多层小型化抗EMI滤波器的仿真与设计- 『(EMC)电磁兼容性设计与实现 ...企业库|免费b2b网站

多层小型化抗EMI滤波器的仿真与设计- 『(EMC)电磁兼容性设计与实现 ...

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摘要:采用低温共烧陶瓷( low temperature co-fired ceramics, LTCC)先进集成技术及异质材料的共烧匹配技术，并借助于三维电磁场仿真软件对滤波器进行建模和仿真，实现低截止频率多层抗EMI滤波器的小型化设计，得到截止频率为12MHz (3dB)，带外抑制>30dB(200一2500MHz)，尺寸为2.OOmmX 1.25mmX0.85mm的抗EMI滤波器样品。
关键词:抗EM}滤波器;低温共烧陶瓷技术;仿真;小型化+ s! N. E8 o* T( z8 r$ h" L* x
1引言7 z- A7 O8 h$ ?- E& }% T( \7 F
现今高技术战争都是处在复杂多变的电磁环境之中的，xx电了信息设备的抗电磁干扰(EMI能力是直接影响武器装备作战效能的重要因素，也是制约装备作战力发挥的关键技术。xx电了设施及武器装备电网噪声及其他有源干扰，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时问短、电压幅度高(儿白伏至儿千伏)、随机性强，对各类xx整机0 }" w- b: ?; Z; P" q
和数字电路易产生严重干扰。而抗EMI滤波器是xx电了设备抗毁损和防护的关键器件之一，对改善电了设备电磁兼容能力有重要作用，广泛应用于各类军事武器装备中。随着武器装备智能化、信息化的发展，各类电了信息设备中需要大量小型化、高性化的抗EMI滤波器，其中多层叠片式抗EMI滤波器是我国国防武器装备和国防重点工程急需的产品。特别是研制体积小、重量轻、可靠性高、与国外同类产品兼容性好的多层叠片式抗EMI滤
波器系列产品，可以提高我军电了信息装备的抗电磁干扰能力[l一3}。$ b( @0 {- u) w3 F" g* n
本研究采用先进的LTCC集成技术实现抗EMI滤波器的小型化设计，其中主要涉及抗EMI滤波器的三维模型建立、电磁场优化仿真、异质材料共烧匹配技术等内容。
2抗EMI滤波器的仿真与优化设计
抗EMI滤波器优化设计主要包括电路优化仿真、三维结构的电磁场优化仿真，本文主要针对滤波器的三维结构模型及电磁场优化仿真进行设计，图1给出了LTCC抗EMI滤波器的设计流程。

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通过电路仿真，截止频率为l OMHz的滤波器，由于电路中电感值特别大，仅仅采用空芯电感形式无法满足如此大的电感值，需用铁氧体材料作磁芯以便得到大感值的电感。由此我们选择磁导率为120的低温烧结铁氧体材料LSF120，通过仿真发现120的磁导率既可以满足电感的需要，又可以获得较好的高频特性。根据电容容值大小，我们选择

3 LTCC抗EMI滤波器工艺制作及测试
上面通过三维电磁场优化仿真得到截止频率为l OMHz的抗EMI滤波器的三维设计图，接下来通过LTCC工艺将滤波器设计转化为产品，LTCC工艺流程主要包括生瓷带的制备、打孔前处理、打孔、填空、导体层印刷、叠层、烘巴、等静压、切害」、排胶、烧结、封端、检测等过程，如图5所示。
根据抗EMI滤波器的技术指标要求，选择三级切比雪夫低通滤波器原型，如图2所示，从图2中可以看出该滤波器中主要包括一个串联电感，两个并联电容。
采用ADS软件可以很容易得到电路中电感、电容元件值分别为:L=900 nH, C1=C2=400pFo 利用三维电磁场仿真软件Ansof HFSS对器件
三维结构模型采用有限元法进行三维电磁场仿真，以便使设计值更加接近实际值，从而缩短研制周期，降低研制成本。图3给出了滤波器中电感、电容的三维模型图，电感采用helical模型，电容采用VIC(垂直集成电容)结构模型f4,sl0 e! t! O* H6 m7 T

介电常数为100的低温烧结陶瓷材料ULF 101,
ULF 101低温材料既可满足电容的需要，又可以获
得较好的高频特性。在确定材料后，选择图4的抗
EMI滤波器的三维结构模型结构，然后采用三维电' O. s2 j+ \: X. S7 i" n2 O
磁场仿真软件Ansof HFSS对器件三维结构模型进% I! J2 U& A/ R9 q( ~
行优化仿真，仿真优化曲线如图4所示。

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Q/ K) W5 D/ m; j# y
在低截止频率LTCC抗EMI滤波器工艺制作中，如何实现铁氧体材料与陶瓷材料的共烧匹配是9 L0 w7 T5 L2 K
一关键问题。不同介质材料层问在烧结温度、烧结致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面的失配会导致共烧体内产生很大的内应力，容易出现层裂、翘曲和裂纹等缺陷;不同介质的致密化速率不同，导致共烧体内产生应力，从而弯曲变形甚至开
裂。这些都会影响抗EMI滤波器的力学性能和电磁性能，劣化器件的性能，降低可靠性。
为了解决异质材料共烧匹配问题[f}l，我们主要从材料流延浆料配方、配胶/烧结曲线出发，进行了大量的工艺试验，{zh1}很好地解决了异质材料共烧匹配问题，图6给出了铁氧体材料与陶瓷材料接触面的微观结构照片。从图中可以看出，下半部分为铁氧体材料(颗粒较大部分)，上半部分为介质4 b4 v& Y% J7 {, q+ a, H

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