基于LTCC工藝的7階L-C高通濾波器的設(shè)計與測試

柯皓文，謝建明，李俊生

(鹽城師范學院 新能源與電子工程學院，江蘇 鹽城 224051)

1 引言

高通濾波器廣泛應(yīng)用于通訊、雷達、電子對抗等信息領(lǐng)域中，是必不可少的重要元件之一。在微波電路的設(shè)計中，傳統(tǒng)的高通濾波器只能采用平面工藝，電感的設(shè)計是比較容易的，而難點在于串聯(lián)電容的設(shè)計。而低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝采用的疊層工藝、三維布局的方式使尺寸很小的濾波器成為可能。近些年來，基于LTCC工藝設(shè)計的濾波器得到了廣泛的關(guān)注。在2007年謝成民等對LTCC多層基板傳輸線反射進行了研究分析[1]。2013年，牛曉威等對基于LTCC技術(shù)的方形平面電感進行設(shè)計與分析[2～4]。2016年，李永彬等和陳媛等設(shè)計了一款小型化LTCC高通濾波器[5，6]。本文設(shè)計的高通濾波器以7階切比雪夫高通濾波器為原型，具有體積小、重量輕、選頻性能好、溫度穩(wěn)定性高等特點，并且可加工成貼片元件形式，便于與其他微波組件集成，另外，由于該濾波器是基于LTCC工藝，加工成本低，有利于批量生產(chǎn)。

2 高通濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)濾波器設(shè)計指標確定采用7階L-C模型。技術(shù)指標為：截止頻率大于2 GHz，2.5 GHz～4.0 GHz插入損耗小于2 dB，駐波系數(shù)小于1.5，DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB。圖1為濾波器總參數(shù)電路圖，通過電路設(shè)計軟件ADS可以得到每個元件(電感和電容)的初始值。

3 高通濾波器電感和電容的設(shè)計

3.1 電感和電容理論

利用全波仿真軟件HFSS構(gòu)建了三維實際器件模型。由于器件在微波階段的實際計算公式運算復(fù)雜且過于耗費時間，所以初步設(shè)計時使用了近似公式算出大致需要的電容、電感近似尺寸。電容的近似公式(1)使用的是低頻工作時的公式，電感的近似公式(2)是平面螺旋電感的感值公式，如下所示。

(1)

(2)

公式(1)中n為電容需要的層數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；εr是低溫共燒陶瓷介質(zhì)的相對介電常數(shù)；s是上下電極間的正對面積；d是上下極板間的距離。公式(2)中l(wèi)是電感有效長度；w是構(gòu)成電感的微帶線寬度；t是單層導線的厚度。

圖1 濾波器電路原理

3.2 電感和電容的設(shè)計

高通濾波器等效電路的仿真中，出了得到各元器件的集總參數(shù)值，根據(jù)其值的大小可以設(shè)計LTCC埋層電容和埋層電感。

LTCC埋層電容的設(shè)計也主要有兩種，一種是金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，另一種是垂直交指(VIC)結(jié)構(gòu)。由于VIC結(jié)構(gòu)的電容是由多層金屬板構(gòu)成的，這種形式構(gòu)成的電容的品質(zhì)因數(shù)(Q)值沒有MIM形式的高，因此設(shè)計者只采用MIM形式實現(xiàn)電容的設(shè)計。

電感的設(shè)計采用垂直螺旋電感和平面螺旋電感兩種形式。難點在于電容的設(shè)計，因為對通帶帶寬影響最大的是輸入輸出之間串聯(lián)電容的品質(zhì)因數(shù)。如果采用的LTCC陶瓷介質(zhì)的介電常數(shù)太小，則實現(xiàn)同樣容值電容的平行極板的面積就很大，面積很大的平板電容使得高通濾波器的通帶駐波特性變差，通帶帶寬也減小；然而如果構(gòu)成螺旋電感的陶瓷基板的介電常數(shù)太大，則螺旋電感(尤其是垂直螺旋電感)兩端寄生的并聯(lián)電容就會很大，大的寄生電容使高通濾波器的通帶特性變差。

4 高通濾波器的電磁場仿真

通過上述方法可以得到電路中所需的集總參數(shù)元件值(電容和電感)，由于電路仿真軟件ADS計算時沒有考慮元件之間的耦合效應(yīng)，其實，隨著頻率的升高元件之間的耦合不能忽略，因此我們采用全波仿真軟件HFSS對已建立的模型重新進行優(yōu)化仿真，通過改變各元件之間的相對位置，降低或消除不必要的耦合。從而獲得高通濾波器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 高通濾波器三維模型

高通濾波器仿真調(diào)試后所得S參數(shù)曲線如圖3所示，滿足設(shè)計要求。

圖3 濾波器的S參數(shù)曲線

5 加工與測試

濾波器的加工是采用LTCC傳統(tǒng)加工工藝制作而成，濾波器使用的介質(zhì)材料的介電常數(shù)為14，介質(zhì)損耗角正切為0.002。圖4為濾波器實物圖，其中外形尺寸為4.0 mm×2.0 mm×1.0 mm。

傳統(tǒng)的加工工藝對濾波器性能會產(chǎn)生較大的影響，例如疊片工藝和填孔工藝，工藝優(yōu)良直接影響平板電感的電感值和電容的電容值，也會導致接地通孔之間的錯位，也會導致寄生電感的增加。因此在濾波器生產(chǎn)過程中，采用高精密自動疊片機，以提高疊片精度。經(jīng)分析，由于濾波器的集總元件電容采用的結(jié)構(gòu)是平板型(即上下平板重合面積偏差而變小)，因此電容值也相應(yīng)變小。另外，填孔工藝會對濾波器電感有影響，即在填孔時每張瓷帶垂直通孔的表面形成一個較大的圓形焊盤，從而導致通孔的等效串聯(lián)電感變小，這些因素最終導致諧振頻率變大。不過在設(shè)計階段已經(jīng)考慮到工藝的偏差，仿真結(jié)果都留有一定的余量，最終實測結(jié)果仍達到技術(shù)要求：截止頻率大于2 GHz，2.5 GHz～4.0 GHz插入損耗小于2dB，駐波系數(shù)小于1.5，DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB，和仿真結(jié)果一致。

圖4 濾波器實物

圖5 測試結(jié)果

6 結(jié)語

設(shè)計了一種基于LTCC工藝的高通濾波器，首先利用電路仿真軟件ADS提取各器件大致參數(shù)，再電磁仿真軟件HFSS進行優(yōu)化，優(yōu)化濾波器各元件值的大小與相對位置，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，并滿足技術(shù)指標，截止頻率大于2 GHz，2.5 GHz～4.0 GHz插入損耗小于2 dB，駐波系數(shù)小于1.5，DC-1.8 GHz內(nèi)插入損耗大于15 dB。