一種LTCC濾波器的快速設(shè)計與實現(xiàn)

李 菁，劉培文

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100071)

0 引言

濾波器[1]作為高頻電路中的重要組成部分，常用于對特定頻段內(nèi)信號的選取，同時對帶外雜波和諧波信號具有一定的抑制作用。集總參數(shù)形式的LC濾波器是一種較為常見的濾波器的類型[2]。LC濾波器多由電容、電感和電阻按照設(shè)計方法進行排布[3]，使其對信號具有頻率選擇性。但LC濾波器由于其組成結(jié)構(gòu)及連接方式，限制了其發(fā)展：組成濾波器的片式元件封裝尺寸較大且不易減小；單個元件的實際工作值與理論值具有偏差；片式器件連接焊點及器件間的連線使濾波器對潮濕、氧化和振動等環(huán)境的抵抗能力及穩(wěn)定性進一步下降[4]。

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)是一種多層陶瓷技術(shù)[5]，具有三維立體布線的特點[6]，同時可以將無源元件內(nèi)埋置入多層陶瓷的內(nèi)部[7]，從而實現(xiàn)無源器件和電路的小型化和集成化[8]。利用LTCC技術(shù)進行LC濾波器設(shè)計[9]，可以將原有濾波器的平面結(jié)構(gòu)立體化[10]。基于LTCC多層技術(shù)的技術(shù)特點，通過堆疊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電容[11]，通過螺旋耦合線形式實現(xiàn)電感，再利用LTCC走線的垂直互聯(lián)性，從而完成濾波器的設(shè)計[12-13]。LTCC技術(shù)使濾波器設(shè)計更加緊湊，同時減少原有LC濾波器單個元件性能差異的影響和各元件間連線的影響，提高濾波器的穩(wěn)定性，同時大大減小了濾波器的體積[14-16]。

1 LTCC濾波器設(shè)計原理

LTCC技術(shù)實際上是一種新型的三維電路實現(xiàn)形式。對于采用集總參數(shù)實現(xiàn)的LC濾波器，首先要做的就是根據(jù)指標要求利用成熟的LC濾波器技術(shù)對濾波器進行設(shè)計，確定各元件參數(shù)值及排列方式。其次是根據(jù)LTCC三維布線和垂直互聯(lián)的特點，分別對濾波器電路中的電感、電容等元件進行逐一設(shè)計。最后，將設(shè)計得到的電感、電容等元件通過合理的布局設(shè)計，相互連接構(gòu)成濾波器電路，實現(xiàn)LTCC濾波器[17]。

1.1 LTCC中電容的實現(xiàn)

電容器是實現(xiàn)濾波器電路的主要元件，LTCC技術(shù)中的電容器主要采用平行板結(jié)構(gòu)(Metal-Insulator-Metal，MIM)和垂直堆疊結(jié)構(gòu)(Vertically Interdigitated Capacitor，VIC)2種[18-20]，常用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 內(nèi)埋置MIM電容器 (b) 內(nèi)埋置VIC電容器圖1 2種內(nèi)埋置電容器結(jié)構(gòu)示意

在實現(xiàn)相同電容值的情況下，MIM結(jié)構(gòu)電容器面積較大，所占層數(shù)較少。而VIC結(jié)構(gòu)電容器在外部Q值和SRF諧振頻率方面更具優(yōu)勢，但VIC所用層數(shù)較多，提高了設(shè)計難度和工藝的復(fù)雜性。在實際電路的設(shè)計中，需要根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，對這2種結(jié)構(gòu)進行衡量，選用適宜的結(jié)構(gòu)進行電容器的設(shè)計。

無論選擇哪種結(jié)構(gòu)進行電容器設(shè)計，都需要對電容元件的相關(guān)參數(shù)進行提取。把電容器當作一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，通過對其特性參數(shù)的提取，得到電容器結(jié)構(gòu)尺寸的準確設(shè)計。

有效電容值Ceff和品質(zhì)因數(shù)Q是表征電容器性能的2個重要參數(shù)，它們可以由二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)得出，即

(1)

(2)

式中，ω為角頻率；Y11(ω)為二端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)；Zin為輸入阻抗。

有效電容值和品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的曲線如圖2所示。當設(shè)計的LTCC電容器特性參數(shù)曲線同理論計算曲線相符合時，就得到了適宜的電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 電容器特性參數(shù)隨頻率的變化

1.2 LTCC中電感的實現(xiàn)

在LTCC技術(shù)中實現(xiàn)集總電感元件的方法有很多，常見的有以下幾種形式：平面結(jié)構(gòu)電感器和多層電感器，如圖3所示。平面結(jié)構(gòu)電感器適用于電感值較小的情況，其所占面積較大。更為常用的是多層結(jié)構(gòu)形式的電感，特別是三維螺旋式電感能利用LTCC多層立體結(jié)構(gòu)的特點，有效提高電感值和品質(zhì)因數(shù)，同時在結(jié)構(gòu)上更為緊湊，有效地減少了寄生參數(shù)的干擾[21-23]。

圖3 常見的LTCC電感器實現(xiàn)形式

對電感器的設(shè)計采用與電容器設(shè)計相同的思路，把電感當作一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，通過提取電感的特性參數(shù)，得到電感器模型在LTCC中的準確尺寸。電感器的主要特性參數(shù)有有效電感量Leff和品質(zhì)因數(shù)Q，即

(3)

(4)

電感器類型多樣，等效電路形式較多，同時由于在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，帶來的寄生電容和等效串并聯(lián)電阻不容忽視，對電感器準確建模帶來了挑戰(zhàn)。

2 LTCC濾波器的仿真設(shè)計

利用單層介質(zhì)厚度為0.1 mm，相對介電常數(shù)ε=5.9的基板材料Ferro A6M，依據(jù)上述設(shè)計方法設(shè)計了截止頻率fc=1.5 GHz的低通濾波器。濾波器采用5階切比雪夫型函數(shù)進行設(shè)計。在ADS軟件中完成濾波器等效原理圖設(shè)計，C1=C2=3 pF，L1=L3=7 nH，L2=12 nH，如圖4所示。

圖4 LTCC低通濾波器等效原理

濾波器采用對稱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，元件布局清晰，元件間相互影響較少，適宜LTCC三維布局設(shè)計，其等效原理圖S參數(shù)ADS軟件仿真曲線如圖5所示，可以看出濾波器通帶范圍DC -1.5 GHz，在2.5 GHz處衰減30 dB。

圖5 LTCC低通濾波器等效原理圖S參數(shù)仿真曲線

根據(jù)圖4所示的等效電路，利用HFSS軟件進行三維建模，通過提取特性參數(shù)的方式，在LTCC三維結(jié)構(gòu)中分別實現(xiàn)3個電感和2個電容元件，并通過合理的布局排布，完成LTCC濾波器緊湊的三維立體模型的建立。

電容器由于電容值為3 pf，容值較小，采用單層電容板結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，根據(jù)圖1中的VIC電容器結(jié)構(gòu)在HFSS中進行建模，參考單層平面電容器的計算式(5)，ε0為空氣中的介電常數(shù)，εr為兩平行板間填充的介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)，d為兩平行板間的距離，即

(5)

單層電容板結(jié)構(gòu)電容仿真模型三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，介質(zhì)層選用3層介質(zhì)層，厚度為0.3 mm。特性參數(shù)提取曲線如圖7所示。優(yōu)化后得到3 pf單層電容具體尺寸為2.5 mm×1.8 mm。

圖6 單層電容三維結(jié)構(gòu)模型

圖7 電容模型提取的有效電容值

電感采用圖3所示的三維螺旋式電感進行設(shè)計，由于電感建模復(fù)雜，采用類比的方式，參考已有設(shè)計，通過電感值的比較，對應(yīng)修改電感結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到近似的電感模型，再利用HFSS進行參數(shù)優(yōu)化得到準確的電感結(jié)構(gòu)參數(shù)。以實現(xiàn)12 nH的電感設(shè)計為例，文獻[23]給出了有效電感值為4.7 nH的4層三維螺旋式電感結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，通過增加繞線線寬、繞線線長并減小同層金屬線距離的方式，可以增大電感有效值，得到需要的電感設(shè)計。

12 nH的電感采用4層三維螺旋式立體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，其三維仿真模型如圖8所示，也是通過提取電感的特性參數(shù)，如圖9所示。電感結(jié)構(gòu)具體尺寸：W1=0.2 mm，S1=S2=1.1 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。以同樣的方式，也可以得到7 nH的電感模型參數(shù)，7 nH電感采用2層圓螺旋立體結(jié)構(gòu)，具體尺寸：W2=0.2 mm，S1=S2=1.5 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。

圖8 電感三維結(jié)構(gòu)

圖9 電感模型提取的有效電感值

將設(shè)計得到的電感和電容模型，按照圖4的濾波器電路等效原理圖進行空間布局，在HFSS中進行建模，如圖10所示。通過圖10(b)側(cè)視圖可以看出，在12層濾波器結(jié)構(gòu)中，1～6層為電感層，8～11層為電容層，第11層為地層。利用地層與電容板間耦合，形成額外的電容板層，有效地減小了電容器面積，電容器面積為1.6 mm×0.8 mm。電感元件間間距較大，能有效避免相互間的干擾，同時將電容元件與電感元件隔離開，有效地減小了寄生電容的出現(xiàn)。

(a) LTCC濾波器HFSS三維結(jié)構(gòu)模型

(b) LTCC濾波器三維模型側(cè)視圖圖10 LTCC濾波器三維結(jié)構(gòu)

最后利用HFSS仿真優(yōu)化功能，對濾波器進行整體優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果顯示，在濾波器截止頻率1.5 GHz處衰減為-0.3 dB，在2.5 GHz處衰減大于30 dB，在3 GHz處約為52 dB，仿真結(jié)果與濾波器等效原理圖仿真結(jié)果相一致。設(shè)計完成的LTCC濾波器尺寸為：6 mm×2.2 mm×1.3 mm。

圖11 LTCC濾波器仿真結(jié)果

3 測試結(jié)果

濾波器的測試結(jié)果如圖12所示，可以看出濾波器的截止頻率為1.5 GHz，在1.5 GHz處衰減約為-1.5 dB，在2.5 GHz處衰減達到30 dB。濾波器測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明這種LTCC濾波器的快速設(shè)計方法具有一定的工程價值。

圖12 LTCC濾波器測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文著重介紹了一種集總參數(shù)形式的LTCC低通濾波器的設(shè)計過程。利用平行電容板的計算公式完成電容建模，利用類比的方法完成電感的建模，再利用HFSS軟件，通過提取元件的特性參數(shù)的方式，快速而有效地獲得元件模型的具體參數(shù)。再利用三維立體布線的優(yōu)點，將設(shè)計完成的各元件進行合理三維立體布局，從而快速有效地完成整個濾波器的設(shè)計，降低了設(shè)計中的計算復(fù)雜性，縮短了設(shè)計周期，為LTCC濾波器的設(shè)計提供了一種新的設(shè)計思路與方法。

[1] 甘本袚，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京：科學(xué)出版社，1974.

[2] 楊赤如，陳曉陽，齊愛軍，等.廣義切比雪夫型LC濾波器的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2013，29(3)：64-67.

[3] 森榮二(日)著.LC濾波器的設(shè)計與制作[M].薛培鼎，譯.北京：科學(xué)出版社，2008.

[4] 杜銀波，許悅.小型化LC濾波器可靠性研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2011，36(1)：79-83.

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

[6] SHEEN J W.A Compact Semi-lumped Low-pass Filter for Harmonics and Spurious Suppression[J].IEEE Microwave Guided Wave Lett.，2000(10)：92-93.

[7] 劉永寧.微波多層電路與低溫共燒陶瓷(LTCC)[J].現(xiàn)代雷達，2000，22(6)：83-86.

[8] 戴永勝，李旭，朱丹.基于LTCC技術(shù)超小型寬帶巴倫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微波學(xué)報，2014，30(1)：51-54.

[9] 魏啟甫，孟慶鼐，鄭建彬.LTCC及其在三維微波集成電路中的應(yīng)用[J].微波學(xué)報，2005，21(5)：58-62.

[10] 夏紅，徐自強，王浩勤.LTCC帶通濾波器的設(shè)計[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2008(S1)：47-49.

[11] 滕林，丁曉鴻，付賢明.低溫共燒微波帶通濾波器的設(shè)計[J].電子元件與材料，2008，27(6)：12-14.

[12] SIMINE A，PIATNITSA V.Design of Quasi-Lumped-Element LTCC Filters and Duplexers for Wireless Communications[J].IEEE Trans MTT，2003(12)：311-314.

[13] 王學(xué)東，李英，姬五勝.帶有耦合電容的多層陶瓷帶通濾波器[J].電波科學(xué)學(xué)報，2003，18(5)：550-552.

[14] 王美蘭，李天明，鄭宏宇，等.LTCC五階LC帶通濾波器的設(shè)計與關(guān)鍵工藝分析[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35(11)：1130-1133.

[15] YEUNG L K，WU K L.A Compact Second-order LTCC Bandpass Filter with Two Finite Transmission Zeros[J].IEEE Trans-MTT，2003，51(2)：337-341.

[16] YEUNG L K，WU K L，WANG Y X.Low-temperature Cofired Ceramic LC Filters for RF Applications[J].Microwave Magazine，IEEE，2008，9(5)：118-128.

[17] 劉海文，鄭偉.LTCC無源濾波器的研究現(xiàn)狀及進展[J].微電子器件與技術(shù)，2009，46(8)：502-508.

[18] 趙琳，延波.LTCC 埋置電容的設(shè)計和仿真[J].中國科技信息，2005，23(1)：119.

[19] 曾耿華，唐高弟.LTCC中埋置電容的參數(shù)提取及特性分析[J].信息與電子工程，2008(1)：6-9.

[20] 陳錫丹，劉穎力，李元勛.LTCC電容π型等效電路模型的提取與驗證[J].磁性材料及器件，2008(5)：45-47.

[21] 吳靜靜，延波，張其劭，等.微波LTCC內(nèi)埋置電感設(shè)計與參數(shù)提取[J].電訊技術(shù)，2007，47(5)：123-126.

[22] 王彥峰，黃慶安，廖小平.RF螺旋電感參數(shù)的提取方法[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2005，26(8)：1591-1594.

[23] 宋艷，楊磊，許慶.基于LTCC技術(shù)的射頻多層垂直螺旋電感設(shè)計研究[C]∥第十六屆全國青年通信學(xué)術(shù)會議論文集(上)，2011：197-201.