V波段L T C C濾波器設計

南京郵電大學 詹炳書 韋皓宇

由于毫米波在高頻率下較高的傳輸損耗和輻射損耗，微帶結構和共面波導已經無法滿足現代通信系統的要求。要實現緊湊的電路模塊，關鍵是解決成本，體積和系統復雜度的問題。基片集成波導技術是開發毫米波系統的很好的選擇。基片集成波導是一種集成波導狀結構，通過使用兩排接地圓柱或嵌入電介質基板中的槽來制作，該電介質基板被兩個連接的平行金屬板覆蓋。SIW結構表現出類似于經典矩形波導的傳播特性且保留了傳統金屬波導的大部分優點，即具有高自由度電屏蔽的高品質因數和高功率處理能力。由此，非平面矩形波導可以制成平面形式，與現有的平面處理技術（例如標準印刷電路板（PCB）或低溫共燒陶瓷（LTCC）技術）兼容。

LTCC的多層技術可以將器件集成到三維分布中，而且具有金屬損耗小，通孔小的良好頻率特性。本文介紹了LTCC技術，并在此基礎上利用回波群時延法，結合HFSS電磁仿真軟件，設計了中心頻率在60Ghz的LTCC基片集成波導濾波器。可以預見，基于LTCC的SIW濾波器因其具有高頻率、體積小、易集成的特點，將廣泛應用于毫米波電路中。

1.LTCC技術

1.1 LTCC技術的概念

LTCC結構基于玻璃陶瓷絕緣帶。在生瓷帶上印制電路圖形，然后將這些層堆疊并燒結以形成穩定的均勻結構。如圖1所示。基材的尺寸和形狀根據不同的應用進行設計，在燒結之前可以建立空腔和隧道。在上方和下方的接地片面使用金屬通孔與襯底形成隧道和柵欄，可以形成波導結構。

圖1 熱壓燒結示意圖

LTCC具有約900℃的低燒制溫度的事實，因此可以使用良好的導電材料，例如銀和金來代替鉬和鎢（其必須與HTCC一起使用）。

1.2 LTCC技術的發展和應用

LTCC是一種多層技術，已用于封裝集成電路（IC），并應用于執行器，傳感器和集成微系統，成本相對較低，生產效率高。LTCC技術的發明是為了滿足高性能，高速度和高密度MCM的要求，以實現功能性，可靠性和低成本的電子器件。

LTCC技術的歷史實際上可以追溯到20世紀80年代，當時Hughes和杜邦公司首先將其用于軍事應用[1,2]。后來，當LTCC膠帶制造商在20世紀80年代后期與包裝公司合作時，LTCC技術的發展得到了加速，隨后在汽車工業和航空電子設備中商業化[3]。基于LTCC的MCIC在諸如手機（0.9-2GHz），無線本地網絡，藍牙（2.4GHz），全球定位系統（GPS，1.6GHz），寬帶接入連接系統（5.8GHz）等消費電子行業中取得了快速增長。

LTCC技術的不斷發展使其在微波和毫米波頻段的應用越來越具有吸引力。LTCC基板材料可將該技術的適用頻率延長至100GHz。由于具有低導體損耗，低基板損耗和多達50個層壓層的特點，LTCC為嵌入式微波和毫米波無源元件及附件（包括天線）提供諧波床。另外，LTCC襯底材料具有寬可調的熱膨脹系數范圍。正是這一特點使得LTCC基板對各種集成封裝非常有吸引力[4]。

2.利用回波群延時法設計濾波器

微波濾波器的設計基于成熟的技術，低通帶通變換是最常見的濾波器設計方法[5]。對于小到中等帶寬的濾波器，耦合諧振器實現特定響應的具有合理的數學和實踐基礎。一旦確定了諧振腔，只需設置耦合大小即可生成濾波器響應。因此，即使對于非常苛刻的規格，適當耦合的同步調諧的諧振腔也可以實現大部分所需的濾波器特性。對于相當大范圍的微波諧振器，可以從文獻中獲得耦合值的計算方法，并且使用商業軟件的數值技術現在可以應用于三維結構。即便如此，由于諧振器和耦合配置的種類繁多，以及常用于簡化分析的近似值，仍然經常需要憑經驗確定耦合值。本文利用反射信號的耦合和群延遲之間的簡單關系，直接設置耦合值并實時調整諧振頻率使用低通到帶通的標準耦合諧振濾波器設計方法如圖1所示。連接線與輸入和輸出諧振器之間的耦合（稱為外部Q值或Qe）以及諧振器Kij之間的耦合很容易根據原型g值和相對帶寬來規定。

隨著連續諧振器被調諧到諧振，可以從反射信號確定QE和Kij。這些參數通過相當簡單的方程與相位和群延遲響應相關。群延遲被定義為：

可以直接從等效電路或低通原型計算S_11的群時延。低通原型的計算能夠使群延時直接用歸一化的g值和帶通濾波器的帶寬表示。在這種情況下，

其 中低 通 原 型S11的 相 位(rad)，是低通原型的角頻率經 過 標準的低通-帶通變換：

ω0=帶通濾波器的中心頻率，ω1是帶通濾波器的下邊沿頻率，ω2是帶通濾波器的上邊沿頻率。ω0、ω1、ω2可以根據濾波器響應類型而不同地定義。則群時延可表示如下：

當第一個諧振器以外的所有諧振器全部處于失諧狀態，有：

用Qe表示群時延：

下面考慮低通原型中第二個元件g2接地，即除了第一個和第二個諧振器以外所有諧振器處于短路狀態，可以推導出：

其中表示諧振器1與諧振器2間的耦合系數。

運用這種方法，依次短路余下的諧振器，可推導出對應的群時延。圖2給出了N=6以下的S11的群時延：

圖2 中心頻率的群時延

利用上述方法，使用HFSS設計了一款中心頻率在60G，帶寬為2Ghz的SIW濾波器。濾波器使用4層LTCC Ferro A6M基板設計，相對介電常數和損耗角正切分別為5.8和0.002。為了盡量減小諧振腔體積，采用TE101諧振模式。整體濾波器的結構如圖3所示：

圖3 SIW濾波器加工結構

圖4 濾波器頻率響應

從圖4可以得出，我們所設計的SIW腔體濾波器的中心頻率f0=60GHz,相對帶寬FBW=3.3%，最小插入損耗小于1.2dB，回波損耗大于24dB。

3.總結

本文簡要介紹了LTCC的發展歷史和技術優勢，對回波群延時法進行說明，給出了將中心頻率處的群延遲與低通原型值以及耦合系數相關聯的簡單方程。設計了59GHz-61GHz的基于LTCC的SIW濾波器，應用回波群延時法降低了設計復雜度，提高了設計效率。

[1]C.Harper,Electronic Materials and Processes Handbook.New York,NY,USA:McGraw-Hill,2003.

[2]M.R.Gongora-Rubio,“Non-packaging applications of LTCC technology,”presented at the Conf.Panamerican Advanced Studies Institute,Micro-electro Mechanical Systems,San Carlos de Bariloche,Argentina,Jun.2004

[3]S.Annas,”Advances in low temperature co-fired ceramic(LTCC)for ever increasing microelectronic applications,”in Proc.53rd Electron.Compon.Technol.Conf.,2003,pp.1691-1693.

[4]V.Sunappan,A.Periannan,C.K.Meng,and W.C.Khuen,”Process issues and characterization of LTCC substrates,”in Proc.54th Electron.Compon.Technol.Conf.,2004,1932,pp.1933-1937.

[5]G.Mathaei,L.Young,and E.M.T.Jones,Microwave Filters,Impedance Matching Networks and Coupling Structures.Norwood,MA:Artech House,1980.

[6]K.S.Chin,C.C.Chang,C.H.Chen,Z.Guo,D.Wang and W.Che,”LTCC Multilayered Substrate-Integrated Waveguide Filter With Enhanced Frequency Selectivity for System-in-Package Applications,”in IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,vol.4,no.4,pp.664-672,April 2014.