基于LTCC 技術(shù)橢圓函數(shù)七階低通濾波器設(shè)計(jì)

高 燕

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077）

基于摩爾定律的科學(xué)預(yù)測與相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)的有力支撐，芯片尺寸在實(shí)現(xiàn)用戶需求的前提下，集成度和智能化程度越來越高，微型化、低功耗、低成本、高可靠成了電子整機(jī)的演進(jìn)發(fā)展方向。低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成封裝技術(shù)的重要途徑，隸屬多芯片組件技術(shù)一個重要分支，涵蓋材料科學(xué)、電子線路、射頻微波等，寬領(lǐng)域、多學(xué)科技術(shù)交叉融合，用LTCC 技術(shù)制成的高集成度的有源 / 無源（Active/Passive）功能模塊，實(shí)現(xiàn)了高性能化的電子產(chǎn)品封裝，屬于主流應(yīng)用的器件集成技術(shù)[1]。

1 微波濾波器

頻率選擇性，是指在一個或多個頻帶內(nèi)信號能夠順利傳輸或有效衰減，這是濾波器的典型屬性，在電路中應(yīng)用廣泛。微波濾波器作為濾波器的一種重要類型，在微波射頻電路中砥柱中流，在無線通信領(lǐng)域功能顯著。

伴隨無線通信科學(xué)與技術(shù)發(fā)展演進(jìn)，微波濾波器性能提升需求對用戶來說也必然會水漲船高。設(shè)計(jì)者們需要不斷設(shè)計(jì)開發(fā)更小體積、更高性能、更低成本的濾波器。本研究就是基于低溫共燒陶瓷技術(shù)的高密度集成工藝技術(shù)，結(jié)合濾波器設(shè)計(jì)原理和指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一款小型化高性能低通型濾波器[2]。

1.1 器件衰減特性之對比

對于我們常見的低通濾波器(LPF)，主要有3 種類型，分別是巴特沃茲型（Butterworth），在通帶頻響有最大平坦度，在阻帶層次遞減為零；橢圓函數(shù)型（Elliptic），在通、阻帶紋波相同；還有切比雪夫型（Chebyshev），來自切比雪夫分布，在通、阻帶上頻響波紋波動相同。作為LPF，其主要功能就是濾除高頻帶干擾信號，使得低頻段信號得到高可靠性傳輸。衡量判定LPF 性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)，就是其在截止頻率外是否能實(shí)現(xiàn)高抑制衰減率的陡峭特性。

圖1 給出了巴特沃滋（Butterworth）LPF、橢圓函數(shù)（Elliptic）LPF 以及切比雪夫（Chebyshev）LPF 在同n、同fs 條件下，對S 參數(shù)進(jìn)行Ansoft Designer 軟件電路仿真，觀察衰減差異性特征。

圖1 三種響應(yīng)衰減特性之對比

結(jié)合圖1，Elliptic LPF 呈現(xiàn)出通帶至阻帶最陡峭的截至特性，經(jīng)過很窄的過渡帶的截止頻率衰減率很高，且阻帶存在傳輸零點(diǎn)；Butterworth LPF 通帶紋波較好，然衰減特性不理想；Chebyshev LPF 衰減特性居中。巴特沃茲和切比雪夫?yàn)V波器全部傳輸零點(diǎn)均位于∞。比較而言，結(jié)合微波通信的技術(shù)指標(biāo)要求，具有一定頻帶內(nèi)的衰減陡峭特性必須放在首要地位，統(tǒng)籌來看，橢圓函數(shù)Elliptic 濾波器無疑是最優(yōu)解。

1.2 Elliptic LPF（n=5、7、9）傳輸特性對比

出傳輸特性曲線見圖2，顯示了不同階數(shù)橢圓函數(shù)LPF 差異性，階數(shù)分別是n=5、7、9。從圖2 中可以看出，5 階阻帶兩個傳輸零點(diǎn)，最低的帶外衰減特性；7階阻帶三個傳輸零點(diǎn)，衰減特性折中；而9 階比7 階阻帶多一個傳輸零點(diǎn)，衰減率在fs 處最高，且具有極佳的抑制特性。

圖2 Elliptic LPF（n=5、7、9）傳輸特性

總之，隨著階數(shù)n 的增加，橢圓函數(shù)LPF 阻帶傳輸零點(diǎn)也隨之增加；通帶外衰減特性顯著提升，傳輸零點(diǎn)個數(shù)也在阻帶遞增，抑制特性增強(qiáng)。結(jié)合設(shè)計(jì)要求，要實(shí)現(xiàn)fs 處衰減優(yōu)異特性，阻帶有較高的抑制度，提升濾波器的階數(shù)n 是必然選擇。但是方案設(shè)計(jì)總是伴隨新的問題，那就是設(shè)計(jì)的理想化在實(shí)施實(shí)施的過程中，階數(shù)的提升會導(dǎo)致濾波器元器件數(shù)量也會增多，使得設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)困難，濾波器實(shí)物產(chǎn)品體積大難集成，大幅提升制作成本。

1.3 濾波器設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)

此款濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)見表1。在設(shè)計(jì)電路的過程中考慮電路特性和尺寸要求，基于低溫共燒陶瓷的LTCC 技術(shù)，利用HFSS 這款3D 高頻仿真軟件，進(jìn)行一種小型化高性能7 階低通濾波器設(shè)計(jì)。指標(biāo)要求：截止頻率1.37 GHz 有3dB 衰減；1.66 GHz 處達(dá)到-40 dB 的衰減，且阻帶衰減特性和高次諧波抑制特性都要好。

表1 濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)

2 Elliptic LPF 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

圖3 7 階Elliptic 低通濾波器電路原理圖

調(diào)整LC 諧振腔中C 和L 值，可按序?qū)鬏斄泓c(diǎn)對應(yīng)排列。電路原理見圖3，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，為使諧振腔中、左、右分別生成第一、二、三傳輸零點(diǎn)。用公式可以表示為

支路中電感和諧振腔電感均采用平面螺旋結(jié)構(gòu)。根據(jù)電路特性，諧振腔中電容值較大，因此設(shè)計(jì)版圖面積會加大，設(shè)計(jì)難度提高。而基于LTCC 的多層基板技術(shù)，原有MIM 電容Co 可替換為兩同值并聯(lián)電容Cp。在圖4中，根據(jù)公式Co=Cp+Cp，面積Sp 降為原來1/2，即Sp=1/2 So。

圖4 MIM 電容設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本研究選用的LTCC 材料ε=7.8，tanδ=0.002，導(dǎo)線材料選用金屬銀，導(dǎo)線厚度為10 um。LPF 3D 模型設(shè)計(jì)為8 薄層加11 厚層共19 層，薄層分屬上、下各4層，3 個電容放置其中；厚層放置7 個電感。設(shè)計(jì)模型尺寸為：3.5mm×2.3mm×1.6mm。其結(jié)構(gòu)布局展示于表2、圖5。

表2 Elliptic 濾波器結(jié)構(gòu)布局

圖5 Elliptic 濾波器3-D 結(jié)構(gòu)圖

濾波器3-D 外觀圖見圖6，在PCB基板將濾波器其上，金屬引線將信號T/R端口與PCB 板連接。微帶線阻抗計(jì)算公式求解端口阻抗。為使濾波器與外電路無障礙連接，端口阻抗R0=50ohms。微帶線阻抗計(jì)算公式（1）、（2）。其中W、H 和εr分別代表導(dǎo)線寬度、PCB 基板厚度和基板介電常數(shù)。

圖6 濾波器3-D 外觀圖

這 里 選 用 εr為 3.47 的 Rogers RO4350 作 為PCB 基 板 材 料，H=0.509 mm，W=1.12 mm。通過公式（1）、（2）便可使端口阻抗為50ohms。濾波器S 參數(shù)測試結(jié)果見圖7。

由圖7 可知，在3 GHz 內(nèi)的阻帶，參數(shù)S21 曲線未實(shí)現(xiàn)-40 dB 衰減量，且在4.7 GHz 附近發(fā)生諧振，在通帶內(nèi)S11 參數(shù)大于-12 dB，使VSWR＞2。測試結(jié)果表明表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求未滿足。

圖7 S 參數(shù)測試結(jié)果

綜合分析，原因有兩點(diǎn)：

其一，寄生耦合效應(yīng)普遍存在于內(nèi)部元件之間；

其二，元件模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)間誤差存在的必然性。

因此電路優(yōu)化的關(guān)鍵就在于如何減小耦合效應(yīng)、調(diào)整元件設(shè)計(jì)參數(shù)。

3 Elliptic LPF 優(yōu)化設(shè)計(jì)

將諧振腔中的C 垂直于串聯(lián)支路的相鄰電感A、B，將電感C 居中，A、B 分居其上下相鄰層，層間距85.8 um。但這種結(jié)構(gòu)會使相鄰層由于走線產(chǎn)生寄生電容，距離較近的相鄰電感亦會催生緊耦合效應(yīng)，影響電感值的精度，最終會導(dǎo)致設(shè)計(jì)的濾波器模型仿真與預(yù)期結(jié)果出現(xiàn)偏差，見圖8、圖9。

圖8 L 耦合示意圖

圖9 螺旋L 耦合示意圖

為避免以上現(xiàn)象，在保證L值不變的前提下，通過改變其內(nèi)徑、圈數(shù)，減少L 在上、下相鄰層垂直方向的投影重合，進(jìn)而降低層間L 寄生耦合效應(yīng)。L 經(jīng)過調(diào)整、優(yōu)化結(jié)構(gòu)之后，其模型和仿真曲線見圖10、圖11。

圖10 調(diào)整后的螺旋L 示意圖

圖11 優(yōu)化S 參數(shù)測試結(jié)果

從仿真曲線可以看出，調(diào)整優(yōu)化目的達(dá)成，其結(jié)果可以滿足表1 指標(biāo)要求。

濾波器模型在優(yōu)化結(jié)構(gòu)前后的仿真結(jié)果對比見圖12，推論得出在以下幾個方面得到性能改善：

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的S 參數(shù)對比結(jié)果

（1） 回波損耗通帶內(nèi)從-7.8 dB 降到-12.3 dB。

（2） 阻帶傳輸零點(diǎn)有4 個，衰減特性極佳。

（3） 在1.59 GHz-3.22 GHz 阻帶內(nèi)，抑制＞42 dB。

（4） 在3.22 GHz-6.00 GHz 阻帶內(nèi)，遠(yuǎn)端抑制＞32 dB。

現(xiàn)將測試結(jié)果總結(jié)如下：

通帶內(nèi)插入損耗=-0.6 dB，回波損耗=-11.5 dB，截止頻率=1.35 GHz；阻帶內(nèi)第一零點(diǎn)f1=1.65 GHz，第二零點(diǎn)f2=1.85 GHz，第三零點(diǎn)f3=2.60 GHz，第四零點(diǎn)f4=4.6 GHz；在1.35 GHz 處fs外有270 MHz 的過渡帶，能夠?qū)崿F(xiàn)超過-40 dB 衰減，在1.59 GHz-3.22 GHz 的頻帶內(nèi)抑制大于40 dB，衰減效果甚為理想。通過對該LTCC 低通濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，回避了寄生效應(yīng)共生缺陷，實(shí)現(xiàn)了濾波器的高性能設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

基于LTCC 技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款小型化高性能的7階Elliptic LPF。結(jié)合目標(biāo)要求，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡可能降低內(nèi)部元件寄生耦合效應(yīng)，使設(shè)計(jì)符合預(yù)期要求。經(jīng)過優(yōu)化，濾波器的體積為3.5mm×2.3mm×1.6mm，完全滿足應(yīng)用級產(chǎn)品相關(guān)指標(biāo)要求，該濾波器可以用于抗混疊濾波和音頻信號處理領(lǐng)域，發(fā)揮其重要作用及優(yōu)勢，滿足用戶需求。