Utilizzare la tecnologia LTCC per filtri passa-banda RF ad alte prestazioni, compatti e stabili

Con l'aumento della dipendenza dalle comunicazioni wireless, dai radar, dai satelliti e da altri sistemi a radiofrequenza/microonde, i filtri passa-banda diventano sempre più critici perché selezionano le frequenze desiderate e respingono quelle indesiderate all'interno dello spettro di interesse. Sebbene la classica implementazione dei filtri a elementi concentrati basata su resistori, induttori e condensatori (RLC) passivi discreti abbia funzionato bene nel settore, i progettisti hanno bisogno di un'opzione per i filtri nell'ordine dei gigahertz (GHz) per soddisfare meglio i requisiti sempre più esigenti in termini di prestazioni, stabilità, perdite, dimensioni, affidabilità, coerenza e costi.

Questo articolo esplora le sfide di filtraggio che i progettisti di sistemi ad alta frequenza devono affrontare. Presenta poi la tecnologia LTCC (ceramica co-sinterizzata a bassa temperatura) e fornisce esempi di filtri di Mini-Circuits per mostrare come possa essere utilizzata per affrontare queste sfide.

I principi base dei filtri

La teoria dei filtri passivi copre molte topologie di filtri, le loro caratteristiche e il loro ruolo, compresi i filtri passa-basso, passa-alto, ferma-banda e passa-banda (Figura 1). Questi filtri sono analizzati utilizzando componenti RLC discreti.

Figura 1: I simboli degli schemi (a sinistra) e il guadagno in funzione della frequenza (a destra) per quattro funzioni di base del filtro. (Immagine per gentile concessione di Learn About Electronics)

I quattro tipi di filtro forniscono queste funzioni base di trasferimento dell'attenuazione rispetto alla frequenza:

• Filtro passa-basso (LPF): fa passare le frequenze al di sotto di una specifica frequenza di taglio e attenua le frequenze al di sopra di essa
• Filtro passa-alto (HPF): fa passare le frequenze al di sopra di una specifica frequenza di taglio e attenua le frequenze al di sotto di essa
• Filtro passa-banda (BPF): consente il passaggio di uno specifico intervallo di frequenze, attenuando quelle al di fuori di tale intervallo
• Filtro ferma-banda/notch (BSF): attenua una specifica banda di frequenza ristretta, lasciando passare le altre

Le topologie dei filtri sono classificate non solo in base al loro ruolo, ma anche in base ai loro nomi, ai descrittori matematici e alle equazioni (alcune delle quali sono legate a matematici precedenti all'era dell'elettronica). Queste classificazioni includono primo ordine, secondo ordine, pi-, massimamente piatto, T, Butterworth, Cauer, Chebyshev e Bessel.

Sebbene i principi e la matematica che definiscono questi filtri rimangano validi, la loro costruzione a elementi concentrati diventa impraticabile quando le frequenze dei filtri raggiungono le centinaia di megahertz (MHz) e i GHz. I filtri basati su questi componenti discreti sono troppo grandi, costosi e incoerenti per la produzione in grandi volumi.

Le correnti parassite inevitabili fanno sì che la teoria del filtro e la sua implementazione fisica diano risultati differenti, spesso con un ampio margine. Con l'aumentare delle frequenze, può essere necessario rifinire (spesso a mano) ogni esemplare fisico del filtro per adattarlo alle sottili variazioni di queste correnti parassite e alle tolleranze dei componenti.

Per caratterizzare formalmente le prestazioni dei filtri si utilizzano molti parametri. Fra questi:

• Frequenza centrale: la frequenza centrale dei filtri passa-banda o notch (ferma-banda)
• Frequenza di taglio: frequenza alla quale la potenza del segnale di uscita si riduce della metà (3 dB) rispetto all'ingresso, segnando il confine tra banda passante e banda di arresto
• Banda passante: intervallo delle frequenze che passano attraverso il filtro con un'attenuazione minima
• Banda di arresto: intervallo delle frequenze che vengono significativamente attenuate o bloccate
• Tasso di roll-off: la ripidità della transizione tra la banda passante e la banda di arresto, misurata in decibel per decade o per ottava
• Perdita di inserzione: la perdita di potenza del segnale risultante dall'inserimento del filtro in una linea di trasmissione, misurata in dB
• Ripple: piccole variazioni di guadagno all'interno della banda passante o della banda di arresto, comuni nei filtri di ordine superiore
• Spostamento di fase/ritardo di gruppo: spostamento di fase, in funzione della frequenza, del segnale che attraversa il filtro rispetto all'ingresso
• Parametri S (parametri di diffusione): utilizzati nei filtri RF/microonde, come S₂₁ (guadagno/perdita) e S₁₁ (attenuazione di riflessione/riflessione)

A ciò si aggiungono i problemi del mondo reale, come la deriva indotta dalla temperatura, i limiti di dissipazione e l'invecchiamento dei componenti.

Andare oltre gli elementi discreti

I filtri passa-banda sono ampiamente utilizzati nei sistemi cablati e wireless per selezionare una banda di interesse desiderata relativamente ampia, con bande di attenuazione su entrambi i lati, e per selezionare un segnale a banda relativamente stretta corrispondente a un singolo canale.

Per superare le limitazioni intrinseche dei filtri costruiti a partire da elementi discreti, gli ingegneri hanno sviluppato e perfezionato una serie di tecnologie di filtraggio e tecniche di fabbricazione alternative, ciascuna con caratteristiche uniche. Tra queste vi sono le linee di trasmissione planari, come i filtri a microstriscia, a guida complanare (CPW) e strip-line; i filtri a cavità; i filtri LTCC; i filtri dielettrici e i filtri piezoelettrici, compresi i filtri a onda acustica di superficie (SAW) e a onda acustica di volume (BAW).

I filtri LTCC, in particolare, sono componenti RF miniaturizzati, robusti e ad alte prestazioni, progettati per applicazioni ad alto volume e con vincoli di spazio, che ora includono lnternet delle cose (IoT), Wi-Fi 6E/7 e sistemi satellitari. Funzionano da 400 MHz a oltre 40 GHz e sono caratterizzati da bassa perdita di inserzione, alta selettività, prestazioni costanti e compatibilità con i processi di produzione automatizzati con tecnologia a montaggio superficiale (SMT).

I dispositivi LTCC sono prodotti con un processo multistrato avanzato (Figura 2). I "nastri verdi" in vetroceramica vengono stampati con materiali conduttivi per formare gli elementi di filtro passivo richiesti; vengono quindi impilati, pressati e cotti a temperature relativamente basse (inferiori a +900 °C). Il processo LTCC consente l'integrazione tridimensionale ad alta densità dei componenti RLC in un contenitore robusto, miniaturizzato e termostabile, adatto alle applicazioni RF/microonde ad alta frequenza.

Figura 2: Il processo LTCC prevede l'impilamento e la pressatura degli strati dei componenti passivi su substrati di vetroceramica, che vengono poi cotti a formare un componente monolitico unificato. (Immagine per gentile concessione di Everything RF)

Combinando i progressi delle topologie circuitali, dei materiali, delle capacità di simulazione e dei processi di fabbricazione, Mini-Circuits ha sviluppato una famiglia di filtri LTCC adatti ai sistemi a microonde e a onde millimetriche, compreso il 5G. Questi filtri LTCC offrono molti vantaggi rispetto alle tecnologie precedenti, come il film sottile su allumina, che ha un ingombro maggiore, è più costoso, è più sensibile all'ambiente circostante e più suscettibile alla desintonizzazione in layout densi. I filtri LTCC, invece, offrono un'eccellente combinazione di prestazioni, robustezza fisica, dimensioni, economicità e coerenza.

La tecnologia LTCC consente di utilizzare come conduttori metalli a bassa resistenza elettrica, come il rame, perché la cottura avviene a temperature inferiori rispetto ad altri filtri a base ceramica. Di conseguenza, è in grado di offrire una perdita di inserzione inferiore rispetto alle ceramiche di allumina convenzionali e viene utilizzata nel confezionamento ad alta frequenza e nelle applicazioni di integrazione dei moduli.

I progressi negli approcci LTCC

I filtri LTCC hanno tradizionalmente fornito una reiezione della banda di arresto da circa 30 dB a oltre 90 dB.

Tuttavia, quando si utilizzano componenti di classe GHz, il loro montaggio e i percorsi del segnale di ingresso/uscita sono critici quanto i componenti stessi; non si tratta solo di avere i componenti giusti in distinta base, ma entrano in gioco anche considerazioni di layout e produzione.

Il problema è che questi filtri ad alta reiezione spesso richiedono che l'energia RF venga "lanciata" da una linea di trasmissione strip-line, a microstriscia o ad altra impedenza controllata per ottenere le prestazioni di reiezione complete. Ciò limita i progettisti che desiderano incorporare i filtri LTCC nelle loro linee di trasmissione a microstriscia e CPW. Ad esempio, alcuni progetti possono presentare strutture di lancio RF coassiali sulla superficie inferiore, richiedendo fori di via ciechi verso lo strato conduttivo di un circuito strip-line.

Tuttavia, mentre molti produttori di PCB hanno sviluppato la capacità di costruire in modo affidabile assemblaggi SMT con fori di via ciechi, alcuni progettisti continuano a preferire le schede di cablaggio CPW, in cui il contatto tra la traccia conduttiva e le porte del dispositivo è esposto sullo strato superiore. Oltre a risolvere i problemi legati ai fori di via ciechi, l'approccio CPW consente di saldare altri componenti SMT in shunt o in serie con la traccia del segnale e di regolare la larghezza della traccia e l'impedenza caratteristica per un adattamento ottimale.

Inoltre, il land pattern di un contenitore di filtro può includere una placcatura conduttiva sulla superficie inferiore. Di conseguenza, la semplice saldatura dell'unità alla traccia esposta su una scheda CPW causerebbe problemi di funzionamento dovuti al cortocircuito tra la metallizzazione della PCB e la superficie inferiore del filtro. 

Filtri LTCC pick-and-place

Per risolvere questi problemi, Mini-Circuits ha sviluppato la serie BFHKI di filtri compatibili con CPW da utilizzare con una piattaforma SMT pick-and-place. Questi filtri passa-banda LTCC sono costituiti da un sottoassieme che comprende il componente LTCC e un substrato di interposizione che converte il lancio coassiale dell'LTCC in un'interfaccia CPW (Figura 3, in alto). La disponibilità di questa scheda di interposizione consente di montare i filtri passa-banda LTCC della serie BFHKI su tracce microstriscia e CPW (Figura 3, in basso), offrendo notevoli vantaggi in termini di prestazioni rispetto ai filtri LTCC tradizionali e ad altre tecnologie di filtraggio.

Figura 3: La serie di filtri LTCC BFHKI è dotata di una scheda di interposizione tra il filtro e la PCB (in alto), che consente il facile utilizzo con le linee di trasmissione dello strato superiore; la guida al layout della PCB per la serie (in basso) mostra che supporta il posizionamento del dispositivo su tracce microstriscia e CPW. (Immagine per gentile concessione di Mini-Circuits)

Due esempi per mostrare le prestazioni ottenibili

Due esempi rappresentativi evidenziano le prestazioni RF dei filtri LTCC serie BFHKI. All'estremità inferiore dello spettro, BFHKI-5001+ (Figura 4) è un filtro passa-banda con banda passante da 4,5 a 5,3 GHz, che supporta applicazioni quali i collegamenti di comunicazione satellitare, il condizionamento dei segnali nel settore aerospaziale e della difesa e l'informatica quantistica. Presenta un'alta reiezione della banda di arresto di 54 dB (tip.) fino a 13 GHz se montato su layout CPW e una perdita di inserzione di 3,6 dB (tip.) su una banda larga.

Figura 4: Il filtro passa-banda BFHKI-5001+ da 4,5 a 5,3 GHz presenta una reiezione della banda di arresto di 54 dB (tip.) fino a 13 GHz. (Immagine per gentile concessione di Mini-Circuits)

BFHKI-5001+ è alloggiato in un contenitore ceramico compatto di 4,95 × 3,65 × 1,82 mm, che lo rende adatto a layout PCB densi. La scheda di interposizione integrata consente l'installazione con apparecchiature di fabbricazione automatizzate.

Il processo di fabbricazione LTCC assicura una variazione minima delle prestazioni RF e fornisce un prodotto adatto a condizioni ambientali estreme, comprese umidità e temperature elevate. La costruzione schermata riduce al minimo le interferenze, la sensibilità ai componenti adiacenti e la desintonizzazione, tutti fattori critici nei layout RF densi.

All'altro capo dello spettro troviamo il dispositivo BFHKI-3142+, un filtro passa-banda miniaturizzato ad altissima reiezione della banda di arresto LTCC. Con una banda passante da 28 a 36 GHz, questo modello offre una reiezione della banda di arresto di 30 dB (tip.) fino a 67 GHz se montato su layout CPW. Ha una perdita di inserzione di 2,8 dB (tip.) su una banda larga.

Come il modello BFHKI-5001+, è alloggiato in un contenitore ceramico compatto di 4,95 × 3,65 × 1,82 mm con una scheda di interposizione per consentire il design-in e l'efficacia di produzione. Altri importanti indicatori di prestazioni sono la perdita di inserzione e l'attenuazione di riflessione in banda larga (Figura 5, in alto) e la perdita di inserzione e l'attenuazione di riflessione in banda passante (Figura 5, in basso).

Figura 5: Gli utenti del dispositivo BFHKI-3142+ devono conoscere le specifiche di perdita di inserzione e attenuazione di riflessione (in alto) complessive, nonché le stesse specifiche all'interno della banda passante (in basso). (Immagine per gentile concessione di Mini-Circuits)

Conclusione

Per soddisfare i requisiti in termini di prestazioni, affidabilità, coerenza, dimensioni e costi dei moderni sistemi RF/microonde, i progettisti devono andare oltre i classici filtri passa-banda costruiti con resistori, induttori e condensatori individuali. Come illustrato, i filtri LTCC della famiglia BFHKI di Mini-Circuits offrono prestazioni eccellenti e le caratteristiche necessarie; sono inoltre dotati di una scheda di interposizione che offre ai progettisti opzioni per il montaggio della scheda sul filtro e l'interfacciamento RF.