基于LTCC 工藝的低通濾波器設計與實現*

張 博肖寶玉

(西安郵電大學電子工程學院，陜西西安 710121)

隨著無線通信行業迅猛發展，射頻器件在系統中占據更重要的地位。而濾波器作為射頻元件中不可或缺的組成部分，在實現小型化、高性能、集成度高等方面已然成為行業研究的熱點與難點，而目前基于低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)工藝設計的濾波器為以上的研究提供了很好的方向。

基于LTCC 工藝設計的濾波器能夠很好的實現小型化和高性能，并且采用不同的結構來實現。例如在2018 年[1]中電感采用立體螺旋型(Helical)電感，電容采用垂直叉指電容(VIC)來獲得小型化濾波器[1]；2019 年[2]中電感采用5 層3D 螺旋結構，電容則采用傳統的(Metal-Insulator-Metal，MIM)式結構來獲得較大的等效值和Q值[2]；在2019 年[3]中電感的設計采用垂直螺旋電感和平面螺旋電感2 種形式，電容采用MIM 結構以實現小型化、高性能濾波器[3]。

應濾波器小型化、高性能的發展趨勢，結合微波濾波器理論并使用ADS、HFSS 進行聯合仿真，設計出具有高Q值的電容電感，并結合原理圖進行合理布局，設計了一款DC-500 MHz 的低通濾波器.

1 低通濾波器電路設計

根據低通濾波器的設計指標，選擇5 階等波紋0.1 dB 的切比雪夫濾波器，其濾波器低通原理圖如圖1 所示，其中的電容電感元件值的相關公式如下所示[4]:

在ADS 中使用Q值模型，其中電容電感的Q值分別設置為150，50。優化得到C1＝C3＝6.63 pF，C2＝12.25 pF，L1＝L2＝21.76 nH。仿真結果如圖2 所示。

圖1 DC-500 MHz 低通濾波器原理圖

圖2 低通濾波器ADS 仿真結果

由圖2 可知，在500 MHz 內插入損耗在0.8 dB，通帶內回波損耗優于-18 dB，在1 000 MHz 處，帶外抑制達到-30 dB，1 500 MHz 處帶外抑制有-50 dB。在達到設計指標后參考ADS 給出的原理圖，然后在HFSS 電磁仿真軟件中建立模型并進行仿真。

2 低通濾波器建模仿真

在應用LTCC 工藝制作集總LC 型濾波器時，最關鍵的是將原型電路圖轉化為三維立體仿真模型，這樣更接近實際情況。在LTCC 濾波器的設計中，真正發揮作用的是元件的有效值，其中電容電感的有效值提取公式如下[2]:

2.1 電感設計

在建模前，首先設計出具有高Q值電容電感。為了不增加濾波器尺寸大小，且結合各方面因素的考慮，電感設計為垂直螺旋結構，電容設計為垂直直插式結構[5]。垂直螺旋電感的三維結構如圖3 所示，而圖4 為垂直螺旋電感結合式(3)和式(4)計算得到的電感有效值隨頻率變化曲線。

圖3 垂直電感設計結構

圖4 垂直電感特征曲線

由圖中看出，此電感的自諧振頻率點在1.9 GHz，電感有效值在低頻處大約10 nH。Q值最高大約為50。分析可知，在物理結構不變的情況下，采用高介電常數材料會降低Q值，這是因為高介電常數材料會導致對地的寄生電容增大，增加了損耗，從而影響Q值。

根據以上分析可知，降低對地寄生電容成為了首要優化目標。在已經確定的介電常數下，使線圈遠離地板可以減小對地寄生電容。如圖5 所示電感，底部線圈與地板之間的距離是原來3 倍介質層厚度，這樣可以很大程度上改善電感Q值，以及有效值[6]。

圖5 優化后垂直螺旋電感

觀察圖6 可知，與之前相比無論是在電感有效值還是Q值方面都有明顯的提高。其中有效值提高30%左右，Q值提高到75。

圖6 優化后垂直螺旋電感特征曲線

2.2 電容設計

電容的設計可以采用如圖7 所示的垂直直插式接地電容，此結構有著單一的通孔和相對較長的金屬抽頭。然后根據式(5)、式(6)得到電容有效值以及Q值隨頻率變化曲線。

圖7 接地電容設計結構

圖8 接地電容特征曲線

分析可知，影響電容有效值的主要因素是接口兩端的寄生電感。而寄生電感主要來自于金屬通孔和端口處較細的傳輸線，這就為優化電容性能提供了方向[6]。

基于以上分析，改進后的電容通孔加在平行板邊，數量增加到優化前的3 倍，之前用來連接通孔的金屬抽頭也縮短。

從圖10 可以得到，與之前的電容相比，有效值和Q值分別提高了8%和11%左右。分析原因可知電容的品質因數的提高是由于端口間寄生電感減小。

圖9 優化后接地電容設計結構

圖10 優化后接地電容特征曲線

基于以上對于高Q值電容電感設計，此濾波器的電感設計為4 圈，大小為1.4 mm×1.4 mm。電容分別采用4 層介質和6 層介質，尺寸大小分別為:1.45 mm×2.34 mm 和2.56 mm×1.6 mm，整體大小為8.24 mm×2.85 mm×1.164 mm。根據以上分析對電容電感進行合理的布局，得到濾波器三維結構圖11，將該模型在HFSS 中進行三維電磁仿真，得到如圖12 所示的仿真結果。

圖11 500 MHz 低通濾波器三維結構

圖12 低通濾波器HFSS 仿真結果

由圖12 可知，在500 MHz 處插入損耗為-0.6 dB，帶外抑制在1 000 MHz 處有-35 dB，帶外抑制在1 500 MHz 處有-55 dB，滿足設計指標。從ADS 原理圖仿真與HFSS 三維電磁仿真中發現，HFSS 中的仿真結果相對更好一些，這是因為在ADS 中設計電容電感的Q值不是太高，在HFSS 中電容電感的Q值要比ADS 中高。

3 加工與測試

根據圖11 濾波器結構圖在LTCC 生產線上經過流延、打孔、填孔、印刷線路、疊層、燒結、封端等一系列工藝，制成濾波器實物[7]。

完成加工后的濾波器如圖13 所示，將加工后的濾波器焊接在PCB 板上，利用矢量網絡分析儀對此濾波器的性能進行測試。

測試結果如圖14 所示，可以看到實際測量的插入損耗在500 MHz 處大約為-1 dB，與仿真結果基本吻合。通帶內回波損耗在-15.5 dB 以下，在1 000 MHz處帶外抑制達到-30 dB。分析結果，可能是因為電容基板重疊面積降低，器件加工材料收縮造成層與層之間有一定的偏移導致電容有效值的降低；而插損的增大在所難免，主要由于Q值的降低以及SMA 接頭損耗，焊接帶來的不連續等問題都會引入插損。

圖13 濾波器實物照片及測試

圖14 500 MHz 低通濾波器仿真對比

表1 給出了所提出的低通濾波器與具有類似特性的低通濾波器的主要指標對比。

表1 所研究低通濾波器與其他濾波器對比

從表1 可以比較出，所設計的低通濾波器展現出很好的帶內選擇性以及較好的帶外抑制能力。

4 總結

結合微波濾波器理論和ADS、HFSS 聯合仿真技術，設計了一款高Q值電容電感模型DC-500 MHz 的低通濾波器，其中在感值和容值不變的情況下電感電容的Q值分別提高了6%和11%，且濾波器的性能為:通帶內插損基本在-0.5 dB，回波損耗在-16 dB 以下，帶外抑制為在1 GHz 處有-33 dB，在1.5 GHz 處有-50 dB，且加工生產出的器件實際測試結果也基本符合設計指標，性能良好。