超小型的片式LTCC濾波器設計

余承偉，馮　磊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

超小型的片式LTCC濾波器設計

余承偉，馮磊

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要針對微波設備小型化需求，利用低溫共燒陶瓷(LTCC)技術，建立了小型化的LTCC電感和LTCC電容模型，并設計了內埋置LTCC電感和電容的片式L頻段集總型帶通濾波器，同時為了滿足高頻應用，設計了X頻段分布帶狀線LTCC帶通濾波器，通過用電磁場仿真軟件ANSYS HFSS對濾波器進行建模及三維仿真優化，加工實現，制成的L和X頻段LTCC帶通濾波器的插入損耗分別<2.5 dB和<3 dB，體積分別為6 mm×3 mm×1.1 mm和3.1 mm×2 mm×1.1 mm，小型化效果明顯。

關鍵詞LTCC；LTCC電感；LTCC電容；濾波器；小型化

0引言

濾波器作為電子電路中的基本元件之一，被廣泛地應用于微波通信、雷達導航、電子對抗、衛星通信、導彈制導和測試儀表等系統中，其性能的優劣直接影響整個通信系統的性能指標。

隨著電子整機系統向小型化、輕型化方向的發展，要求器件的尺寸越來越小。因此，在三維集成微波組件的研制中，采用了許多新材料、新封裝和互連工藝。如引入LTCC[1]技術，該技術具有比傳統厚膜、薄膜和高溫共燒陶瓷(HTCC)技術更加靈活的設計方法。采用低損耗的LTCC材料疊層結構方式，可以將濾波器的布局由平面轉為立體，并且可將電阻、電容和電感等無源元件集成在LTCC多層電路基板中，進而制作出微小的疊層片式濾波器，不僅降低了成本，而且還提高了系統的集成度和可靠性。

本文基于LTCC技術，通過對LTCC電感及電容參數的三維模擬仿真，得到集總型LTCC濾波器所需的LC參量，進而設計出高抑制度的片式小型化L頻段濾波器；針對分布型X頻段濾波器，本文采用分層設計結合寬邊耦合的形式，等效加長電長度，從而在保證高性能的同時使濾波器的體積較傳統平面濾波器得到大大減小。

1L頻段濾波器設計

在傳統電路中，L頻段濾波器通常采用集總元件或者分布參數形式實現，但由于受到集總元件尺寸和頻段波長的限制，L頻段濾波器往往體積較大，在微波電路設計中占用了較大的空間。本文設計L頻段帶通濾波器采用LTCC技術，通過內埋置多層LTCC電感和電容，實現集總LC小型化LTCC濾波器。

1.1LTCC電感

本文中內置LTCC電感采用垂直螺旋結構，在相同有效電感值情況下，該結構比平面式、螺旋式及位移式等結構電感具有更高的自諧振頻率(SRF)和品質因數(Q)，而且體積更小。

LTCC電感的有效電感值由散射參數可表示為：

(1)

3.25 nH LTCC電感的HFSS模型如圖1所示，電感橫向尺寸為1 mm×0.5 mm，導體線寬W=0.1 mm，不同層之間通過垂直通孔互連，孔直徑與印刷導體的線寬基本相等以減小傳輸線的不連續性。電感采用介電常數為7.8的dupont951介質制成，HFSS仿真得到有效電感值如圖1所示。

圖1　LTCC電感模型及有效電感值

1.2LTCC電容

內埋置LTCC電容元件采用垂直插指型電容(VIC)結構。為獲得相同的電容量，利用VIC結構取代傳統的MIM，能夠減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。電容的有效電容值由散射參數表示為：

(2)

4層VIC電容如圖2所示，電容面積為2 mm×1.5 mm，仿真得1 GHz時的有效電容值C=3.15 pF。

圖2　LTCC電容模型及有效電容值

1.3L頻段濾波器設計實現

確定LTCC電感和電容模型后，就能夠對濾波器進行三維建模和仿真優化。

L頻段濾波器的頻率范圍為830～1 350 MHz；插入損耗≤2.5 dB；帶內波動≤1.0 dB；駐波比≤1.5∶1；帶外抑制≥40 dB@DC～450 MHz&2 000～5 000 MHz。綜合抑制度和LC元器件數量考慮，選用Chebyshev作為響應函數，利用有關公式[2-3]計算濾波器的階數，最終電路原理如圖3(a)所示，考慮到圖中21.6 nH的電感用Dupont951生瓷片不易實現，通過諾頓變換[4]將其值變換為與其余電感、電容元件值類似較小的、比較適合LTCC集成的范圍。最終變換后的結果如圖3(b)所示。

圖3　變換前后的L頻段帶通濾波器電路

根據濾波器原理圖[5]，對LTCC電感電容進行靈活的設計和布局，建立相應的三維HFSS模型，通過參數提取、模型微調、全波仿真以及目標優化等過程，最終得到完整的濾波器模型。L頻段LTCC濾波器三維模型和仿真結果如圖4所示。

L頻段LTCC濾波器的生產加工采用Dupont 951系列LTCC原材料，介電常數為7.8，損耗角正切值為0.006。經過打孔、填孔、導體印刷、層壓、熱切、燒結、劃片和后燒等工藝，就完成了LTCC濾波器的生產制作過程，最終外形尺寸僅為6 mm×3 mm×1.1 mm，圖5所示的濾波器測試結果顯示其與仿真結果非常接近，帶內損耗<2.5 dB，駐波比<1.4，帶外抑制滿足指標要求，達到40 dB以上。

圖5　L頻段濾波器測試結果及實物對比

2X頻段濾波器設計及應用

由于集總參數元件的尺寸遠小于信號波長，所以當頻率增高時，元件尺寸不斷縮小。這樣就會使Q值降低到不能容許的程度，再加上頻率較高時集總LC所帶來的不可避免的寄生耦合效應[6-7]。因此，集總參數元件不太適用高頻濾波器的設計，本文在設計X頻段濾波器時，采用分布參數的帶狀線濾波器，具體采用梳狀線形式實現。梳狀線濾波器結構及等效電路圖如圖6所示。

圖6　梳狀線濾波器結構及等效電路

在梳狀線濾波器[8]中，諧振器間的耦合是由平行耦合線間的邊緣場得到的。在沒有電容Ci的情況下，諧振線是1/4波長，此時由于各線間的電耦合和磁耦合的幅度相等而相位相反，致使相鄰諧振器之間磁的和電的耦合效應將彼此抵消。這時，這個結構是一個沒有通帶的全阻帶結構。因此，梳狀線濾波器的各諧振器頂端的電容Ci常要做得很大，這樣，諧振線的長度就要求遠遠短于1/4波長。

諧振器的電長度為θ，它與諧振器長度l的關系為θ=2πl/λ0(λ0為介質中的波長)，一般諧振線選擇在諧振時約為λ0/8，或更短些，如此可使濾波器更小，且第2通帶的中心頻率將為第1通帶中心頻率的4倍。

濾波器的基礎是諧振電路[9-10]，只要能構成諧振的電路組合就可實現濾波器。對于梳狀線每一個諧振級可以等效成并聯LC諧振，其諧振頻率為：

(3)

對于微波頻段，一般把帶狀線[3]作為無耗線來處理，當一段帶狀線處于磁導率為μ0，介電常數為ε的均勻介質中時，其單位長度上的分布電容C1和分布電感L1分別為：

(4)

(5)

式中，w為帶狀線的導帶線寬；b為兩接地板間的距離，從上式可以看出帶狀線的物理尺寸與諧振頻率間的關系。

基于上述分析，本文設計了X頻段LTCC帶通濾波器，頻率范圍為11.3～12.3 GHz；插入損耗≤3.0 dB；駐波比≤2∶1；帶外抑制≥40 dB@8.6 GHz&17 GHz。選用4級諧振的疊層帶狀線結構來實現該濾波器，其等效電路如圖6(b)所示，最終濾波器采用11層結構形式，選用的介質陶瓷材料[11]為介電常數5.9的Ferro A6M，其損耗角正切為0.002，金屬層采用銀材料。11 GHz濾波器測試結果如圖7所示，從測試結果看出，通帶內損耗<3 dB，輸入輸出駐波比小于1.8，上下邊帶抑制均符合指標要求，大于40 dB。濾波器最終尺寸為3.1 mm×2 mm×1.1 mm，小型化效果明顯。

圖7　11 GHz濾波器測試結果及實物對比

3結束語

本文主要分析介紹了片式集總和分布型2類LTCC濾波器的設計方法，利用LTCC多層設計的優勢，將傳統濾波器進行分層設計封裝，從產品的最終測試結果可以看出，采用LTCC等微組裝技術可以明顯地縮小產品體積，實現小型化[12]，這對提高產品競爭力也是非常重要的。

參考文獻

[1]魏啟甫,孟慶鼐,鄭建彬.LTCC及其在三維微波集成電路中的應用[J].微波學報，2005(5)：59-61.

[2]甘本梭，吳萬春.現代微波濾波器的結構與設計(上)[M].北京：科學出版社，1972：25-33.

[3]顧其諍，項家楨，袁孝康.微波集成電路設計[M].北京：人民郵電出版社，1978：163-233.

[4]森榮二.LC濾波器設計與制作[M].北京：科學出版社，2006：192-199.

[5]POZAR D M.微波工程(第3版)[M].張肇儀，周樂柱，吳德明，等，譯.北京：電子工業出版社，2010：319-378.

[6]LUDWIG R,BREKTCHKO P.RF Circuit Design:Theory and Applications[M].Prentice Hall,2000:83-86.

[7]SCRANTOM S,GRAVIER G,VALENTINE T.Manufa-cture of Embedded Integrated Passive Components into Low Temperature Co-Fired Ceramic Systems[J].Procee-dings of SPIE,The International Society for Optical Engineering,1998:459-466.

[8]HONG J S,LANCASTER M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications[M].New York:John Wiley& Sons.Inc.,2001:121-158.

[9]蘇宏.層疊片式LTCC微波濾波器設計與研究[D].成都：電子科技大學，2006：33-59.

[10]許佳，譚亞麗，吳小燕，等.LTCC帶通濾波器的實現[J].電子元件與材料，2005(1)：45-48.

[11]楊邦朝，付賢民，胡永達.低溫共燒陶瓷(LTCC)技術新進展[J].電子元件與材料，2008(6)：1-5.

[12]楊邦朝，張經國.多芯片組件(MCM)技術及其應用[J].成都：電子科技大學出版社，2001:217-238.

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.23

收稿日期：2016-03-29

中圖分類號TN73

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)07-0089-04

作者簡介

余承偉男，(1984—)，碩士，工程師。主要研究方向：微波射頻技術。

馮磊男，(1987—)，助理工程師。主要研究方向：微波射頻技術。

Design of Ultra-miniature Chip Filters Based on LTCC Technology

YU Cheng-wei,FENG Lei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn this paper,the miniaturized Low-Temperature Cofired Ceramic (LTCC) inductor and capacitor model are established to meet the demand for miniaturization of microwave equipment.An L-band lumped band-pass chip filter with embedded LTCC inductor and capacitor is designed.An X-band strip line LTCC band-pass filter is also designed for high-frequency applications.The modeling and simulation of the filters are made by using electromagnetic simulation software ANSYS HFSS,and then test is performed after the filters are implemented.The results show that the insertion loss of the L-band LTCC band pass filter is not more than 2.5 dB and its size is 6 mm×3 mm×1.1 mm;while the insertion loss of the X-band LTCC band pass filter is not more than 3 dB and its size is 3.1 mm×2 mm×1.1 mm only.

Key wordsLTCC;LTCC inductors;LTCC capacitors;filter;miniaturization

引用格式：余承偉,馮磊.超小型的片式LTCC濾波器設計[J].無線電工程,2016,46(7):89-92.