Novel dual-band LTCC bandpass filters for microwave applications

Pourzadi, Aref (2020). Novel dual-band LTCC bandpass filters for microwave applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supéreure.

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Résumé

The idea of using a single wireless communication system for multiple frequency bands simultaneously, has directed part of wireless communication researches towards the design of dual-band microwave components. This dual functionality of components bring low power consumption, system size reduction and more efficient in cost minimizing. Beside all of these advantages, specifications such as type of circuit, Implementation platform, frequency, dimension, performance and etc. have created stringent challenges in this field.

In many dual-band communication systems, one of the essential components is microwave dual-band bandpass filter (DBPF). Filtering networks allow signals to pass between two specific frequencies whereas block unwanted signals or make attenuation. In our study, we focus on design, physical realization and fabrication of very compact size of dual-band bandpass filters using low temperature co-fired ceramic technology (LTCC). Among commonly used strategies for building filters, lumped-elements are used to reach compact circuit size at frequencies less than 6 GHz. Out of different options for realizing lumped-elements, LTCC technology is highly recommended due to high circuit integration with size and loss reduction through the use of multilayer of low loss dielectrics.

Initially, we present a new schematic for dual-band LTCC second-order Chebyshev bandpass filter. Using even and odd mode analysis, working mechanism of the proposed schematic is fully analyzed mathematically and a direct synthesis procedure is presented to calculate the values of the schematic elements for given center frequencies and bandwidth. This design procedure leverages as much as possible, analytical formulas. The nature of the frequency response of the circuit is established by combination of four poles and four zeros and specific sequencing between them. Four transmission zeros are generated to clean out of band frequencies and reject spurious signals. The limitations on the proposed schematic and design procedure are completely discussed and two appendixes are provided for demonstration process of analytical formulas. Then, the filter topology and synthesis technique are applied for designing of a dual-band bandpass filter (D-BPF) operating in Industrial, scientific and medical (ISM) bands 0.9 and 2.45 GHz and fabricated in LTCC technology. The measurement results show an excellent agreement between the electromagnetic (EM) simulated and fabricated prototype.

Further, a new schematic of LTCC narrow bandpass filter containing two poles and two transmission zeros (TZs) is presented for industrial narrowband applications (SNBPF). The bandpass frequency response is established by the two poles, and two TZs are appointed in the both sides of passband to reject spurious signals. Due to symmetry of the network, similar to DBPF, even and mode analysis is used to explain working mechanism. Also, a design procedure is provided to apply the new topology in different frequencies of spectrum. Then, we demonstrate that the single bandpass is generalized to a dual-band frequency response (DNBPF) by manipulating the schematic of SNBPF filter. The working mechanism and design procedure of the DNBPF are provided. To validate the theory of proposed schematics, two design examples are synthesized and prototyped in LTCC.

Finally, we propose a fast technique for realization of lumped-elemet values into 3D physical layout on LTCC. Depending on number of elements, physical dimension, mutual coupling and parasitic effects, the circuits require time consuming optimizations and this stage can be very frustrating for designers. In this technique, using correlation strategy between simulators Advanced Design Simulators (ADS) and High frequency structure simulator (HFSS), processing time of physical realization is reduced significantly because of elimination of tuning steps. The usefulness of this technique is demonstrated through a fully synthesized D-BPF.

Titre traduit

Filtres avancés à deux bandes passantes en LTCC pour les applications micro-ondes

Résumé traduit

L’idée d’utiliser un seul système de communication sans fil pour plusieurs bandes de fréquence simultanément a orienté une partie des recherches sur la communication sans fil vers la conception de composants micro-ondes bi-bandes. Cette double fonctionnalité des composants entraîne une faible consommation d’énergie, une réduction de la taille du système et une diminution efficace des coûts. Cependant, des spécifications telles que le type de circuit, la plate-forme de mise en oeuvre, la fréquence, les dimensions, les performances, etc. ont créé des défis sévères dans ce domaine.

Dans plusieurs systèmes de communication bi-bandes, l’un des composants les plus importants est le filtre passe-bande hyperfréquence (BPF : bandpass filters). Les réseaux de filtrage permettent aux signaux de passer entre deux fréquences spécifiques et de bloquer les signaux indésirables ou de les atténuer. Dans notre étude, nous nous concentrons sur la conception, la réalisation physique et la fabrication des filtres à deux bandes passantes de tailles très compactes en utilisant la technologie LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic). Parmi les stratégies normales pour fabrication des filtres, l’éléments localisés est utilisé afin d’avoir les circuits plus petits aux fréquences inférieures à 6 GHz. Dans différentes options pour réalisation l’éléments localisés, la technologie LTCC est fortement recommander grâce à la possibilité d’intégration des circuits avec réduction de la taille et des pertes par l’utilisation des diélectriques à faible perte en multicouches.

Dans un premier temps, nous présentons un nouveau schéma pour un filtre Chebyshev de deuxième ordre à deux bandes passantes en LTCC. En utilisant l’analyse en mode pair et impair, le mécanisme de travail du schéma est complètement décrit mathématiquement et une procédure de synthèse directe est présentée pour calculer les valeurs des éléments localisés correspondants aux fréquences centrales et la largeur de bande a été assignées. Cette procédure de conception s’appuie autant que possible sur les formules analytiques. La nature de la réponse en fréquence du circuit est établie par la combinaison de quatre pôles, quatre zéros et un séquençage spécifique entre eux. Quatre zéros de transmission sont générés pour bloquer les fréquences hors bande et rejeter les signaux parasites. Les limitations du schéma et de la procédure de conception proposés sont complètement discutées, et deux annexes sont fournies pour la procédure de démonstration des formules analytiques. Ensuite, la topologie et la technique de synthèse du filtre sont appliquées à la conception d’un filtre passe-bande à double bande (D-BPF : dualband bandpass filter) fonctionnant dans les bandes de fréquences 0.9 et 2.45 GHz industrielles, scientifiques et médicales (ISM) et fabriqué en technologie LTCC. Les résultats de mesure montrent un excellent accord entre la simulation électromagnétique (EM) et le prototype fabriqué.

En plus, un nouveau schéma d’un filtre à band étroite en LTCC contenant deux pôles et deux transmission zéro est présenter pour l’application band étroite industriel (SNBPF). La réponse fréquentielle de passe-bande est établi par les deux pôles et deux TZ sont désignés des deux côtés de la bande passante pour rejeter les signaux parasites. En raison de la symétrie du réseau, similaire à DBPF, l’analyse en mode pair et impair est utilisé afin d’expliqué le mécanisme de travail. En outre, une procédure de conception est fournie pour appliquer la nouvelle topologie à différentes fréquences du spectre. Puis, nous démontrons que le simple passe-bande est généralisé à une réponse en fréquence à double bande (DNBPF) en manipulant le schéma du filtre SNBPF. Le mécanisme de travail et la méthodologie de conception de DNBPF sont fournis. Pour valider la théorie des schémas proposés, deux exemples de conception sont synthétisés et prototypés en LTCC.

A la fin, nous proposons une technique rapide pour la réalisation de valeurs des éléments localisé dans une layout physique sur LTCC. En fonction du nombre d’éléments, des dimensions du circuit, du couplage mutuel et des effets parasites, le circuit nécessite des optimisations fastidieuses, et cette étape peut être très frustrante pour les concepteurs. Dans cette technique, en utilisation une stratégie de corrélation entre les simulateurs ADS (Advanced Design Simulator) et HFSS (High Frequency Structure Simulator), le temps de traitement de la réalisation physique est considérablement réduit en raison de l’élimination des étapes de réglage. L’utilité de cette technique est démontrée par le biais d’un D-BPF entièrement synthétisé.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 87-116).
Mots-clés libres:	filtre à deux bandes passantes, LTCC, éléments localisés, schéma de circuit, DNBPF, SNBPF, ADS, HFSS, masque physique, réalisation de circuit
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kouki, Ammar B.
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 juill. 2020 20:34
Dernière modification:	18 sept. 2020 18:56
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2507

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