小型化寬阻帶LTCC微波低通濾波器的設(shè)計(jì)與研制

羅洪梁，林亞梅，朱建華，劉季超，胡志明

（深圳振華富電子有限公司，廣東 深圳 518109）

小型化寬阻帶LTCC微波低通濾波器的設(shè)計(jì)與研制

羅洪梁，林亞梅，朱建華，劉季超，胡志明

（深圳振華富電子有限公司，廣東 深圳 518109）

先根據(jù)濾波器衰減量要求，理論分析確定濾波器的階數(shù)及電路原理圖，再用ADS軟件優(yōu)化仿真獲得電路元件初始值，然后采用微波電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)濾波器物理模型優(yōu)化仿真，成功設(shè)計(jì)了一款3 dB截止頻率為1 750 MHz、寬阻帶頻率2 035～6 700 MHz范圍內(nèi)衰減量大于20 dB的LTCC微波低通濾波器，并采用LTCC工藝制備該微波低通濾波器，尺寸為3.2 mm×1. 6 mm×0.9 mm。制備樣品實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真吻合，說(shuō)明采用該方法設(shè)計(jì)、研制小型化寬阻帶LTCC微波低通濾波器是可行的。

LTCC；微波；低通濾波器；小型化；電磁場(chǎng)仿真；HFSS；ADS

微波濾波器是一種對(duì)信號(hào)具有選頻作用的二端口網(wǎng)絡(luò)，它是一種從各種不同頻率成分的信號(hào)中濾出具有特定頻率成分信號(hào)的電子元件，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航、精確制導(dǎo)、測(cè)量?jī)x表等電子設(shè)備系統(tǒng)中。隨著電子設(shè)備整機(jī)系統(tǒng)向小型化方向發(fā)展，濾波器元件向小型化、集成化和寬頻化方向發(fā)展的趨勢(shì)不可避免。近年來(lái)，小型化寬阻帶LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic）微波低通濾波器（以下簡(jiǎn)稱LTCC濾波器）在微波通信、雷達(dá)導(dǎo)航等領(lǐng)域中需求量日益增大，現(xiàn)國(guó)內(nèi)使用的LTCC濾波器元件主要依賴進(jìn)口，存在價(jià)格高、供貨無(wú)保障和一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題可追溯性差等問(wèn)題[1]。因此，LTCC濾波器的研制將成為未來(lái)5～20年內(nèi)濾波器研制的一個(gè)重點(diǎn)方向，該小型化集成技術(shù)涉及到新材料技術(shù)、新封裝工藝和三維空間穿孔連接工藝等。其中，最具有代表性的是引入低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)[2-5]，與傳統(tǒng)厚膜、薄膜和高溫共燒陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC)技術(shù)相比，該集成技術(shù)具有易于多層布線實(shí)現(xiàn)小型化、易于一體化封裝實(shí)現(xiàn)高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。LTCC技術(shù)采用疊層結(jié)構(gòu)方式，將電容、電感等無(wú)源元件集成到一體化的多層陶瓷板間，實(shí)現(xiàn)濾波器布局的靈活選擇，能成功制作出高集成小型化的各種疊層片式濾波器[6-9]，滿足降低成本、提高微波濾波器產(chǎn)品的可靠性的要求。

本文主要從衰減量（插入損耗）入手，研究一種小型化LTCC濾波器的設(shè)計(jì)與研制方法。根據(jù)濾波器衰減量指標(biāo)進(jìn)行理論分析初步確定濾波器的階數(shù)，再采用ADS軟件進(jìn)行電路仿真，獲取最佳電路元件值，然后采用HFSS濾波器電磁場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真優(yōu)化其物理模型，設(shè)計(jì)出一款3 dB截止頻率為1 750 MHz、寬阻帶頻率2 035～6 700 MHz范圍內(nèi)衰減量大于20 dB的LTCC微波低通濾波器，該濾波器尺寸為3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm。同時(shí)，該濾波器還滿足以下指標(biāo)要求：阻帶2 120～4 490 MHz范圍內(nèi)衰減量大于30 dB，通帶回波損耗值大于20 dB。最后，采用LTCC工藝制備該微波濾波器樣品，通過(guò)制備樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證仿真設(shè)計(jì)的可行性。

1 LTCC濾波器設(shè)計(jì)

1.1 LTCC濾波器電路分析

本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器要求通帶內(nèi)衰減量隨頻率的變化比較平坦，因此以巴特沃思函數(shù)作為濾波器的傳遞函數(shù)，通過(guò)對(duì)其幅度平方函數(shù)的一系列計(jì)算和推導(dǎo)，其衰減函數(shù)[10]表示如下：

式中：ωc為截止頻率；n為濾波器階數(shù)。

將α≤-20，ω=2 035 MHz，ωc=1 750 MHz代入上式，可知n≥6.3滿足要求。因此，本文LTCC濾波器選擇n=7的π型巴特沃茲濾波器原型作基礎(chǔ)進(jìn)行研究。巴特沃茲低通原型濾波器的元件參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 巴特沃茲低通原型濾波器的元件參數(shù)表(g0=1，n=1～9)Tab.1 Value of each component in Butterworth filter

其中，gn為低通原型濾波器元件值的一般形式，對(duì)7階π型巴特沃斯低通濾波器：g1、g3、g5、g7分別對(duì)應(yīng)L1、L3、L5、L7，均為電感元件；g2、g4、g6分別對(duì)應(yīng)C2、C4、C6，均為電容元件。

7階巴特沃斯低通濾波器的電路原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 低通濾波器電路Fig.1 Low-pass filter circuit

歸一化頻率變換及阻抗變換公式[10-11]如下：

式中：Ln為電感；Cn為電容；R為50 Ω阻抗。

對(duì)于截止頻率為1 750 MHz的LTCC濾波器，經(jīng)過(guò)頻率變換和阻抗變換[10-11]，各內(nèi)置元件值如下：

L1=L7=2.02 nH，L3=L5=8.19 nH，C2=C6= 2.27 pF，C4=3.64 pF。

1.2 LTCC濾波器電路仿真

采用ADS對(duì)該LTCC濾波器進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)設(shè)定見(jiàn)圖2（其中L8是對(duì)電容引線寄生電感的修正）。

圖2 ADS仿真圖Fig.2 Simulation of the ADS

ADS仿真結(jié)果見(jiàn)圖3，其通帶內(nèi)衰減量隨頻率的變化非常平坦，3 dB截止頻率1 750 MHz的衰減量滿足要求，而阻帶抑制2 035～6 600 MHz，2 120～4 490 MHz對(duì)應(yīng)的衰減量均不能滿足目標(biāo)值20 dB，30 dB的設(shè)計(jì)要求。

圖3 ADS仿真結(jié)果Fig.3 Simulation result of the ADS

因此，采用傳統(tǒng)7階巴特沃斯低通濾波器制備該LTCC微波低通濾波器存在兩點(diǎn)問(wèn)題：① 通帶與阻帶間的“過(guò)渡帶”曲線不夠陡峭；② 在寬頻范圍內(nèi)阻帶抑制特性不佳。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合該LTCC濾波器對(duì)“過(guò)渡帶”及阻帶抑制特性要求，對(duì)原電路的L1、L3與L5分別并聯(lián)一個(gè)電容，由電容與電感并聯(lián)構(gòu)成LC并聯(lián)諧振，形成三個(gè)諧振零點(diǎn)，提高“過(guò)渡帶”及阻帶抑制特性[12]。

采用ADS對(duì)插入并聯(lián)諧振的LTCC濾波器進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)設(shè)定見(jiàn)圖4。

圖4 ADS仿真圖Fig.4 Simulation of the ADS

ADS仿真結(jié)果見(jiàn)圖5，除了1 750 MHz衰減量為3.96 dB稍有偏差外，阻帶抑制2 035～6 600 MHz，2 120～4 490 MHz對(duì)應(yīng)的衰減量均滿足目標(biāo)值20 dB，30 dB的設(shè)計(jì)要求。

其中：L1與C1形成的諧振點(diǎn)與原諧振點(diǎn)重合，L3與C3形成的諧振點(diǎn)與L5與C5的諧振點(diǎn)重合，因此圖中僅體現(xiàn)出兩個(gè)諧振點(diǎn)，諧振點(diǎn)重合后總體阻帶抑制性能更佳。本文ADS仿真設(shè)計(jì)是作為可行性分析的先行步驟，三維物理空間結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需采用HFSS仿真優(yōu)化。

圖5 ADS仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of the ADS

1.3 LTCC濾波器三維電磁場(chǎng)仿真

根據(jù)電路分析及電路仿真的初步結(jié)果，完成LTCC濾波器的電路模型構(gòu)建，然后采用HFSS對(duì)該LTCC濾波器三維物理模型進(jìn)行優(yōu)化仿真。在利用HFSS對(duì)LTCC濾波器內(nèi)置電感與電容的三維電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需嚴(yán)格遵守LTCC元件設(shè)計(jì)規(guī)則，充分考慮元件布局在LTCC工藝中的可行性。

本文設(shè)計(jì)LTCC濾波器三維物理模型如圖6所示，設(shè)計(jì)模型使用低溫共燒陶瓷層10層，金屬電極層9層，設(shè)計(jì)尺寸為3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm，不同層金屬以通孔垂直連接，內(nèi)置電感與電容元件個(gè)數(shù)共9個(gè)。

利用HFSS仿真結(jié)果見(jiàn)圖7，衰減量隨頻率變化曲線見(jiàn)Insertion Loss曲線，1 750，2 035，2 120，4 490，6 700 MHz，分別對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)見(jiàn)圖7中的m1～m5；回波損耗隨頻率變化曲線見(jiàn)Return Loss曲線，通帶與阻帶回波損耗交界點(diǎn)為M01。1 750 MHz衰減量3.0 dB，2 035～6 700 MHz阻帶衰減量大于21.8 dB，2 120～4 490 MHz阻帶衰減量大于26.0 dB，通帶回波損耗28.7 dB，除了2 120～4 490 MHz阻帶衰減量稍偏小，其他濾波器所有性能指標(biāo)均滿足目標(biāo)值設(shè)計(jì)要求。

圖6 濾波器仿真模型Fig.6 Simulation model of the filter

圖7 HFSS仿真結(jié)果Fi.7 Simulation result of the HFSS

2 樣品制作與結(jié)果分析

2.1 樣品制作

將HFSS優(yōu)化仿真后的三維結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為AutoCAD版圖，選擇適當(dāng)?shù)奶沾刹牧弦约敖饘賰?nèi)電極材料進(jìn)行LTCC微波低通濾波器樣品制備。

在LTCC生產(chǎn)線上，經(jīng)過(guò)漿料配制、流延、切割、打孔、印疊成型（導(dǎo)體層印刷、疊層）、等靜壓、切割、排膠、燒結(jié)、涂銀、燒銀、端頭處理、測(cè)試等工藝步驟，完成LTCC微波濾波器產(chǎn)品制備。

其中，印疊成型工藝是需重點(diǎn)控制的工藝。該小型化寬阻帶LTCC微波低通濾波器對(duì)印疊成型工藝有嚴(yán)格的工藝要求，對(duì)各個(gè)元件圖形的線寬和線間距尺寸的精度、元件圖形的對(duì)位精度、線條的完整性、金屬化導(dǎo)體厚度的均勻性等均有嚴(yán)格的精度控制要求。印刷圖形精度對(duì)LTCC微波濾波器的電性能起決定性作用。例如，在頻率相對(duì)較高的微波濾波器器件中，圖形的尺寸精度及圖形的位置精度會(huì)引起3 dB截止頻率的漂移。因此，本文制作LTCC微波低通濾波器成型過(guò)程中采用絲網(wǎng)目數(shù)為45 μm (325目)的精密絲網(wǎng)，將印刷電極的對(duì)位精度控制為±5 μm范圍內(nèi)。同時(shí)，將陶瓷介質(zhì)膜厚控制在±1 μm范圍內(nèi)。

2.2 結(jié)果分析

本文制備的LTCC濾波器見(jiàn)圖8，采用E5051C射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

實(shí)測(cè)濾波器曲線圖9中實(shí)線部分，衰減量隨頻率變化曲線為Insertion Loss曲線，頻率點(diǎn)1 750，2 035，2 120，4 490，6 700 MHz分別對(duì)應(yīng)見(jiàn)圖9中的m1～m5；回波損耗隨頻率變化曲線見(jiàn)Return Loss曲線，通帶與阻帶回波損耗交界點(diǎn)為M01。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下：3 dB截止頻率為1 750 MHz，2 035～6 700 MHz頻率寬阻帶范圍內(nèi)衰減量大于23 dB；2 120～ 4 490 MHz頻率寬阻帶范圍內(nèi)衰減量大于33 dB；通帶回波損耗28 dB，實(shí)測(cè)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖8 金屬封裝濾波器與LTCC濾波器實(shí)物圖Fig.8 Picture of metal shield filter and LTCC filter

圖9中虛線曲線為仿真結(jié)果，通過(guò)測(cè)試結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果的對(duì)比分析可知，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

圖9 LTCC濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.9 Measurement results of LTCC filter

3 結(jié)論

本文討論了一種小型化寬阻帶LTCC微波低通濾波器的設(shè)計(jì)與研制方法，成功設(shè)計(jì)了一款3 dB截止頻率為1 750 MHz，具有優(yōu)良寬阻帶高抑制特性的LTCC濾波器。設(shè)計(jì)過(guò)程中，先根據(jù)濾波器性能指標(biāo)理論分析，再利用濾波器設(shè)計(jì)軟件ADS優(yōu)化仿真獲得電路初始元件值；然后采用電磁仿真軟件HFSS仿真合成具有良好寬阻帶性能的微波濾波器。本文所研制的LTCC微波濾波器性能表現(xiàn)優(yōu)異，尺寸僅為3.2 mm×1. 6 mm×0.9 mm，與傳統(tǒng)的組裝型濾波器相比，該獨(dú)石結(jié)構(gòu)濾波器具有體積小、質(zhì)量輕和可靠性高等許多優(yōu)點(diǎn)(圖8體現(xiàn)體積質(zhì)量方面的對(duì)比，獨(dú)石結(jié)構(gòu)一體化封裝可實(shí)現(xiàn)高可靠性)。只要知道微波濾波器的指標(biāo)要求，就能有效地合成各個(gè)器件的參數(shù)值，該方法具有較大的靈活性，在小型化寬阻帶LTCC微波濾波器設(shè)計(jì)與研制中具有重要的參考價(jià)值。

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（編輯：曾革）

Design and development of a miniaturized LTCC low-pass microwave filter with wide stop-band

LUO Hongliang, LIN Yamei, ZHU Jianhua, LIU Jichao, HU Zhiming
(Shenzhen Zhenhua Fu Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518109, Guangdong Province, China)

Firstly, according to the requirement of insertion loss, the order and the circuit diagram of the filter was determined by theoretical analysis. Then, the initial value of circuit element was got by ADS software simulation optimization. Finally, the physical model of the filter was optimized and simulated by using microwave HFSS simulation software. And, a low-pass 3216 (3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm) type filter with cut-off frequency of 1 750 MHz and attenuation beyond 20 dB between 2 035 MHz and 6 700 MHz was designed. The low pass microwave filter was prepared by LTCC technology. Testing results show that the measured results agree well with the electromagnetic simulation, and prove that it is feasible to design and prepare filter by using this method.

low temperature co-fired ceramic (LTCC); microwave; low-pass filter; miniaturization; electromagnetic simulation; HFSS; ADS

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.017

TN91

:A

:1001-2028（2016）08-0072-04

2016-05-16

：羅洪梁

羅洪梁（1984-），男，廣西北海人，碩士，研究方向?yàn)樯漕l與微波元件及疊層片式電子元器件，E-mail: eng185@sina.com 。

時(shí)間：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.017.html