基于LTCC小功率分配器設計與實現

唐超+趙明莉

摘 要： 利用一套合成濾波器的分析方法，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，并且使用ADS 2009及HFSS 13.0軟件設計了通頻帶為2 225～2 700 MHz的二端口功率分配器。通過原理分析、設計仿真，總結并得出為了讓濾波器性能表現良好，只需要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，也可以根據不同的濾波器規格設定不同的參數，在無線系統中有很好的實用價值。

關鍵詞： LTCC技術； 功率分配器； 合成濾波器； 數值合成

中圖分類號： TN626?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0167?03

Abstract： The analysis method of a synthetic filter is adopted to give the each value of the circuit elements. The circuit and electromagnetic simulation software are used to synthesize a filter with perfect performance. The ADS2009 and HFSS13.0 softwares are employed to design the two?port power divider whose passband is 2 225～2 700 MHz. The principle analysis and design simulation results show that， in order to make the filter performance better， so long as two reflection zeros and two matching quality factors are preset， the numerical value of each device can be synthesized effectively. The design has certain flexibility， and can set different parameters according to the specification of different filters， which has a high practical value in wireless systems.

Keywords： LTCC technology； power divider； synthetic filter； numerical value synthesis

LTCC（Low Temperature Cofired Ceramic）[1]是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個被動組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900 ℃下燒結，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內置無源元件的三維電路基板。在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通信組件[2]。

1 LTCC工藝流程

LTCC主要的工藝流程如圖1所示。圖中，印刷工序為主要工序，成型為關鍵工序。功率分配器中的電感、電容圖案是在印刷工序完成的。印刷的厚度、寬度與模型設計偏差較大，將會影響產品的性能[3]。而在成型工序，產品的特性將固定，該工序主要是要控制層與層之間的偏位。若偏差較大，將會影響功率分配器內部的電感量、電容量，從而影響整個產品的性能，且是不可逆的。

2 功率分配器原理分析

2.1 基本原理

功率分配器將功率按一定的比例分成兩路。其有多種形式，最常用的是λg/4功率分配器。這種功率分配器稱為威爾金森（Wilkinson）功率分配器。功率分配器是個三端口電路結構（3 Port network），如圖2所示，其輸出端口之間的相移為零[4]。

這種三端口裝置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式應用。其信號輸入端的輸入功率為P1，而其他兩個輸出端的輸出功率分別為P2及P3。理論上，由能量守恒定律[5]可知P1=P2+P3。

若P2=P3并以dBm來表示三端口網絡功率間的關系，則可寫成，P2（dBm）=P3（dBm）=Pin（dBm）-3 dB。當然P2并不一定要等于P3，只是相等的情況最常被使用于實際電路中。因此，功率分配器大致上可分為等分型（P2=P3）及比例型（P2=P3）兩種類型。圖3是微帶三端口功分器原理圖，它是在微帶T形接頭的基礎上發展起來的，其結構較簡單。信號由端口“1”輸入（所接傳輸線的特性阻抗為Z0）分別經特性阻抗為Z02，Z03的兩分支微帶線從端口“2”，“3”輸出，負載電阻分別為R2，R3。兩分支間無耦合，各自在中心頻率時的電長度均為θ=

功率分配器應滿足下列條件：

（1） 端口“2”與端口“3”的輸出功率比可為任意指定值；

（2） 輸入端口“1”無反射；

（3） 端口“2”與端口“3”的輸出電壓等幅、同相。

由這些條件可確定Z02，Z03，及R2，R3的值。端口“2”，“3”的輸出功率與輸出電壓的關系為：

由于等幅、同相，故在端口“2”，“3”間跨接一電阻，并不會影響功分器的性能。但當“2”，“3”兩端口外接負載不等于R2，R3時，來自負載的反射波功率便分別由“2”，“3”兩端口輸入，此時該三端口網絡變為一功率合成器。為使“2”，“3”兩端口彼此隔離，須在其間加一吸收電阻，起隔離作用。隔離電阻r的數值，可由圖4所示的等效電路分析求得。

當兩路功分器工作在中心頻率時，它的特性是理想的，一旦頻率偏移，不論是隔離度還是輸入駐波比都將變差，故工作頻帶較窄。

2.2 主要技術指標

功率分配器的技術指標主要包括頻率范圍、每個端口的電壓駐波比或反射系數、兩支路的公分比、輸入/輸出間的傳輸損耗、支路端口間的隔離度和功率分配器承受功率的的能力等。

頻率范圍是各種射頻和微波電路工作的前提，功率分配器的設計結構和尺寸大小與工作頻率密切相關，必須首先明確功率分配器的工作頻率，才能進行具體的設計工作[6]。

端口電壓駐波比或反射系數是射頻和微波電路的一個重要指標，它反映了端口的匹配情況。端口“1”、端口“2”和端口“3”的電壓駐波比或反射系數，分別由散射參量S11，S22和S33決定。其中端口1的電壓駐波比為：

用分貝表示的端口“1”的反射系數為：

同理可求出端口“2”和端口“3”的電壓駐波比和反射系數。功率分配器3個端口的理想工作狀態是匹配，故每個端口的電壓駐波比越小越好（min=1），每個端口的反射系數模值越小越好（min=0，若用dB表示，最小值為-∞）。輸入/輸出間的傳輸損耗是由于傳輸線的介質或導體不理想等因數引起的，介質的損耗角正切和導體的電導率是形成損耗的原因。端口“2”和端口“3”為相互隔離端口，在理想的情況下，隔離端口間應沒有相互輸出功率，但由于設計及制作精度的限制，使隔離端口間尚有一些功率輸出。端口“2”到端口“3”的隔離度定義為：

當兩個支路的結構完全對稱時，散射參量S23=S32。

承受功率是指在大功率時，功率分配器中電路元件所能承受的最大功率。

3 功率分配器在ADS2009與HFSS 13.0中的仿真

功率分配器指標如下，頻率范圍2 225～2 700 MHz；傳輸損耗為3.5～4.0 dB；回波損耗≥18 dB；隔離度≥15 dB。

3.1 在ADS2009中進行參數仿真

該功分器原理圖如圖5所示。

其中，電感、電容、電阻從分立元件庫調取，考慮L1與L2之間存在耦合，在仿真中需加耦合控件，通過優化仿真確立對應元件參數。

該功分器在ADS中仿真的S參數如圖6所示，從仿真結果來看，達到了設計要求。

3.2 在HFSS 13.0中建模及仿真分析

（1） 建立模型。選擇陶瓷材料，介電常數為9.1，內電極材料為銀。同時，考慮標準化、簡易等要求，選擇6腳引腳封裝，圖7為功率分配器三維模型圖。

（2） 仿真結果及分析。如圖8所示，從S參數仿真的結果來看，滿足設計要求，能夠支持進一步工藝控制程序。

4 結 語

本文簡要介紹了LTCC的發展趨勢及LTCC常用工藝流程，利用ADS與HFSS軟件進行理論仿真及建模仿真，實現了小功率分配器設計。同時，在用HFSS建模仿真時需考慮產品SPEC、電路設計、材料、工藝選擇、模型設計、設計轉化等；但理論仿真與實際生產存在工藝偏差，要想理論仿真結果更接近于實際結果，在仿真時需要了解產線實際的工藝水平，并引入相對應的誤差，并進行修正。

參考文獻

[1] 閆安.LTCC（低溫基板陶瓷）的細線條絲印[J].網印工業，2009（2）：26?28.

[2] 王悅輝，楊正文，王婷，等.低溫共燒陶瓷（LTCC）技術新進展[C]//中國電子學會第十四屆電子元件學術年會論文集.西寧：中國電子學會元件分會，2006.

[3] 黃玉蘭.ADS射頻電路設計基礎與典型應用[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4] 楊邦朝，付賢民，胡永達.低溫共燒陶瓷（LTCC）技術新進展[J].電子元件與材料，2008，27（6）：1?5.

[5] 韓振宇，馬莒生，徐忠華，等.低溫共燒陶瓷基板制備技術研究進展[J].電子元件與材料，2000，19（6）：31?33.

[6] 胡興軍.低溫共燒陶瓷技術前景[J].現代技術陶瓷，2005，27（3）：41?42.