一種單傳輸零點(diǎn)LTCC高通濾波器的設(shè)計(jì)與制備

黃昆，鐘茂鋒，王霞輝，沓世我，李勃

(1.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司，廣東肇慶，526020；2.新型電子元器件關(guān)鍵材料與工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東肇慶，526020；3.清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院材料研究院，廣東深圳，518055；4. 肇慶學(xué)院，廣東肇慶，526020)

0 引言

隨著移動(dòng)通信、航空航天等技術(shù)的發(fā)展，濾波器作為收發(fā)系統(tǒng)中的重要元件之一，向著小型化、高溫度穩(wěn)定性、高性能、高集成化的方向發(fā)展。LTCC技術(shù)使用低溫共燒陶瓷材料，燒結(jié)溫度接近900℃，可以使用低電阻率的銀作為布線導(dǎo)體，降低器件在高頻下的導(dǎo)體損耗，介質(zhì)損耗相比傳統(tǒng)的PCB材料低，可有效地降低器件的介質(zhì)損耗，而且LTCC材料體系豐富多樣，提供更大的設(shè)計(jì)空間。LTCC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在三維空間的布線，將電容、電感從傳統(tǒng)的二維排布變成三維分布，極大地提高了集成密度，促進(jìn)了器件小型化[1-2]。

戴永勝等通過(guò)一種新型的諧振單元設(shè)計(jì)的LTCC帶通濾波器具有體積小、性能優(yōu)異的特點(diǎn)[3]。王爾凡等通過(guò)在濾波器上表貼變?nèi)荻O管設(shè)計(jì)了一種可調(diào)頻的LTCC帶通濾波器[4]。沓世我等通過(guò)電容耦合和電感耦合雙耦合原理，設(shè)計(jì)并制備了一種中心頻率為3.5 GHz的5G通信用LTCC帶通濾波器[5]。濾波器的電路設(shè)計(jì)原理分為兩大類：分布參數(shù)和集總參數(shù)，基于集總參數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器更穩(wěn)定和可控，當(dāng)應(yīng)用頻率越來(lái)越高，元件之間的寄生參數(shù)帶來(lái)的影響不容忽視[6]，為了彌補(bǔ)寄生參數(shù)帶來(lái)的不良影響和增強(qiáng)濾波器的性能，增加傳輸零點(diǎn)是一種常見設(shè)計(jì)方法[8]，柴永強(qiáng)等利用諧振器交叉耦合增加傳輸零點(diǎn)[9]，張博等通過(guò)混合電磁耦合引入傳輸零點(diǎn)[10]。

本文基于集中參數(shù)電路設(shè)計(jì)原理，以七階的LC高通濾波電路為原型，為了在不增加元件的前提下提高濾波器在低頻的抑制性能，利用電感耦合作用在串聯(lián)支路增加并聯(lián)諧振，從而引入傳輸零點(diǎn)。利用現(xiàn)有的工藝條件制備出一種具有單傳輸零點(diǎn)的LTCC高通濾波器。

1 LTCC高通濾波器的原理與設(shè)計(jì)

1.1 電路原理

高通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示，這是一款通帶為1600～5500MHz的高通濾波器，該濾波器在低頻段對(duì)濾波性能有特別要求，在0～1060MHz頻段內(nèi)抑制強(qiáng)度要大于40dB。本文的高通濾波器基于集總參數(shù)LC電路設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)高帶外抑制、低帶內(nèi)插損，選用七階的高通濾波器作為設(shè)計(jì)原型[11]。

表1 高通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

圖1 串聯(lián)支路的并聯(lián)諧振

電路原理圖如圖2所示，C1與L5、C3與L6形成傳輸零點(diǎn)，經(jīng)過(guò)ADS調(diào)諧優(yōu)化，元件的具體數(shù)值為：C1=C3=2.61pF，C2=1.23pF，L1=L4=11.56nH，L2=L3=3.33nH，L5=L6=8.80nH。電路仿真結(jié)果如圖3所示，低頻段的帶外抑制完全滿足40 dB的要求，帶內(nèi)回波損耗在20dB以上，滿足帶內(nèi)駐波比小于1.5的要求。電壓駐波比（VSWR）與回波損耗（S11）的轉(zhuǎn)換關(guān)系如公式（2）所示，帶內(nèi)駐波比小于1.5對(duì)應(yīng)帶內(nèi)回波損耗大于14dB。傳輸零點(diǎn)出現(xiàn)在1GHz附近，可以有效地增強(qiáng)高通濾波器在此鄰近頻段的抑制能力。

圖2 高通濾波器的電路原理圖

圖3 高通濾波器的三維結(jié)構(gòu)圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁仿真

圖2所示的電路原理圖只是實(shí)物濾波器簡(jiǎn)化后的理論等效電路，在濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，電容和電感分布在器件里的三維空間，元件相互間將會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，這些寄生參數(shù)不可忽略，同時(shí)也無(wú)法完全消除這種寄生效應(yīng)，利用這些寄生效應(yīng)，替代電路原理圖中的部分元件，既可以節(jié)省設(shè)計(jì)空間，又可以增強(qiáng)器件的性能。為了提高元件的Q值和自諧振頻率，使用疊層電容和疊層螺旋電感來(lái)實(shí)現(xiàn)電路原理圖的電容和電感，特別地，L5、L6分別通過(guò)L1和L2、L3和L4之間的耦合電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而節(jié)省空間，并且L5與C1，L6與C3在串聯(lián)支路形成并聯(lián)諧振電路，引入傳輸零點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)特定的元件，從理論等效電路轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)，可以對(duì)單一元件進(jìn)行仿真，借助電容和電感參數(shù)提取公式(3)、(4)，得到元件三維結(jié)構(gòu)的基本信息。如疊層電容占用的面積、堆疊的層數(shù)，疊層螺旋電感占用的面積、堆疊的層數(shù)、走線的寬度等[12]。經(jīng)過(guò)初步仿真，C1和C3由四層疊層電容提供；C2由占用面積較小的四層疊層電容提供；L1和L4由三層螺旋電感提供，L1和L2由相對(duì)較小的三層螺旋電感提供。初步仿真得到的結(jié)構(gòu)尺寸大小不是最終器件上的結(jié)構(gòu)尺寸，還需要將各個(gè)元件組合成一個(gè)完成的器件進(jìn)行仿真。

因?yàn)樵ミB、元件與元件之間存在寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)對(duì)器件影響不可忽視。所以，在初步完成高通濾波器的三維結(jié)構(gòu)建模后，還需要對(duì)器件的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，才能實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了使仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果盡可能一致，在仿真過(guò)程中是帶實(shí)際測(cè)試板仿真的，測(cè)試板上的輸入輸出端微帶傳輸線的特征阻抗必須設(shè)計(jì)成50Ω，以便與測(cè)試使用的50Ω同軸線相匹配。仿真使用相對(duì)介電常數(shù)為5.5、損耗角正切值為0.004的陶瓷作為介質(zhì)層，本文設(shè)計(jì)的高通濾波器的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示，C1、C2、C3分布在最上方，L2和L3分布在中間，L1和L4分布在最下方，器件的兩端為輸入、輸出端口，腰部有2個(gè)接地端，尺寸大小為3.2×1.6×0.92 mm，最終的電磁仿真結(jié)果如圖4所示虛線部分，圖中包含高通濾波器的插入損耗（S21）和回波損耗（S11）曲線。

圖4 仿真結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)

2 高通濾波器的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試分析

基于LTCC工藝，使用相對(duì)介電常數(shù)為5.5的瓷粉配料，配料過(guò)程需要向瓷粉加入分散劑、粘結(jié)劑等，在尼龍罐中混合、研磨1天，得到分散均勻的流延漿料，通過(guò)流延工藝得到厚度為57um的生瓷片。機(jī)械打孔機(jī)按照打孔圖紙將產(chǎn)品內(nèi)部的連通孔打在生瓷片上，通孔直徑為100um；然后用絲網(wǎng)通過(guò)印刷工藝將產(chǎn)品的每一層圖案印刷在生瓷片上，經(jīng)過(guò)疊層、溫水等靜壓（層壓）、切割工序得到生坯產(chǎn)品，生坯經(jīng)過(guò)排膠、燒結(jié)成型，通過(guò)封端燒端的方式將內(nèi)電極引出到外電極端口，最后經(jīng)過(guò)沉積、電性能測(cè)試得到最后的成品，LTCC高通濾波器的實(shí)物如圖5所示。

圖5 高通濾波器產(chǎn)品實(shí)物圖

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5222A對(duì)制備的濾波器進(jìn)行測(cè)試，得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4實(shí)線所示，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定差異，但總體都滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。表2對(duì)比了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與電磁仿真數(shù)據(jù)的差異，這里取數(shù)據(jù)的絕對(duì)值來(lái)對(duì)比損耗大小。實(shí)測(cè)帶內(nèi)插入損耗比仿真數(shù)據(jù)大，差別主要來(lái)源于截止頻率的偏移以及測(cè)試條件帶來(lái)的損耗，包括測(cè)試板、SMA接頭、同軸線帶來(lái)的損耗；另外，實(shí)際的內(nèi)電極銀的導(dǎo)體損耗和LTCC材料的介質(zhì)損耗比仿真數(shù)值要大一點(diǎn)，也會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)插入損耗比仿真數(shù)值偏大。0～1060MHz的帶外抑制性能，仿真與實(shí)測(cè)基本一致；1060～1250MHz的帶外抑制性能，實(shí)測(cè)效果比仿真更好，這與前面提到的截止頻率偏移有關(guān)，由圖4可以看出，實(shí)測(cè)的截止頻率相比仿真稍微往右偏移，這使得實(shí)際濾波器在低頻段某些范圍內(nèi)的抑制變強(qiáng)了，但是帶內(nèi)插損也相應(yīng)地增大了。實(shí)測(cè)的通帶內(nèi)回波損耗與仿真的曲線相差比較大，雖然兩者都滿足設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)測(cè)的回波損耗比仿真的小，主要原因是實(shí)物與電磁仿真在通帶內(nèi)的諧振點(diǎn)的位置有偏差，諧振點(diǎn)的位置取決于電容和電感，由圖4的回波損耗曲線可以看出，電磁仿真的通帶內(nèi)第二個(gè)諧振點(diǎn)被設(shè)計(jì)在2000 MHz附近，目的是實(shí)現(xiàn)1620～3450MHz 頻段內(nèi)具有較高的回波損耗，由表2可知在此頻段內(nèi)的回波損耗是大于28 dB的。實(shí)測(cè)通帶內(nèi)的第二個(gè)諧振點(diǎn)與第三個(gè)諧振點(diǎn)基本重合了，看起來(lái)只有第三個(gè)諧振點(diǎn)存在，這與實(shí)際制備過(guò)程中的誤差有關(guān)，例如疊層偏差造成電容值減小、電感走線變寬等，導(dǎo)致諧振點(diǎn)往高頻方向偏移。此外，實(shí)際器件的介質(zhì)層厚度與設(shè)計(jì)值的偏差會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生整體范圍的影響。

表2 電磁仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從圖4的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果可知，實(shí)物很好地與設(shè)計(jì)貼合，仿真與實(shí)測(cè)性能都能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的高通濾波器，實(shí)測(cè)通帶1850～4400MHz內(nèi)的插入損耗只有不到0.89dB，帶外0～1060Mhz抑制強(qiáng)度高于47.89dB，帶內(nèi)回波損耗大于19.79dB，即帶內(nèi)駐波比小于1.25。如表3所示，與其他濾波器性能相比，本文設(shè)計(jì)的LTCC高通濾波器具有帶外抑制強(qiáng)度高，帶內(nèi)回波損耗大，帶內(nèi)插入損耗比較好的特點(diǎn)。

表3 濾波器性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)和制備的高通濾波器，在3D空間中對(duì)元件進(jìn)行巧妙布局，其新穎結(jié)構(gòu)利用元件之間的耦合作用，在不增加器件尺寸的前提下引入傳輸零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的濾波性能，產(chǎn)品實(shí)測(cè)性能與仿真數(shù)據(jù)基本吻合，均滿足設(shè)計(jì)要求,目前這款高通濾波器已形成商業(yè)化生產(chǎn)。隨著電子系統(tǒng)朝著高度集成化、小型化、高性能、高可靠性的方向發(fā)展，LTCC射頻器件可進(jìn)一步發(fā)揮它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和作用。