Utilice la tecnología LTCC para obtener filtros RF paso banda de alto rendimiento, compactos y estables

A medida que aumenta la dependencia de las comunicaciones inalámbricas, los radares, los satélites y otros sistemas de radiofrecuencia/microondas, los filtros de banda pasante se vuelven cada vez más críticos porque seleccionan las frecuencias deseadas y rechazan las no deseadas dentro del espectro de interés. Aunque la implementación clásica de filtros de elementos fijos basada en resistencias, inductores y condensadores pasivos discretos (RLC) ha prestado un buen servicio a la industria, los diseñadores necesitan una opción para que los filtros de gigahercios (GHz) satisfagan mejor los requisitos cada vez más exigentes de rendimiento, estabilidad, pérdidas, tamaño, fiabilidad, consistencia y coste.

Este artículo explora los desafíos de filtrado a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas de alta frecuencia. A continuación, presenta la tecnología de cerámica cocida a baja temperatura (LTCC) y proporciona ejemplos de filtros de Mini-Circuits para mostrar cómo puede utilizarse para afrontar estos retos.

Los fundamentos de los filtros

La teoría de los filtros pasivos abarca muchas topologías de filtros, sus características y sus funciones, incluidos los filtros de paso bajo, paso alto, banda de parada y banda pasante (figura 1). Estos filtros se analizan utilizando componentes RLC discretos.

Figura 1: Se muestran los símbolos del diagrama esquemático (izquierda) y la ganancia en función de la frecuencia (derecha) para cuatro funciones básicas del filtro. (Fuente de las imágenes: Learn About Electronics)

Los cuatro tipos de filtro proporcionan estas funciones básicas de transferencia de atenuación frente a frecuencia:

• Filtro de paso bajo (LPF): pasa las frecuencias por debajo de una frecuencia de corte específica y atenúa las frecuencias por encima de ella.
• Filtro de paso alto (HPF): pasa las frecuencias por encima de una frecuencia de corte específica y atenúa las frecuencias por debajo de ella.
• Filtro paso banda (BPF): permite el paso de un rango específico de frecuencias a la vez que atenúa las que están fuera de ese rango.
• Filtro atenuador/limitador de banda (BSF): atenúa una banda de frecuencias específica y estrecha dejando pasar otras.

Las topologías de los filtros se clasifican no solo por sus funciones, sino también por sus nombres, descriptores matemáticos y ecuaciones (algunas de las cuales están vinculadas a matemáticos anteriores a la era de la electrónica). Estas clasificaciones incluyen las de primer orden, segundo orden, pi-, máximo plano, T, Butterworth, Cauer, Chebyshev y Bessel.

Aunque los principios y las matemáticas que definen estos filtros siguen siendo válidos, su construcción con elementos agrupados se vuelve poco práctica a medida que las frecuencias de los filtros alcanzan los cientos de megahercios (MHz) y las regiones de GHz. Los filtros basados en estos componentes discretos son demasiado grandes, costosos e inconsistentes para una producción de gran volumen.

Las inevitables parásitas hacen que la teoría del filtro y su implementación física arrojen resultados diferentes, a menudo por un amplio margen. A medida que aumentan las frecuencias, puede ser necesario recortar (a menudo a mano) cada encarnación física del filtro para acomodar las sutiles variaciones de estas parásitas y las tolerancias de los componentes.

Se utilizan muchos parámetros para caracterizar formalmente el rendimiento de los filtros. Entre ellas están:

• Frecuencia central: la frecuencia central de los filtros de banda pasante o de muesca (bandstop)
• Frecuencia de corte: frecuencia en la que la potencia de la señal de salida cae a la mitad (3 decibelios (dB)) con respecto a la entrada, marcando el límite entre la banda pasante y la banda de parada.
• Banda pasante: la gama de frecuencias que pasan a través del filtro con una atenuación mínima.
• Banda de parada: la gama de frecuencias que se atenúan o bloquean significativamente
• Tasa de caída: la inclinación de la transición entre la banda pasante y la banda de parada, medida en decibelios por década o por octava.
• Pérdida de inserción: la pérdida de potencia de la señal resultante de la inserción del filtro en una línea de transmisión, medida en dB.
• Ondulación: pequeñas variaciones en la ganancia dentro de la banda pasante o la banda de parada, comunes en los filtros de orden superior.
• Desplazamiento de fase/retraso de grupo: el desplazamiento de fase dependiente de la frecuencia de la señal que pasa a través del filtro con respecto a la entrada.
• Parámetros S (parámetros de dispersión): utilizados en filtros de RF/microondas, como _S21 (ganancia/pérdida) y _S11 (pérdida de retorno/reflexión)

Además, existen problemas del mundo real como la deriva inducida por la temperatura, los límites de disipación y el envejecimiento de los componentes.

Ir más allá de los elementos discretos

Los filtros de banda pasante se utilizan ampliamente en sistemas alámbricos e inalámbricos para seleccionar una banda de interés deseada relativamente ancha, con bandas de atenuación a ambos lados, y para seleccionar una señal de banda relativamente estrecha correspondiente a un único canal.

Para superar las limitaciones inherentes a los filtros construidos a partir de elementos discretos, los ingenieros han desarrollado y perfeccionado una serie de tecnologías de filtrado y técnicas de fabricación alternativas, cada una con atributos únicos. Entre ellos se encuentran las líneas de transmisión planas, como los filtros microstrip, de guía de ondas coplanares (CPW) y stripline; los filtros de cavidad; los filtros LTCC; los filtros dieléctricos; y los filtros piezoeléctricos, incluidos los filtros de ondas acústicas superficiales (SAW) y de ondas acústicas masivas (BAW).

Los filtros LTCC, en particular, son componentes de RF en miniatura, resistentes y de alto rendimiento diseñados para aplicaciones de gran volumen y espacio limitado que ahora incluyen el Internet de las cosas (IoT), Wi-Fi 6E/7 y sistemas por satélite. Funcionan desde 400 MHz hasta más de 40 GHz y se caracterizan por su baja pérdida de inserción, alta selectividad, rendimiento constante y compatibilidad con los procesos automatizados de fabricación con tecnología de montaje en superficie (SMT).

Los dispositivos LTCC se fabrican mediante un proceso multicapa avanzado (figura 2). Las "cintas verdes" de cerámica-vidrio se imprimen con materiales conductores para formar los elementos filtrantes pasivos necesarios, después se apilan, se prensan y se cuecen a temperaturas relativamente bajas (por debajo de +900 °C). El proceso LTCC permite la integración tridimensional y de alta densidad de componentes RLC dentro de un encapsulado sólido, miniaturizado y térmicamente estable, muy adecuado para aplicaciones de RF/microondas de alta frecuencia.

Figura 2: El proceso LTCC consiste en apilar y prensar capas de componentes pasivos sobre sustratos de cerámica y vidrio, que luego se cuecen para formar un componente unificado y monolítico. (Fuente de la imagen: Everything RF)

Mediante la combinación de avances en topologías de circuitos, materiales, capacidades de simulación y procesos de fabricación, Mini-Circuits ha desarrollado una familia de filtros LTCC adecuados para sistemas de microondas y ondas milimétricas, incluida la 5G. Estos filtros LTCC ofrecen muchas ventajas sobre las tecnologías anteriores, como la película fina sobre alúmina, que ocupa más espacio, es más costosa, más sensible a su entorno y más susceptible a la desintonización en disposiciones densas. Por el contrario, los filtros LTCC ofrecen una excelente combinación de rendimiento, resistencia física, tamaño, rentabilidad y consistencia.

La tecnología LTCC permite utilizar metales de baja resistencia eléctrica, como el cobre, como conductores, ya que se somete a cocción a temperaturas más bajas que otros filtros de base cerámica. Como resultado, puede ofrecer una pérdida de inserción menor que la cerámica de alúmina convencional y se utiliza en aplicaciones de envasado de alta frecuencia e integración de módulos.

Avances en los enfoques LTCC

Los filtros LTCC han ofrecido tradicionalmente un rechazo de la banda de parada de unos 30 dB a más de 90 dB.

Sin embargo, cuando se utilizan componentes de clase GHz, su montaje y las rutas de señal de entrada/salida son tan críticos como los propios componentes; no se trata solo de tener las piezas correctas en la lista de materiales (BOM), ya que también entran en juego consideraciones de disposición y producción.

El problema es que estos filtros de alto rechazo suelen requerir que la energía de RF se "lance" desde una línea de transmisión estriada, microstrip u otra línea de transmisión de impedancia controlada para lograr su pleno rendimiento de rechazo. Esto limita a los diseñadores que desean incorporar filtros LTCC a sus líneas de transmisión microstrip y CPW. Por ejemplo, algunos diseños pueden presentar estructuras coaxiales de lanzamiento de RF en la superficie inferior, lo que requiere vías ciegas a la capa conductora de una placa de circuito impreso stripline.

Sin embargo, aunque muchos fabricantes de placas de circuito impreso (placa CI) han desarrollado la capacidad de construir de forma fiable conjuntos SMT con vías ciegas, algunos diseñadores siguen prefiriendo las placas de cableado CPW, en las que el contacto entre la traza conductora y los puertos de los dispositivos queda expuesto en la capa superior. Además de resolver las preocupaciones sobre las vías ciegas, la CPW permite soldar otros componentes SMT en derivación o en serie con la traza de la señal, y ajustar el ancho de la traza y la impedancia característica para una adaptación óptima.

Además, el patrón de tierra de un paquete de filtros puede incluir un chapado conductor en la superficie inferior. En consecuencia, soldar simplemente la unidad a la traza expuesta de una placa CPW causaría problemas de funcionamiento debido al cortocircuito entre la metalización de la placa y la superficie inferior del filtro. 

Filtros LTCC Pick-and-Place

Para solucionar estos problemas, Mini-Circuits ha desarrollado la serie BFHKI de filtros compatibles con CPW para su uso con una plataforma SMT pick-and-place. Estos filtros de banda pasante LTCC constan de un subconjunto formado por el componente LTCC y un sustrato intercalado que convierte el lanzamiento coaxial del LTCC en una interfaz CPW (figura 3, arriba). La disponibilidad de este intercalador permite montar la serie BFHKI de filtros de banda pasante LTCC en trazas microstrip y CPW (figura 3, abajo), lo que ofrece importantes ventajas de rendimiento respecto a los filtros LTCC tradicionales y otras tecnologías de filtrado.

Figura 3: La serie BFHKI de filtros LTCC incorpora un intercalador entre el filtro y la placa de circuito impreso (arriba), lo que facilita su uso con líneas de transmisión de capa superior; la guía de disposición de la placa de circuito impreso para la serie (abajo) muestra que admite la colocación del dispositivo en trazas microstrip y CPW. (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)

Dos ejemplos muestran un rendimiento alcanzable

Dos ejemplos representativos ponen de relieve el rendimiento en RF de los filtros LTCC BFHKI. En el extremo inferior del espectro, el BFHKI-5001+ (figura 4) es un filtro de banda pasante de 4.5 a 5.3 GHz, que admite aplicaciones como los enlaces de comunicación por satélite, el acondicionamiento de señales aeroespaciales y de defensa y la informática cuántica. Presenta un elevado rechazo de banda de parada de 54 dB (típico) hasta 13 GHz cuando se monta en disposiciones CPW, y tiene una pérdida de inserción de 3.6 dB (típica) en una banda ancha.

Figura 4: El filtro de banda pasante BFHKI-5001+ de 4.5 a 5.3 GHz presenta un rechazo de banda de parada de 54 dB (típico) hasta 13 GHz. (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)

El BFHKI-5001+ está alojado en un compacto encapsulado cerámico de 0.195" × 0.144" × 0.072", lo que lo convierte en una buena opción para diseños densos de placas de circuito impreso. La placa intercalada integrada permite la instalación mediante equipos de fabricación automatizados.

El proceso de fabricación LTCC garantiza una variación mínima del rendimiento de RF y ofrece un producto apto para condiciones ambientales extremas, como alta humedad y temperatura. La construcción apantallada minimiza las interferencias, la sensibilidad a los componentes adyacentes y la desintonización, todos ellos factores críticos en los trazados de RF densos.

En el otro extremo del espectro se encuentra el BFHKI-3142+, un filtro de banda pasante a miniatura LTCC de rechazo de banda de parada ultraalto. Con su banda pasante de 28 a 36 GHz, este modelo ofrece un rechazo de la banda de parada de 30 dB (típico) hasta 67 GHz cuando se monta en diseños CPW. Tiene una pérdida de inserción de 2.8 dB (típica) en una banda ancha.

Al igual que el BFHKI-5001+, se aloja en un pequeño encapsulado cerámico con factor de forma de 0.195" × 0.144" × 0.072" con un intercalador para un diseño y una producción eficaces. Otros indicadores de rendimiento importantes son las pérdidas de inserción y retorno de banda ancha (figura 5, arriba) y las pérdidas de inserción y retorno de banda pasante (figura 5, abajo).

Figura 5: Los usuarios del BFHKI-3142+ necesitan conocer las especificaciones generales de pérdida de inserción y pérdida de retorno (arriba), así como las mismas especificaciones dentro de la banda pasante (abajo). (Fuente de la imagen: Mini-Circuits)

Conclusión

Para satisfacer los requisitos de rendimiento, fiabilidad, consistencia, tamaño y costo de los modernos sistemas de RF/microondas, los diseñadores deben ir más allá de los clásicos filtros de banda pasante construidos a partir de resistencias, inductores y capacitores individuales. Como se ha demostrado, los filtros LTCC de la familia BFHKI de Mini-Circuits proporcionan un rendimiento excelente y las características necesarias, y cuentan con un intercalador que ofrece a los diseñadores opciones para el montaje de placa a filtro y la interconexión de RF.