一種單傳輸零點LTCC高通濾波器的設計與制備

黃昆，鐘茂鋒，王霞輝，沓世我，李勃

(1.廣東風華高新科技股份有限公司，廣東肇慶，526020；2.新型電子元器件關鍵材料與工藝國家重點實驗室，廣東肇慶，526020；3.清華大學深圳國際研究生院材料研究院，廣東深圳，518055；4. 肇慶學院，廣東肇慶，526020)

0 引言

隨著移動通信、航空航天等技術的發展，濾波器作為收發系統中的重要元件之一，向著小型化、高溫度穩定性、高性能、高集成化的方向發展。LTCC技術使用低溫共燒陶瓷材料，燒結溫度接近900℃，可以使用低電阻率的銀作為布線導體，降低器件在高頻下的導體損耗，介質損耗相比傳統的PCB材料低，可有效地降低器件的介質損耗，而且LTCC材料體系豐富多樣，提供更大的設計空間。LTCC技術可實現在三維空間的布線，將電容、電感從傳統的二維排布變成三維分布，極大地提高了集成密度，促進了器件小型化[1-2]。

戴永勝等通過一種新型的諧振單元設計的LTCC帶通濾波器具有體積小、性能優異的特點[3]。王爾凡等通過在濾波器上表貼變容二極管設計了一種可調頻的LTCC帶通濾波器[4]。沓世我等通過電容耦合和電感耦合雙耦合原理，設計并制備了一種中心頻率為3.5 GHz的5G通信用LTCC帶通濾波器[5]。濾波器的電路設計原理分為兩大類：分布參數和集總參數，基于集總參數設計的濾波器更穩定和可控，當應用頻率越來越高，元件之間的寄生參數帶來的影響不容忽視[6]，為了彌補寄生參數帶來的不良影響和增強濾波器的性能，增加傳輸零點是一種常見設計方法[8]，柴永強等利用諧振器交叉耦合增加傳輸零點[9]，張博等通過混合電磁耦合引入傳輸零點[10]。

本文基于集中參數電路設計原理，以七階的LC高通濾波電路為原型，為了在不增加元件的前提下提高濾波器在低頻的抑制性能，利用電感耦合作用在串聯支路增加并聯諧振，從而引入傳輸零點。利用現有的工藝條件制備出一種具有單傳輸零點的LTCC高通濾波器。

1 LTCC高通濾波器的原理與設計

1.1 電路原理

高通濾波器的設計指標如表1所示，這是一款通帶為1600～5500MHz的高通濾波器，該濾波器在低頻段對濾波性能有特別要求，在0～1060MHz頻段內抑制強度要大于40dB。本文的高通濾波器基于集總參數LC電路設計，為了實現高帶外抑制、低帶內插損，選用七階的高通濾波器作為設計原型[11]。

表1 高通濾波器的設計指標

圖1 串聯支路的并聯諧振

電路原理圖如圖2所示，C1與L5、C3與L6形成傳輸零點，經過ADS調諧優化，元件的具體數值為：C1=C3=2.61pF，C2=1.23pF，L1=L4=11.56nH，L2=L3=3.33nH，L5=L6=8.80nH。電路仿真結果如圖3所示，低頻段的帶外抑制完全滿足40 dB的要求，帶內回波損耗在20dB以上，滿足帶內駐波比小于1.5的要求。電壓駐波比（VSWR）與回波損耗（S11）的轉換關系如公式（2）所示，帶內駐波比小于1.5對應帶內回波損耗大于14dB。傳輸零點出現在1GHz附近，可以有效地增強高通濾波器在此鄰近頻段的抑制能力。

圖2 高通濾波器的電路原理圖

圖3 高通濾波器的三維結構圖

1.2 結構設計與電磁仿真

圖2所示的電路原理圖只是實物濾波器簡化后的理論等效電路，在濾波器的實際結構中，電容和電感分布在器件里的三維空間，元件相互間將會產生寄生效應，這些寄生參數不可忽略，同時也無法完全消除這種寄生效應，利用這些寄生效應，替代電路原理圖中的部分元件，既可以節省設計空間，又可以增強器件的性能。為了提高元件的Q值和自諧振頻率，使用疊層電容和疊層螺旋電感來實現電路原理圖的電容和電感，特別地，L5、L6分別通過L1和L2、L3和L4之間的耦合電感來實現，從而節省空間，并且L5與C1，L6與C3在串聯支路形成并聯諧振電路，引入傳輸零點。

為了實現特定的元件，從理論等效電路轉化為三維結構，可以對單一元件進行仿真，借助電容和電感參數提取公式(3)、(4)，得到元件三維結構的基本信息。如疊層電容占用的面積、堆疊的層數，疊層螺旋電感占用的面積、堆疊的層數、走線的寬度等[12]。經過初步仿真，C1和C3由四層疊層電容提供；C2由占用面積較小的四層疊層電容提供；L1和L4由三層螺旋電感提供，L1和L2由相對較小的三層螺旋電感提供。初步仿真得到的結構尺寸大小不是最終器件上的結構尺寸，還需要將各個元件組合成一個完成的器件進行仿真。

因為元件互連、元件與元件之間存在寄生參數，這些寄生參數對器件影響不可忽視。所以，在初步完成高通濾波器的三維結構建模后，還需要對器件的三維結構進行參數優化，才能實現器件的設計指標。為了使仿真結果和實測結果盡可能一致，在仿真過程中是帶實際測試板仿真的，測試板上的輸入輸出端微帶傳輸線的特征阻抗必須設計成50Ω，以便與測試使用的50Ω同軸線相匹配。仿真使用相對介電常數為5.5、損耗角正切值為0.004的陶瓷作為介質層，本文設計的高通濾波器的三維結構如圖3所示，C1、C2、C3分布在最上方，L2和L3分布在中間，L1和L4分布在最下方，器件的兩端為輸入、輸出端口，腰部有2個接地端，尺寸大小為3.2×1.6×0.92 mm，最終的電磁仿真結果如圖4所示虛線部分，圖中包含高通濾波器的插入損耗（S21）和回波損耗（S11）曲線。

圖4 仿真結果與測試數據

2 高通濾波器的實現和測試分析

基于LTCC工藝，使用相對介電常數為5.5的瓷粉配料，配料過程需要向瓷粉加入分散劑、粘結劑等，在尼龍罐中混合、研磨1天，得到分散均勻的流延漿料，通過流延工藝得到厚度為57um的生瓷片。機械打孔機按照打孔圖紙將產品內部的連通孔打在生瓷片上，通孔直徑為100um；然后用絲網通過印刷工藝將產品的每一層圖案印刷在生瓷片上，經過疊層、溫水等靜壓（層壓）、切割工序得到生坯產品，生坯經過排膠、燒結成型，通過封端燒端的方式將內電極引出到外電極端口，最后經過沉積、電性能測試得到最后的成品，LTCC高通濾波器的實物如圖5所示。

圖5 高通濾波器產品實物圖

使用矢量網絡分析儀Agilent N5222A對制備的濾波器進行測試，得到的實測數據如圖4實線所示，實測結果與仿真結果有一定差異，但總體都滿足設計指標。表2對比了實測數據與電磁仿真數據的差異，這里取數據的絕對值來對比損耗大小。實測帶內插入損耗比仿真數據大，差別主要來源于截止頻率的偏移以及測試條件帶來的損耗，包括測試板、SMA接頭、同軸線帶來的損耗；另外，實際的內電極銀的導體損耗和LTCC材料的介質損耗比仿真數值要大一點，也會導致實測插入損耗比仿真數值偏大。0～1060MHz的帶外抑制性能，仿真與實測基本一致；1060～1250MHz的帶外抑制性能，實測效果比仿真更好，這與前面提到的截止頻率偏移有關，由圖4可以看出，實測的截止頻率相比仿真稍微往右偏移，這使得實際濾波器在低頻段某些范圍內的抑制變強了，但是帶內插損也相應地增大了。實測的通帶內回波損耗與仿真的曲線相差比較大，雖然兩者都滿足設計要求，但是實測的回波損耗比仿真的小，主要原因是實物與電磁仿真在通帶內的諧振點的位置有偏差，諧振點的位置取決于電容和電感，由圖4的回波損耗曲線可以看出，電磁仿真的通帶內第二個諧振點被設計在2000 MHz附近，目的是實現1620～3450MHz 頻段內具有較高的回波損耗，由表2可知在此頻段內的回波損耗是大于28 dB的。實測通帶內的第二個諧振點與第三個諧振點基本重合了，看起來只有第三個諧振點存在，這與實際制備過程中的誤差有關，例如疊層偏差造成電容值減小、電感走線變寬等，導致諧振點往高頻方向偏移。此外，實際器件的介質層厚度與設計值的偏差會對器件的性能產生整體范圍的影響。

表2 電磁仿真與實測數據對比

從圖4的實測結果與仿真結果可知，實物很好地與設計貼合，仿真與實測性能都能滿足設計指標。本文設計的高通濾波器，實測通帶1850～4400MHz內的插入損耗只有不到0.89dB，帶外0～1060Mhz抑制強度高于47.89dB，帶內回波損耗大于19.79dB，即帶內駐波比小于1.25。如表3所示，與其他濾波器性能相比，本文設計的LTCC高通濾波器具有帶外抑制強度高，帶內回波損耗大，帶內插入損耗比較好的特點。

表3 濾波器性能對比

3 結論

本文基于LTCC技術設計和制備的高通濾波器，在3D空間中對元件進行巧妙布局，其新穎結構利用元件之間的耦合作用，在不增加器件尺寸的前提下引入傳輸零點，實現了優異的濾波性能，產品實測性能與仿真數據基本吻合，均滿足設計要求,目前這款高通濾波器已形成商業化生產。隨著電子系統朝著高度集成化、小型化、高性能、高可靠性的方向發展，LTCC射頻器件可進一步發揮它的獨特優勢和作用。