本文将描述利用低温共烧陶瓷制程（low-temperature cofired ceramics；LTCC）设计差动带通滤波器（BPF），设计频段依据IEEE802.11a、b或 g的规格，在2.4GHz与5.2GHz。由于在无线通讯网路及个人通讯网路的架构设计中，如(图一)，在接收端需要平衡到非平衡转换器（BALUN）将差动的低杂讯放大器（Low Noise Amplifier；LNA）与单端的BPF相连接，而在传送端中，若是放大器（Power Amplifier；PA）设计为双端时也是如此，所以设计BPF可以省去BALUN的元件，并且差动设计可以提升整体效能，并降低同模杂讯干扰。在设计新的BPF中采用LTCC的制程，其主要原因在于此基材有高品质（high Q）特性以及低插入损失（low insertion loss）。

设计动机及架构

由于平衡式的传输线在电路的结构、对杂讯的抵抗能力及受基板影响程度较低等特性上，相较于单端传输线如​​微带线的非平衡式传输线，具有相当的优势，故在目前市面所见之无线区域网路晶片组，大多已采用平衡的输入端点，以图一为例，在两个频段的接收路径上之LNA，都已采用平衡的输入端点。然而整个收发路径从天线、收发开关及滤波器等，一般仍使用单端的的非平衡式传输线作为输出、输入的传输线。为了要转换平衡与非平衡间讯号，在LNA之前需要一个BALUN，将单端讯号转为平衡讯号才能进入放大器。但由天线的观点，许多天线，如偶极天线（dipole antenna）、环型天线（loop antenna）及微带天线（patch antenna）等可以很容易作成对称平衡式输入的天线，所以为配合IC的设计将由天线开始的整个接收/发射路径均使用平衡式的传输线结构，是一个自然的方式，也可以省下BALUN所造成的损耗及所占用的面积。

但由于平衡式输出/输入元件，使用一般标准的双埠网路分析仪并不容易量测，可能因为此一原因，而使得一般在设计滤波器等被动元件时大多仍然使用单端50(的传输线。平衡式元件在量测上的困难，可以使用BALUN将平衡讯号转为单端讯号后再使用一般二埠网路分析仪量测或使用如Agilent E5071B四埠网路分析仪而获得解决。使用BALUN时，将无法分别得到共模与差动模个别的特性，若使用Agilent E5071B四埠网路分析仪时，此网路分析仪将一条平衡传输线的两条导线视为两个独立的输出入埠，如滤波器的双埠平衡元件就需要四个独立的输出入埠来进行量测。将量到的四埠散射矩阵，经过适当的转换后就可以同时得到平衡传输线下共模与差动模的散射矩阵。

LTCC材质特性简介

LTCC是利用​​陶瓷板材先印上金属导线及连通孔后，将多层板材叠合之后，再进行烧结的动作，如(图二)(a)。由于介电常数够大约在7左右，元件尺寸可以缩小，且使用低温烧结，可以使用如银等低损耗的金属，且多层结构提供很大的设计上的自由度，可以整合几乎所有的被动元件，从电感、电容到滤波器、耦合器，甚至于天线等，若配合磁性材料，也可以将如循环器等非等向元件整合至整个结构中。而主动的元件，则可利用焊线接法（wire bonding） 或是覆晶的方式一起整合到单一个基板上，如图二(b)[1]所示，而形成系统级封装（System in Package）的形式[1-4]。由于被动部分可整合至基板，可以大幅减少所需外接个别被动元件的数目，自然减少所需面积并增加系统的可靠度。

本文的设计范例是依据IEEE802.11a、b或 g相关规格，以2.4GHz和5.2GHz为中心频率设计差动带通滤波器。如此可以在接收端中，使用差动输出带通滤波器与差动输入LNA相连接而省去BALUN。一般输入/输出阻抗以匹配天线阻抗​​其介于50～200Ω之间，本范例阻抗匹配以差动50Ω为主[5]。首先，在设计带通滤波器时，先以单端25Ω匹配做分析，依据其主要规格，如中心频率、频宽、ripple、选定架构。本文使用耦合电容与并联短路共振器（平行传输线）的架构，等效电路如(图三)(a)所示（其设计原理如参考资料[6]所述）。而本研究改变输入传输线为上下叠之平行传输线，而由耦合传输线中心输入，如图三(b) 为传输线形式以短路并联（λ/4）形同电感。由于想更进一步改善带通滤波器的特性，在本研究中加入了二个零点在其电路Y特征函数上，也就是在输入端与输出端间加入电容，如(图四)所示，令其新的Y12'和Y21'为零，求得电容值[7]。整个差动带通滤波器如(图五)所示，以对称方式组成，其差动传输线阻抗为50 Ω。

实验数据及结果

电磁模拟中，如(图六)(a)与(b)所示，为差动带通滤波器其频段为2.4GHz与5.2GHz的3D layout图，其模拟结果如(图七)(a)与(b)所示；在此使用LTCC的制程共12层。而差动带通滤波器2.4GHz及5.2GHz体积分别为3.9×3.1×0.53mm^3和2.7×2.1×0.53mm^3。最后将其差动带通滤波器模拟结果与参考资料单端带通滤波器做比较，分为未加电容差动带通滤波器、加电容产生两个零点差动带通滤波器、原参考资料单端带通滤波器依据2.4GHz及5.2GHz下模拟结果，而归纳出一个比较表。

结论

利用差动带通滤波器取代单端带通滤波器，不仅可以省去BALUN元件而减少尺寸，且差动架构优点可以减少偶次谐波干扰，增加讯号杂讯比，以及虚拟接地取代较差接地等原因，再加上LTCC制程hign Q及low insertion loss，提升了整体效能；另外加入了二个零点，使得带通滤波器得以获得更佳改善，由上述可知，差动带通滤波器将是RF front-end 中可发展的架构。

(作者卢信嘉台大电子工程学研究所/台大系统晶片中心研发教授,蔡昆宏为研究生 )

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