

(3a1.4)计算三维集成电感中不同列硅通孔之间互感总和M₂：

其中，i2为硅通孔阵列中第一列中的第i2个硅通孔，j2为硅通孔阵列中第二列的第j2个硅通孔；

(3a1.5)计算三维集成电感中底层再分布线之间互感总和M₃：

其中，i3为第i3个底层再分布线，j3为第j3个底层再分布线；

(3a1.6)计算三维集成电感中顶层再分布线之间的互感总和M₄：

其中，i4为第i4个顶层再分布线，j4为第j4个顶层再分布线；

(3a1.7)计算三维集成电感中顶层再分布线与底层再分布线之间互感总和M₅：

其中，i5为第i5个底层再分布线，j5为第j5个顶层再分布线；

(3a1.8)计算三维集成电感的总电感L_tot：

L_tot＝L₁+L₂+2(M₁-M₂+M₃+M₄-M₅)。 <14>

(3a2)计算三维集成电感的面积Area：

Area＝N_TS_TSVP_TSV。 <15>

(3b)将(3a)中得到的电感值与集总电路图中的电感元件值比较，根据比较结果调整电感匝数N_T、行间距P_TSV和列间距S_TSV的值，用式<7>-<15>重新计算电感值和面积；

(3c)重复(3a)-(3b)操作，直到计算的电感值等于集总电路图中的电感元件值，且电感面积最小，得到最终的电感匝数N_T、硅通孔排列的行间距P_TSV和列间距S_TSV的值。

本实例根据工艺条件，设定三维集成电感的工艺参数为：硅通孔高度l_TSV＝200μm，硅通孔半径r_TSV＝10μm，再分布线宽度w_RDL＝20μm，再分布线厚度t_RDL＝4μm；

本实例低通滤波器集总电路图2中的第二节电感L2的值与第四节电感L4的值相等，对第二节电感L2＝4.456nH的值进行(3a)-(3c)操作，得到对应的第二节三维集成电感Lr2和第四节三维集成电感Lr4的如下参数：

电感匝数N_T＝4，通孔阵列行间距P_TSV＝300μm，硅通孔阵列列间距S_TSV＝40μm。

步骤4，根据集总电路图中的各节电容元件值，确定各节同轴硅通孔电容器的内介质层厚度t_r。

同轴硅通孔内介质层厚度计算公式为：

其中，ε为内介质层的介电常数，C为低通滤波器集总电路中的电容元件值。

本实例令式<16>中的电容值C分别为低通滤波器集总电路图2中的第一节电容C1＝680.8fF和第三节电容C3＝2.203pF的值，计算得到第一节同轴硅通孔电容器Cr1与第五节同轴硅通孔电容器Cr5的内介质层厚度t_r1＝0.7μm；第三节同轴硅通孔电容器Cr3的内介质层厚度t_r2＝0.2μm。

步骤5，利用步骤3中确定的各节电感器的参数和步骤4中确定的各节电容器的参数，在电磁软件中建立硅通孔低通滤波器三维模型，进行仿真，完成对整个低通滤波器的设计。

本实例利用步骤3中设定的工艺参数值和确定的第二节三维集成电感Lr2和第四节三维集成电感和Lr4中硅通孔排列的行、列间距和电感匝数，以及步骤4中确定的第一节同轴硅通孔电容器Cr1、第三节同轴硅通孔电容器Cr3、第五节同轴硅通孔电容器Cr5的内介质层厚度的值，在电磁软件中建立的基于硅通孔的低通滤波器的三维结构模型如图4所示：

目前常用的电磁仿真软件有CST MWS、FEKO和ANSYS HFSS，本实例中采用但不限于ANSYS HFSS软件设计基于硅通孔的低通滤波器。

参照图4，本实例设计的低通滤波器，包括两个三维集成电感Lr2，Lr4和三个同轴硅通孔电容器Cr1，Cr3，Cr5，其中第二节三维集成电感Lr2与第四节三维集成电感Lr4串联，且第二节三维集成电感Lr2位于首部，其一端与输入端口P1连接，另一端接第四节三维集成电感Lr4，第四节三维集成电感Lr4另一端与输出端口P2相连接；第一节同轴硅通孔电容器Cr1一端与输入端口P1连接，另一端接地GND；第三节同轴硅通孔电容器Cr3的一端与第二节三维集成电感Lr2和第四节三维集成电感Lr4的公共端相连，另一端接地GND；第五节同轴硅通孔电容器Cr5的一端与输出端口P2连接，另一端接地GND。

本实例低通滤波器的性能结果可结合仿真结果作进一步说明：

仿真内容：利用电磁仿真软件ANSYS HFSS对本实例的低通滤波器电路的性能进行仿真，结果如图5所示：

从图5可见，本实例的低通滤波器通带频率为0～2.4GHz，通带内插入损耗小于1dB，阻带内高于4.8GHz时的损耗大于20dB，满足设定的设计需求。

以上描述仅是发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容后，都可能在不背离本发明内容的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明内容的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.基于硅通孔的低通滤波器设计方法，其特征在于，包括如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中利用集总元件低通滤波器设计方法，确定低通滤波器各元件值，其实现如下：

2a)根据设计指标，通过查询低通滤波器原型数值表确定滤波器中各元件的归一化值g；

2b)根据各元件的归一化值g、截止频率ω_c和特征阻抗z_o，计算得到低通滤波器的电感L和电容C：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于(3a)中计算三维集成电感的电感值，其计算如下：

(3a1)计算三维集成电感中所有硅通孔的总自感L₁：

其中，μ为介质材料的磁导率；

(3a2)计算三维集成电感中所有再分布线的总自感L₂：

其中，w_RDL为再分布线的宽度，t_RDL为再分布线的厚度，l_RDL为顶层再分布线的长度；

(3a3)计算三维集成电感中同列硅通孔之间的互感总和M₁：

式中，l为导体的长度，d为两导体的中心间距；

(3a4)计算三维集成电感中不同列硅通孔之间互感总和M₂：

(3a5)计算三维集成电感中底层再分布线之间互感总和M₃：

其中，i3为第i3个底层再分布线，j3为第j3个底层再分布线；

(3a6)计算三维集成电感中顶层再分布线之间的互感总和M₄：

其中，i4为第i4个顶层再分布线，j4为第j4个顶层再分布线；

(3a7)计算三维集成电感中顶层再分布线与底层再分布线之间互感总和M₅：

其中，i5为第i5个底层再分布线，j5为第j5个顶层再分布线；

(3a8)计算三维集成电感的总电感L_tot：

L_tot＝L₁+L₂+2(M₁-M₂+M₃+M₄-M₅)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于(3a)中计算三维集成电感的面积Area，通过如下公式计算：

Area＝N_TS_TSVP_TSV。