本文將描述利用低溫共燒陶瓷製程（low-temperature cofired ceramics；LTCC）設計差動帶通濾波器（BPF），設計頻段依據IEEE802.11a、b或 g的規格，在2.4GHz與5.2GHz。由於在無線通訊網路及個人通訊網路的架構設計中，如(圖一)，在接收端需要平衡到非平衡轉換器（BALUN）將差動的低雜訊放大器（Low Noise Amplifier；LNA）與單端的BPF相連接，而在傳送端中，若是放大器（Power Amplifier；PA）設計為雙端時也是如此，所以設計BPF可以省去BALUN的元件，並且差動設計可以提昇整體效能，並降低同模雜訊干擾。在設計新的BPF中採用LTCC的製程，其主要原因在於此基材有高品質（high Q）特性以及低插入損失（low insertion loss）。

設計動機及架構

由於平衡式的傳輸線在電路的結構、對雜訊的抵抗能力及受基板影響程度較低等特性上，相較於單端傳輸線如微帶線的非平衡式傳輸線，具有相當的優勢，故在目前市面所見之無線區域網路晶片組，大多已採用平衡的輸入端點，以圖一為例，在兩個頻段的接收路徑上之LNA，都已採用平衡的輸入端點。然而整個收發路徑從天線、收發開關及濾波器等，一般仍使用單端的的非平衡式傳輸線作為輸出、輸入的傳輸線。為了要轉換平衡與非平衡間訊號，在LNA之前需要一個BALUN，將單端訊號轉為平衡訊號才能進入放大器。但由天線的觀點，許多天線，如偶極天線（dipole antenna）、環型天線（loop antenna）及微帶天線（patch antenna）等可以很容易作成對稱平衡式輸入的天線，所以為配合IC的設計將由天線開始的整個接收/發射路徑均使用平衡式的傳輸線結構，是一個自然的方式，也可以省下BALUN所造成的損耗及所佔用的面積。

但由於平衡式輸出/輸入元件，使用一般標準的雙埠網路分析儀並不容易量測，可能因為此一原因，而使得一般在設計濾波器等被動元件時大多仍然使用單端50(的傳輸線。平衡式元件在量測上的困難，可以使用BALUN將平衡訊號轉為單端訊號後再使用一般二埠網路分析儀量測或使用如Agilent E5071B四埠網路分析儀而獲得解決。使用BALUN時，將無法分別得到共模與差動模個別的特性，若使用Agilent E5071B四埠網路分析儀時，此網路分析儀將一條平衡傳輸線的兩條導線視為兩個獨立的輸出入埠，如濾波器的雙埠平衡元件就需要四個獨立的輸出入埠來進行量測。將量到的四埠散射矩陣，經過適當的轉換後就可以同時得到平衡傳輸線下共模與差動模的散射矩陣。

LTCC材質特性簡介

LTCC是利用陶瓷板材先印上金屬導線及連通孔後，將多層板材疊合之後，再進行燒結的動作，如(圖二)(a)。由於介電常數夠大約在7左右，元件尺寸可以縮小，且使用低溫燒結，可以使用如銀等低損耗的金屬，且多層結構提供很大的設計上的自由度，可以整合幾乎所有的被動元件，從電感、電容到濾波器、耦合器，甚至於天線等，若配合磁性材料，也可以將如循環器等非等向元件整合至整個結構中。而主動的元件，則可利用焊線接法（wire bonding） 或是覆晶的方式一起整合到單一個基板上，如圖二(b)[1]所示，而形成系統級封裝（System in Package）的形式[1-4]。由於被動部分可整合至基板，可以大幅減少所需外接個別被動元件的數目，自然減少所需面積並增加系統的可靠度。

本文的設計範例是依據IEEE802.11a、b或 g相關規格，以2.4GHz和5.2GHz為中心頻率設計差動帶通濾波器。如此可以在接收端中，使用差動輸出帶通濾波器與差動輸入LNA相連接而省去BALUN。一般輸入/輸出阻抗以匹配天線阻抗其介於50～200Ω之間，本範例阻抗匹配以差動50Ω為主[5]。首先，在設計帶通濾波器時，先以單端25Ω匹配做分析，依據其主要規格，如中心頻率、頻寬、ripple、選定架構。本文使用耦合電容與並聯短路共振器（平行傳輸線）的架構，等效電路如(圖三)(a)所示（其設計原理如參考資料[6]所述）。而本研究改變輸入傳輸線為上下疊之平行傳輸線，而由耦合傳輸線中心輸入，如圖三(b) 為傳輸線形式以短路並聯（λ/4）形同電感。由於想更進一步改善帶通濾波器的特性，在本研究中加入了二個零點在其電路Y特徵函數上，也就是在輸入端與輸出端間加入電容，如(圖四)所示，令其新的Y12'和Y21'為零，求得電容值[7]。整個差動帶通濾波器如(圖五)所示，以對稱方式組成，其差動傳輸線阻抗為50 Ω。

實驗數據及結果

電磁模擬中，如(圖六)(a)與(b)所示，為差動帶通濾波器其頻段為2.4GHz與5.2GHz的3D layout圖，其模擬結果如(圖七)(a)與(b)所示；在此使用LTCC的製程共12層。而差動帶通濾波器2.4GHz及5.2GHz體積分別為3.9×3.1×0.53mm^3和2.7×2.1×0.53mm^3。最後將其差動帶通濾波器模擬結果與參考資料單端帶通濾波器做比較，分為未加電容差動帶通濾波器、加電容產生兩個零點差動帶通濾波器、原參考資料單端帶通濾波器依據2.4GHz及5.2GHz下模擬結果，而歸納出一個比較表。

結論

利用差動帶通濾波器取代單端帶通濾波器，不僅可以省去BALUN元件而減少尺寸，且差動架構優點可以減少偶次諧波干擾，增加訊號雜訊比，以及虛擬接地取代較差接地等原因，再加上LTCC製程hign Q及low insertion loss，提昇了整體效能；另外加入了二個零點，使得帶通濾波器得以獲得更佳改善，由上述可知，差動帶通濾波器將是RF front-end 中可發展的架構。

（作者盧信嘉為台大電子工程學研究所/台大系統晶片中心研發教授，蔡昆宏為研究生 ）

延 伸 閱 讀	LTCC技術具有體積小、高頻、穩定性高的特色，傳統IC模組需花費三至四個月的量產時間，被動元件在成本及電性考慮下，原先無法整合於IC內，採用LTCC技術則可克服上述困難。相關介紹請見「LTCC挑戰無線通信應用」一文。 為因應降低系統體積與成本的需求，業界興起將RF與系統其他功能進行整合的趨勢，本文將介紹RF與非RF元件的各種整合問題，以及RF本身的整合困難點。你可在「手機與無線通訊系統的RF整合技術」一文中得到進一步的介紹。 低頻和高頻RF無線系統的整合具有很大差異，本文介紹了透過多晶片封裝或模組實現被動元件與RF主動元件整合的策略。在「無線通訊系統和手機的射頻整合策略」一文為你做了相關的評析。

最新消息	TDK在2004年UWB技術國際會議中展示UWB相關元件。除天線以外，還首次展出了UWB的FR部分使用的帶通濾波器（BPF）和BALUN電路。相關介紹請見「TDK展出UWB移動天線和帶通濾波器」一文。 EPCOS發表採用LTCC製程的GPS濾波器，適用於汽車、輪船、手持設備及行動電話等導航系統應用。你可在「Epcos的陶瓷濾波器適用於車船及手機等的導航系統」一文中得到進一步的介紹。 應用低溫共燒陶瓷技術LTCC從事射頻（RF）模組之設計廠商-叡邦微波科技，推出台灣首片「Paeonia Series」LTCC RF模組 。在「叡邦微波推出國產LTCC RF模組」一文為你做了相關的評析。