RF設計のためのLTCCフィルターとキャパシタコンポーネントの選択

投稿日六月 14, 2022
更新日七月 1, 2024

組み込み世界では、最初のスマートフォンが登場するずっと前から、統合が主要なトレンドとなり始めましたが、高度に統合されたシステムであっても、適切に機能するためにはディスクリート部品や外部の受動部品が必要です。RF信号チェーンのためのフィルタリング段階を設計する必要がある場合や、望ましくない帯域での受信を抑制する必要がある場合、選択肢はディスクリート部品を使用するか、統合ソリューションを使用するかです。低周波数ではディスクリートでの設計が問題ありませんが、設計中に可能な限り小さいコンポーネントのフットプリントを使用しても、これらの回路は最終的に電気的に長くなります。

低温共焼きセラミック（LTCC）コンポーネントとハイブリッド回路の登場です。LTCCフィルタ回路は、望ましくない帯域での受信を抑制するためのシールドの代替手段です。また、フィルタリングが必要な場合のシンプルなソリューションであり、高い減衰を伴う高次のローパス、バンドパス、ハイパスフィルタリングを提供します。帯域外の減衰を高め、システムサイズを小さくしたい場合は、これらのガイドラインに従ってください。

LTCCフィルタの選択

LTCCフィルタを選択する主な理由は、外部の受動部品を必要とせずにインピーダンスマッチフィルタ要素として機能することです。これらのコンポーネントの製造プロセスは、望ましい帯域での挿入損失/リターン損失を精密にエンジニアリングした小型パッケージに複数の回路要素を統合することをサポートします。これらの製品は、標準的な頑丈で低プロファイルのSMDパッケージで製造された一体型セラミック構造体です。

これらのコンポーネントは、セラミック基板上の単一の多層構造に複数の回路を統合します。セラミック基板は、高いDk値（最大で10に達することがあります）を持っています。これらの回路には、アクティブまたはパッシブの回路要素が含まれることがあります。これらのコンポーネントの主な用途はRFデバイス用ですが、他の潜在的な用途にはセンシング、MEMS、その他のアナログアプリケーションが含まれます。

挿入損失とリターン損失

LTCCフィルタを選択する際、最も重要な仕様は挿入損失とリターン損失のスペクトラです。これらのスペクトラはグラフで示され、伝送線や他の回路と同じ意味を持ちます。高品質のLTCCフィルタ回路は、通過帯域内で1-2 dB未満の挿入損失を持ち、リターン損失は約-20 dBよりも良いべきです。

理想的なフィルタはリターン損失が負の無限大で挿入損失が0 dBであるべきなので、1 dBの挿入損失値は有用な接続長を制限する可能性があります。しかし、これはLTCCフィルタを使用する利点を示すべきです。LTCCを通してルーティングすることで、ディスクリートを単一のハイブリッド回路に統合することにより、全体の接続長を短縮できます。これにより、特に非常に高い周波数で、RF信号によって見られる総損失を減らすことができます。

その他の重要な仕様

LTCCバンドパスフィルターは、通常、特定のプロトコルまたは周波数帯域に対応するように設計されており、製品文献には意図された帯域が通常記載されています。これにより、LTCCフィルターコンポーネントの仕様を比較する際の出発点となります。広帯域フィルタリングの場合、挿入損失と帰還損失が大きすぎない限り、LTCCフィルターは複数の帯域に対応できます。

LTCCフィルターを選択する際に関わる他の重要な仕様には以下が含まれます：

周波数範囲。コンポーネントのデータシートには、パスバンドを定義するために上限および/または下限のカットオフ周波数のみが記載されていることがあります。バンドパスフィルター回路の場合、周波数範囲は時々、下限カットオフと3 dB帯域幅を使用して指定されます。
インピーダンスマッチング。 LTCCフィルターはPCB上のRF回路で使用するために設計されているため、一般に入力と出力で50オームにインピーダンスマッチされています。
ストップバンド減衰。 これは挿入損失スペクトルを伝える別の方法です。これは時々、より広い範囲の周波数にわたる挿入損失データを示すことがあります。
製品マッチ。 一部のLTCCフィルターコンポーネントは、特定のコネクターや他のコンポーネントとマッチするように特別に設計されています。例えば、Johanson 0900FM15D0039Eは、いくつかのSemtechトランシーバーにフィルタリングとインピーダンスマッチングを提供するように設計されています。
パッケージサイズ。 RFアプリケーション用に設計されたLTCCフィルターは、1206（インペリアル）またはそれより小さいSMDパッケージサイズを持つことがあります。これにより、典型的なSMDキャパシタと同じフットプリントサイズになります。
定格電力。 RFパワーアンプ用のLTCCフィルターが必要な場合は、定格電力に注意してください。これらのコンポーネントは同じパッケージのディスクリートよりも高い定格電力を持っていますが、定格電力はRF信号の望ましい電力よりも上になければなりません。

LTCCフィルターの例 2つ

市場で見つけることができる例として、Taoglas LLP.5875.Y.A.30を見てみましょう。このローパスフィルターは、5.8 GHzのWifi周波数用に設計され、低いパスバンドリップルと高い減衰を持っています。挿入損失はパスバンドで約0.6 dBで、最大0.5 dBの変動がありますが、1.25 mm長のコンポーネントにとっては良好です。

別の選択肢は、Johanson 5400HP05A0950Tのハイパスフィルターです。このコンポーネントもWifi 5.8 GHz周波数を対象としており、挿入損失は約1.5 dBと高いですが、~4.9 GHz以下での帯域外減衰（最小-30 dB）が高いです。このコンポーネントは、スマートホームデバイスやウェアラブルなどの無線デバイスで低周波数信号を拒否するのに適しています。

LTCCフィルターをmmWave設計に推進する

LTCCフィルターコンポーネントは、一般的な周波数帯域（WifiおよびBluetooth）でのRF設計をサポートする実績があり、ISMバンドでの高精度受信と帯域外のリジェクションを保証するためにも使用されています。新しいmmWave設計においては、企業が高周波数をサポートするために特にLTCCキャパシターやフィルターサーキットを開発しています。これらの周波数への推進は、主に5Gの展開と超小型高周波フィルターサーキットの必要性によって駆動されています。

従来のmmWaveフィルターは、通常、PCB上に直接受動素子として設計されるか、弱い寄生成分を持つSMDディスクリートを使用するか、または導波管のカットオフ周波数を利用することによって設計されます。多くのSoCやCPUがモバイル/IoTデバイス用に高度に統合されているにもかかわらず、40 GHzまで動作するSMDフィルターサーキットは依然として望ましいものです。LTCCフィルターサーキットは6 GHzを超えるソリューションを提供でき、一部のコンポーネントは間もなく小型パッケージサイズ（例：1206インペリアル）で利用可能になる予定です。

LTCCフィルターやその他のコンポーネントに加えて、RF設計者は、統合コンポーネントを搭載していないモバイルシステム、エッジシステム、基地局、その他のユニークなデバイスに対して、さまざまなコンポーネントを必要としています。いくつかのコンポーネント要件には以下が含まれます：

市場には多くのLTCCフィルターオプションがあり、新しいLTCCサーキットが商業化のために開発されています。Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能の完全なセットを使用することで、最新のコンポーネント開発に追いつくことができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、現在のディストリビューターの価格データ、部品在庫、および部品仕様にアクセスでき、それらはすべてユーザーフレンドリーなインターフェースで自由にアクセス可能です。受動部品ページをご覧ください、必要なコンポーネントを見つけてください。

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