LTCC二階電感性耦合帶通濾波器的設計

0 引言

現代移動通信系統(tǒng)從GSM到GPRS直至CDMA，頻率從原來的幾百Hz到了現在的900 MHz，1．8 GHz，2．4 GHz，5．8 GHz，甚至更高。與此同時，對于器件的小型化和高性能的要求卻在不斷提高。在微波波段，多層陶瓷介質的無源器件，如濾波器等，由于其具有小型化、易集成、設計靈活等優(yōu)點而越來越受到重視。為了在器件小型化的同時，降低其損耗，以獲得更高的品質因數，就需要尋求新的材料和技術。在眾多的微波介質板材中，LTCC相對于HTCC(high temperature cofired ceramic)更具優(yōu)勢。它結合了共燒技術和厚膜技術的優(yōu)點，減少了昂貴、重復的燒結過程，所有電路被疊層熱壓并一次燒結，節(jié)省了時間，降低了成本，減小了電路的尺寸；對于射頻微波領域，更重要的是它具有高品質因數、高穩(wěn)定性、高集成度等優(yōu)點。因此，LTCC已成為民用和軍品電子系統(tǒng)理想的選用材料。目前，基于LTCC技術的微波器件已開始應用于手機、小靈通、無繩電話等各種移動通信設備中，在藍牙、無線局域網卡、天線開關等模塊中也大有用武之地。

低溫陶瓷共燒(LTCC)技術采用厚膜材料，根據預先設計的版圖圖形和層疊次序，將金屬電極材料和陶瓷材料一次性共燒結，獲得所需的無源器件及模塊組件。金屬帶的層疊技術可以方便地實現層與層之間電容和電感的耦合，利用交叉電容耦合的方法就可以在阻帶獲得能改善傳輸特性的傳輸零點。此外，LTCC采用高電導率的金、銀等金屬作導電介質，在燒結過程中不會氧化，因此無需電鍍保護；LTCC陶瓷基片的組成成分可變，根據配料的不同可生成具有不同電氣性能的介質材料，各參量在一定范圍內可調整，從而增加了設計的靈活性。

l 多層濾波器結構及原理

經典的濾波器設計理論已較成熟，多層介質濾波器是用層疊式的電路結構來實現濾波電路的功能。這種技術不僅使濾波器體積小，且高頻性能好，但器件內部電磁場的分布不易確定，且隨層數的增加而趨向復雜。圖1為多層介質濾波器的一般結構。圖1中，微帶電路(黑色部分)印刷在LTCC基片(灰色部分)上，上下兩層為屏蔽層，中間為起濾波作用的電路結構(通常稱為電路層)。圖案層的具體樣式和層數要視所設計的濾波器參數(如中心頻率、通帶內插損、阻帶衰耗等)而定。用同樣的方式可以獲得天線、平衡或非平衡轉換器(balun)等微波器件。

在LTCC的設計過程中，較常見的是以集總元件方式設計電容耦合帶通濾波器?？紤]到LTCC工藝的制作方便，因此濾波器一般都不超過3階。集總元件構成的帶通濾波器電路由串、并聯交叉連接的諧振器構成。在此，利用一種產生額外3個傳輸零點的帶通濾波器理論，將LTCC技術與帶通濾波器相結合。這里給出濾波器的主要技術指標，通過研究LC帶通濾波器的等效電路，利用三維電磁仿真軟件HFSS對濾波器進行仿真優(yōu)化。用二階耦合諧振帶通濾波器作為原型，它為電感性耦合π型結構。在此核心電路的基礎上，加入匹配電容CI、接地電感LG，及并聯電容Cp。該電路可產生3個傳輸零點，等效電路結構如圖2所示。設計傳輸零點是因目前有很多無線系統(tǒng)的應用，而每個系統(tǒng)所使用的頻帶非常接近，很容易造成彼此間的干擾，因此可借助于設計傳輸零點來降低系統(tǒng)之間的干擾。該電路可以合成出大電容與小電感。Cs約為PF量級，Ls約為0．1 nH量級，因此較適合用于低溫共燒陶瓷基板。

2 LTCC多層濾波器的工藝買現

濾波器介質層材料用ULF140微波介質陶瓷，相對介電常數εr=13．4，品質因數Q>2 100，頻率溫度系數τF≈0，內外電極材料用銀電極。器件多層結構設計用微帶線構成兩級諧振器，耦合電容層C12輸入／輸出電容與耦合電容在同一層。材料介電常數每變化2．5％，中心頻率將移動32~42 MHz。由于層間的耦合電容與負載電容隨介電常數的增大而增大，器件的中心頻率將隨介電常數的增大而降低，中心頻率向低頻移動，因此，在設計濾波器時必須在性能上留有余量。本文利用HFSS對濾波器結構進行了仿真，圖3為一種設計中廣泛采用的帶狀線結構濾波器，由3個圖案層組成。同時，從圖中可知，這是一個兩級諧振濾波器，且兩個諧振單元的結構是一樣的，它們之間通過電磁耦合來連接。由于多層陶瓷微波濾波器使用的是非鐵磁性介質，因此級間耦合主要靠電容耦合來實現，所以在討論耦合情況時，只考慮電容耦合。經過實驗和分析，該濾波器諧振單元的電感L由導體N的自電感LN提供，諧振單元的諧振電容由導體N的自電容CN和導體N與導體R以及導體N與導體S之間的耦合電容CR，CS提供。諧振單元之間的耦合電容由兩諧振單元中對應的N-N，R-R，S-S之間各自耦合電容的總和組成。這樣，通過求解所有導體形成的電容電感矩陣，得到各參數的具體數值，進而通過對此等效電路進行電路分析得到該濾波器的響應。LTCC片式濾波器的加工生產須經過流延、打孔、通孔填充、印刷電極、疊層和等靜壓、切片、共燒工藝過程。能否控制好工藝精度是生產合格器件的保證。實際生產出來的LTCC片式濾波器，尺寸為3．75 mm×1．38 mmX 0．97mm。仿真的電性能參數和實際生產出來的樣品電性能參數如表1所示。樣品測試所用儀器為Agilent E8363B矢量網絡分析儀。

從表1可以看出，仿真值與實際值接近，但是存在一定的差異。導致器件性能變差的因素很多，如流延出來的介質基片厚度不一致。印刷疊層和熱壓造成的錯位，切片時的偏差和器件變形及共燒時的收縮不均勻等。解決這些問題除了提高工藝水平外，前期的優(yōu)良設計也是解決的途徑之一。如在設計中盡量避免耦合間距過小，層數過多等，同時應多采用簡潔的電路結構，減少不必要的工藝過程。

3 結語

設計了一種中心頻率為2．45 GHz。具有3個傳輸零點的LTCC二階電感性耦合帶通濾波器。利用一套合成該濾波器的分析方法給出了電路元件的各個數值，用電路與電磁仿真軟件合成出具有良好性能的濾波器?；贚TCC技術的多層濾波器與傳統(tǒng)的分離器件相比，具有體積小，重量輕，性能好等許多優(yōu)點。本文所給出的濾波器性能表現良好，只要能預先設定好兩個反射零點與兩個匹配品質因子，就能有效地合成出各個器件的數值，設計具有一定的靈活性，可以根據不同的濾波器規(guī)格設定不同的參數，在無線系統(tǒng)中有很好的實用價值。