小型化5G通信濾波器研究進(jìn)展*

趙妤婕，朱永忠，趙賀鋒，宋曉鷗

(中國人民武裝警察部隊(duì)工程大學(xué)，西安 710086)

0 引言

微波濾波器作為無線通信系統(tǒng)射頻前端中的重要元件，基站與手機(jī)終端都需要射頻前端，可以較大衰減高頻電子設(shè)備所產(chǎn)生的干擾信號(hào)。隨著Sub-6 GHz與毫米波合力促進(jìn)5G落地，我國進(jìn)入5G商用元年，射頻通道數(shù)成倍增長為64通道甚至128通道，5G射頻濾波器數(shù)量隨之增長。濾波器工作頻率較高時(shí)，與射頻前端器件之間的連接損耗也會(huì)加大，同時(shí)也對(duì)射頻器件的安裝調(diào)試及基站負(fù)荷帶來不便。因此，小型化、低插損、低成本，適用于高頻段的5G通信濾波器既是一個(gè)研究熱點(diǎn)，也是推進(jìn)5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展必須克服的挑戰(zhàn)。

隨著5G頻譜的提升，濾波器在類型、技術(shù)和材料方向上都發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。基于LTCC集成技術(shù)的陶瓷介質(zhì)濾波器，因其低成本、低損耗、小尺寸的特性，成為5G時(shí)代的主流方案。新材料LCP的薄壁性、低介電損耗性在確保高頻高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)，也有利于器件的輕薄化、小型化。文章將從適用于5G的LTCC集成技術(shù)和LCP新材料兩個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。首先歸納了單個(gè)諧振腔的小型化方法；其次針對(duì)基于LTCC集成技術(shù)的介質(zhì)濾波器，介紹了技術(shù)本身的小型化優(yōu)勢(shì)、對(duì)比分析了陶瓷材料介電性能對(duì)器件尺寸的影響以及在不同的結(jié)構(gòu)上相比傳統(tǒng)濾波器的尺寸改進(jìn)；針對(duì)LCP新型材料的濾波器，闡述了其研究進(jìn)展，分析了LCP柔性性能并指出其對(duì)可穿戴式無線通信應(yīng)用的意義，并歸納了LCP多層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及多層基板異面互連方法。文中從濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸優(yōu)化角度分析了基于各種技術(shù)、材料的濾波器性能及參數(shù)。最后對(duì)兩種多層技術(shù)的聯(lián)系和區(qū)別進(jìn)行了總結(jié)。

1 單個(gè)諧振腔的小型化

5G時(shí)代，面對(duì)大容量、高速率的通信需求，基站需要更多的濾波器數(shù)量，手機(jī)終端需要實(shí)現(xiàn)輕薄化。單個(gè)諧振腔及內(nèi)部導(dǎo)體的布局形狀影響著整個(gè)濾波器性能和結(jié)構(gòu)大小。單個(gè)諧振腔的小型化技術(shù)主要有腔體折疊技術(shù)、集總元件技術(shù)、傳輸線彎折技術(shù)、一腔多模技術(shù)、多層分置技術(shù)等。

1.1 腔體折疊技術(shù)

腔體折疊型濾波器通過對(duì)系統(tǒng)空間合理利用，用較少的諧振器達(dá)到同樣的頻率選擇性，縮減了濾波器占用的空間。腔體結(jié)構(gòu)更加緊湊的同時(shí)，插入損耗降低，帶外抑制能力增大。形式上可以有雙重折疊、四重折疊，如圖1所示。文獻(xiàn)[1]中將原來的左右對(duì)稱的五腔濾波器通過折疊，形成四腔模型，中心頻率都是3.5 GHz，但帶寬更寬，帶外抑制能力更好。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了三階雙重折疊諧振腔，面積減小至約原腔體的7%。

(a) 四腔折疊波導(dǎo)濾波器 (b) 雙重折疊集成波導(dǎo)濾波器

1.2 集總元件技術(shù)

微波電路中，常用傳輸線結(jié)構(gòu)模擬集總元件電感和電容[3]，這類濾波器制備方便、設(shè)計(jì)靈活，體積通常較小，且不易產(chǎn)生寄生通帶，可用LTCC多層封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)埋式集總元件[4]。但由于集總電感元件品質(zhì)因數(shù)Q低，插損較大，帶寬較寬，在有低插損、窄帶要求時(shí)，不常用。

1)垂直電容--VIC結(jié)構(gòu)

一般的電容結(jié)構(gòu)是MIM(metal insulator metal)類型，采用LTCC 集成技術(shù)時(shí)，很容易在電路基板上實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于較大電容來說，尺寸較大。VIC(vertically iterdigitated capacitor)電容形式，可以將多個(gè)MIM電容進(jìn)行并聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)較大電容值的同時(shí)，一定程度上縮小了基板面積。同時(shí)VIC電容結(jié)構(gòu)品質(zhì)因數(shù)更高，在需要較大電容且對(duì)器件高度要求不高時(shí)，可采用VIC電容結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 垂直電容結(jié)構(gòu)

2)多維螺旋電感

電感往往是采用線條或者繞線來形成。傳統(tǒng)的平面電感結(jié)構(gòu)分散、復(fù)雜，占用較多的電路面積，而垂直螺旋結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合LTCC集成技術(shù)內(nèi)埋于多層空間中，不僅具備較高的品質(zhì)因數(shù)，而且充分發(fā)揮了LTCC三維集成的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、參數(shù)提取容易，有效地節(jié)省空間，缺點(diǎn)是只適用于窄頻。如圖3所示。

圖3 多維螺旋電感

1.3 傳輸線彎折技術(shù)

通信系統(tǒng)中，常選擇增加級(jí)數(shù)來改善帶外抑制，獲得高性能、小型化的濾波器。而級(jí)聯(lián)單元的重復(fù)會(huì)導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)上冗長分散，增大插入損耗。傳輸線彎折技術(shù)可縮小單個(gè)諧振腔面積，在保證高性能的條件下，減小濾波器尺寸，常見有梳妝線、發(fā)夾線、交指型耦合方式。

梳妝線濾波器因其高品質(zhì)因素、容易調(diào)諧、尺寸緊湊，是通信濾波器常用的一種，由平行耦合線排列組成；2019年， Abramowicz設(shè)計(jì)的交叉耦合梳狀濾波器[5]，插入損耗低于0.3 dB，回波損耗優(yōu)于24 dB。發(fā)夾線濾波器則是由兩端彎折的平行耦合線構(gòu)成，成U或S型；2018年， Ahmed等設(shè)計(jì)了頻率在3.05 GHz～3.96 GHz之間的發(fā)夾線濾波器[6]，是經(jīng)典的小型化微帶線濾波器，濾波器的性能與發(fā)夾線邊緣的寬度與間距有關(guān)，邊緣間距為15 mm時(shí)，損耗小于11 dB。交指型濾波器由互相平行的導(dǎo)體交叉形成[7]，采用抽頭式輸入輸出； Jiang等利用交指型結(jié)構(gòu)[8]，傳輸零點(diǎn)增加，改進(jìn)了帶通濾波器，阻帶部分衰減迅速增大。傳輸線折彎方式如圖4所示。

(a)梳妝線型 (b)發(fā)夾線型 (c) 交指型

1.4 一腔多模技術(shù)

一腔多模技術(shù)采用多模諧振器調(diào)節(jié)諧振電路，控制其諧振頻率，單個(gè)腔體的物理空間可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)單模諧振器的物理功能，在確保高性能的情況下縮減了尺寸。濾波器功能集中，諧振單元減少，結(jié)構(gòu)更加緊湊。文獻(xiàn)[9]作者在諧振器主體兩側(cè)增加枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)了一種四模諧振結(jié)構(gòu)，插入損耗小于1.2 dB。如圖5所示。

圖5 四模諧振器

1.5 多層分置技術(shù)

基于LTCC技術(shù)可以進(jìn)行多層電路布局，將諧振器分置多層電路，實(shí)現(xiàn)無源器件電路結(jié)構(gòu)由平面到三維立體布局，進(jìn)而大大減小器件體積；基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)，應(yīng)用微加工工藝，把不同功能的器件集成于一個(gè)公共底層，實(shí)現(xiàn)集成化和小型化，使濾波器結(jié)構(gòu)更加緊湊；基于LCP的多層電路結(jié)構(gòu)，可以垂直布局，減小諧振腔橫向面積，并且由于單個(gè)器件的減少，制作成本降低。

2 5G LTCC通信濾波器

2.1 LTCC技術(shù)

LTCC技術(shù)可進(jìn)行多層陶瓷基板疊片燒結(jié)，提供了靈活布局的三維集成能力[10]?；?LTCC 技術(shù)的濾波器可以實(shí)現(xiàn)多層陶瓷介質(zhì)的無源器件，具備小尺寸、集成化、大帶寬和低成本的特點(diǎn)，適合用于 5G 通信微基站和終端設(shè)備。

圖6 LTCC多層電路結(jié)構(gòu)

相比其他種類的電路基板，對(duì)于5G通信濾波器來說，LTCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維電路基板具有如下優(yōu)勢(shì)：一是相比傳統(tǒng)的PCB電路基板，采用陶瓷材料，具有良好的高頻特性，同時(shí)陶瓷材料配料的多樣使得頻率特性多樣，提高了電路的靈活性；陶瓷材料的良好的熱穩(wěn)定性、熱阻和耐熱沖擊特性，可以適應(yīng)各種使用環(huán)境，保證信號(hào)的高速傳輸。二是相比高溫陶瓷共燒技術(shù)，低溫可以使金、銀等良導(dǎo)體作為導(dǎo)帶，降低傳輸損耗，提升濾波器性能。三是LTCC可以實(shí)現(xiàn)多層電路結(jié)構(gòu)，如圖6中多種元器件的內(nèi)埋，降低了組件封裝的成本，減小了體積和重量，形成了高度集成的物理結(jié)構(gòu)。

2.2 LTCC陶瓷材料的介電性能比較

LTCC技術(shù)以微波介質(zhì)陶瓷材料為作為基板，陶瓷介質(zhì)濾波器可覆蓋更廣的頻段范圍，承受更高的功率，適合5G大容量通信。陶瓷材料的介電常數(shù)高低影響介質(zhì)陶瓷濾波器制備的尺寸，且合適的陶瓷材料有利于提高濾波器的Q值，當(dāng)介電常數(shù)越高時(shí)，所需的基板越小。因此，低損耗、低成本、適宜低溫共燒技術(shù)、有利于小型化的微波介質(zhì)材料對(duì)于5G通信濾波器的性能大有裨益。

此前，國內(nèi)外對(duì)陶瓷材料進(jìn)行了相應(yīng)的研究并基于所研究的材料設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行性能檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[11]中劉相果等改善的鉛基鈣鈦礦陶瓷介電損耗低、溫度穩(wěn)定性好，屬于高介電材料，適用于移動(dòng)衛(wèi)星通訊。文獻(xiàn)[12]中作者在1 360 ℃下燒結(jié)的鈣鈦礦合成陶瓷材料屬于中介電常數(shù)材料，微波介電性能優(yōu)越。低介電陶瓷材料有兩種體系，文獻(xiàn)[13]中Zhong等加入Li2O-B2O3-Bi2O3-SiO2，形成的微晶玻璃陶瓷復(fù)合材料經(jīng)900 ℃燒結(jié)的介電性能最優(yōu)，適合成為低溫共燒陶瓷材料。文獻(xiàn)[15]中劉劍等制備了在 880 ℃～ 900 ℃燒結(jié)致密的玻璃/陶瓷復(fù)合材料，其tanδ=0.001 0～0.001 3，σ>300 MPa，優(yōu)異的綜合性能滿足LTCC濾波器集成化、小型化和高可靠性的制作要求。如表1所列。

表1 陶瓷材料性能對(duì)比

2.3 LTCC濾波器的不同結(jié)構(gòu)

對(duì)于微帶濾波器而言，文獻(xiàn)[16]中設(shè)計(jì)的帶通濾波器運(yùn)用內(nèi)埋螺旋電感和垂直電容結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不斷調(diào)試電容電感，基于LTCC集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[6,17-19]是通過彎折傳輸線，基于LTCC三維電路基板實(shí)現(xiàn)，相比相同結(jié)構(gòu)的其他電路基板而言，集成度較高，尺寸較小。

對(duì)于集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[20]中是在毫米波段利用LTCC工藝實(shí)現(xiàn)四階堆疊諧振腔，腔體在多維空間上堆疊，占用底層面積較小，頻率選擇性和阻帶抑制高。集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，也可用折疊腔體的方式來縮減體積。尺寸對(duì)比如表2所列。

表2 基于LTCC濾波器性能及尺寸對(duì)比

3 5G LCP通信濾波器

LTCC通信濾波器以高頻率的傳輸特性、較強(qiáng)的封裝能力，在射頻前端系統(tǒng)集成中大量應(yīng)用，是5G小型化濾波器的熱門選擇。但是LTCC材料介電常數(shù)較高，燒結(jié)溫度雖已降至900 ℃左右，仍需耗費(fèi)較高的制備成本，且燒結(jié)時(shí)會(huì)出現(xiàn)基板卷翹、變形，對(duì)此，一種新型聚合物材料LCP漸漸走進(jìn)人們的視野。

LCP可作為集成電路封裝材料，材料來源廣泛，其多層結(jié)構(gòu)主要是通過LCP基板和低熔點(diǎn)粘合薄膜熱壓形成，溫度可以低到285 ℃，熱穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低。對(duì)于5G中高頻段信號(hào)傳輸，其良好的輕薄性，較低的介電常數(shù)和損耗，有利于無線通信系統(tǒng)組成部件的小型化；同時(shí)，基于樹脂材料的柔性，可彎曲成適宜的形狀，制成柔性電路，增大空間利用率[21]。LCP是繼LTCC后的下一代微波毫米波的基板材料。

LCP 加工工藝流程圖如圖7所示，就單層 LCP 基板制作而言，需要經(jīng)過雙面覆銅、光刻、電鍍、去膠和腐蝕銅完成，多層LCP基板需要進(jìn)一步疊片熱壓、鉆孔等步驟完成。LCP的相對(duì)介電常數(shù)在2.9～3.16 之間，相比LTCC小，而且介電常數(shù)會(huì)隨著溫度的升高而減小。

圖7 LCP加工工藝流程圖

3.1 研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)九十年代，基于LCP材料的輕薄性，科研人員就試圖把LCP用于微波電路基底。然而，早期的LCP薄膜因均勻性達(dá)不到要求，難以加工，容易撕裂，同時(shí)還無法在LCP中形成有效的金屬化通孔，使其在微波電路中難以應(yīng)用。直到2001年和2003年帶有單層和雙層金屬銅敷層的LCP薄膜的出現(xiàn)，LCP在高頻電磁波領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。目前，LCP的無源器件庫正逐漸豐富起來，基于LCP基板的傳輸線、共面波導(dǎo)，都顯示出了良好的性能。學(xué)者們已開展基于LCP基底的多類型濾波器的研究。例如：2009年，Zhang等用超細(xì)導(dǎo)體跡線設(shè)計(jì)的工作在22 GHz～29 GHz的緊湊型超寬帶帶通濾波器[22]；Zhang等設(shè)計(jì)工作在50 GHz～70 GHz的平面微帶帶通濾波器[23]；文獻(xiàn)[24-25]對(duì)LCP雙模傳輸?shù)膸V波器分別進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了雙模超寬帶和小型化寬帶；文獻(xiàn)[26]運(yùn)用集總參數(shù)實(shí)現(xiàn)了低通濾波器，并利用50 μm的LCP多層基板進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化并驗(yàn)證；文獻(xiàn)[27]實(shí)現(xiàn)了LCP基板上的SIW濾波器設(shè)計(jì)，中心頻率為94 GHz，插損為2.6 dB，測(cè)量與仿真參數(shù)吻合；文獻(xiàn)[28-29]對(duì)濾波器的柔性進(jìn)行了研究，并對(duì)比了基板不同彎折程度下LCP濾波器的性能，驗(yàn)證了LCP能適應(yīng)不同電路，靈活利用空間仍然性能良好的優(yōu)異特性。液晶聚合物是適用于毫米波的材料之一，使用聚酰胺(PI)在微波頻率下微帶線損耗與LCP基本相同，但在毫米波頻率下，損耗卻比LCP高的多[30]。

表3 基于LCP的濾波器類型及性能對(duì)比

從表3可以看出，超薄LCP基板同樣擁有良好的高頻傳輸特性，回波損耗小于-10 dB，且能實(shí)現(xiàn)高帶外抑制。

3.2 柔性性能

對(duì)于可穿戴的小型無線設(shè)備有很大的需求，例如可穿戴醫(yī)療和電子產(chǎn)品能夠在微波和毫米波頻率上實(shí)現(xiàn)無線通信的可植入。而結(jié)構(gòu)緊湊、性能良好的濾波器是這些無線應(yīng)用的關(guān)鍵組件。LCP基板材料由于其良好的柔性成為理想的候選材料。

2015年，Senior等在低損耗LCP基板材料上實(shí)現(xiàn)了可用于穿戴無線應(yīng)用的緊湊型毫米波帶通濾波器[34]，插入損耗小于1.7 dB；如圖8，Lan等在LCP基板上設(shè)計(jì)了一款中心頻率為9.4 GHz的叉指式帶通濾波器[35]，并進(jìn)行了柔性測(cè)試，測(cè)試表明，不同彎曲半徑下，彎曲效果幾乎不會(huì)降低濾波器性能；2018年，西安郵電大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)LCP基板上0.12 mm寬的微帶線結(jié)構(gòu)進(jìn)行S參數(shù)測(cè)試，平坦和柔性彎曲狀態(tài)下的曲線幾乎重合；同年，LAN等對(duì)LCP基板柔性進(jìn)行彎曲極限測(cè)試，LCP彎曲極限半徑為1 mm～0.75 mm[36]，對(duì)未來LCP高頻柔性濾波器的性能評(píng)估有著重要的參考意義。

(a)實(shí)物圖

(b)平坦和彎曲狀態(tài)下濾波器S參數(shù)

3.3 多層結(jié)構(gòu)

多層結(jié)構(gòu)的濾波器對(duì)于5G時(shí)代，可以有效滿足多天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜要求，對(duì)多個(gè)器件進(jìn)行有效整合，減少空間占用。LCP有極低的損耗正切角，易于壓制成多層結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[37]中，作者就利用折疊阻結(jié)構(gòu)結(jié)合LCP多層布局設(shè)計(jì)了發(fā)夾型濾波器。

2012年，Qian等提出了五層金屬LCP結(jié)構(gòu)[38]。2014年，Cervera等用多層LCP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙頻濾波器結(jié)構(gòu)[39]，如圖9所示，兩個(gè)雙模諧振器鏡像放置，通過頂層共面波導(dǎo)連接到外部環(huán)境。2015年，Cervera等利用LCP多層技術(shù)設(shè)計(jì)一款高抑制低通濾波器[40]，如圖10所示，優(yōu)于40 dB，器件極為輕巧。2016年，Cho等使用LCP-SOP封裝技術(shù)，制作了多層噴墨印刷帶通濾波器[41]；同樣地，2018年，Chang等也利用噴墨印刷技術(shù)在液晶聚合物(LCP)上采用層壓粘合工藝設(shè)計(jì)了一種多層叉指式帶通濾波器，中心頻率為11.5 GHz[42]，無論是采用SOP系統(tǒng)封裝還是直接用基板層壓技術(shù)，都通過LCP基板形成了三維集成電路，濾波器結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本也更加低廉。2019年，Aligab等提出多層液晶聚合物L(fēng)CP粘合PCB電路板自封裝技術(shù)，LCP作為介電層，重量輕且輕薄，實(shí)現(xiàn)了阻抗變換功能的同時(shí)，也解決了寬帶巴倫濾波器大尺寸約束問題[43]；用同樣的方法，他們也設(shè)計(jì)了一種新的小型化超寬帶多層平衡帶通濾波器[44]，將二維的PCB基板濾波器轉(zhuǎn)換到三維上。

圖9 自包裝雙層濾波器多層結(jié)構(gòu)

圖10 高抑制LCP濾波器

多層 LCP 基板主要是利用粘合板對(duì)LCP基板進(jìn)行層層熱壓，在制備過程中，多層基板之間的粘合層互連造成的損耗是亟待解決的難點(diǎn)。一般來說，主要通過穿孔互連或耦合兩種方法：一是用于LCP系統(tǒng)集成技術(shù)的新型垂直互連工藝，通過在上層基板底部和底部基板金屬表層制作焊盤，在粘合層中利用銅漿注入通孔，實(shí)現(xiàn)了LCP不同基板之間信號(hào)互連[45-46]。二是利用耦合窗，信號(hào)從L1層發(fā)出，經(jīng)L2層電磁耦合，在L3層過渡到達(dá)L4層，文中作者通過添加電磁屏蔽孔改善該結(jié)構(gòu)通帶內(nèi)的射頻傳輸性能，最終電磁耦合能在不同層電路之間實(shí)現(xiàn)[47]。

圖11 垂直互連工藝

圖12 電磁耦合過渡結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

5G通信標(biāo)準(zhǔn)的確立激增了射頻前端濾波器的需求，LTCC和LCP兩者都可實(shí)現(xiàn)良好的高頻傳輸特性，且對(duì)于尺寸優(yōu)化、性能優(yōu)化和成本降低都是極富潛力的應(yīng)用，LCP更是被譽(yù)為繼LTCC的下一代基板材料。

兩種技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)，一是LTCC基板是陶瓷材料，介電常數(shù)隨陶瓷配料不同而變化，可靈活適應(yīng)不同電路要求的濾波器設(shè)計(jì)；LCP是一種液晶高分子聚合物，因其良好的柔性性能有很大的機(jī)械靈活性，適用于可穿戴式設(shè)備。二是LTCC熱導(dǎo)率是LCP的10倍，但是LCP熱膨脹系數(shù)可控制在0～40 ppm/℃之間，與各種系統(tǒng)組件能更好的兼容[48]。三是LTCC比LCP介電常數(shù)大很多，與厚LCP相比，單位面積上LTCC提供的電容更大，濾波器尺寸更??；但如果使用超薄LCP疊層，LCP單位面積上電容更高，系統(tǒng)可變得更緊湊。四是LTCC單位面積上電感更高，超薄LCP電感具有最小的電感。如此，LCP基板厚層和薄層兩者因其厚度大小，與相應(yīng)性能成反比，而LTCC可在小尺寸下也擁有良好的性能。