LTCC微波元件设计数据库技术

项 玮，李建辉，李天成（.中国电子科技集团公司第43研究所，合肥 300；.中国科学技术大学电子工程与信息科学系，合肥 300）

LTCC微波元件设计数据库技术

项 玮1，李建辉1，李天成2
（1.中国电子科技集团公司第43研究所，合肥 230022；2.中国科学技术大学电子工程与信息科学系，合肥 230022）

摘 要：微波元件是构成微波电路的基础。LTCC微波元件品种多，每种又有很多类型和结构，设计灵活。设计了LTCC微波电容、电感和滤波器的不同结构模型，采用Agilent ADS微波电磁场仿真软件或Ansoft HFSS电磁场模拟仿真软件对每种结构模型进行模拟仿真，得出不同结构形式电容、电感和滤波器的仿真结果，并与试验样品的测试结果进行对比和讨论。通过提取LTCC微波电容、电感和滤波器的设计、仿真及试验的主要参数，进行总体设计及表单、菜单等设计，创建了方便组织、维护和使用的LTCC微波元件设计数据库系统。

关键词：LTCC；微波元件；数据库

1　引言

随着电子产品日益向短小轻薄方向发展，对电子元件提出了小型化、高频、高可靠性、低成本和高集成度的要求。在现代电子系统中，无源元件的数量是有源器件的几倍到几百倍，无源元件的小型化和集成化技术已成为微波MCM电路和系统设计的一个重要瓶颈[1, 2]。LTCC（低温共烧陶瓷）基板具有布线层数高、布线导体电阻率小等优点及优良的高频特性。同时，可埋置电阻、电容和电感及集成滤波器、天线、功分器等元件而成为一种理想的电路基板。基于LTCC技术的多层结构为微波元件的小型化和集成化奠定了良好的基础。采用LTCC工艺制作的电容和电感，其电容量和电感量均较小，适合在微波频段使用。LTCC基础微波元件有电容、电感和滤波器等种类，每类又有许多结构和不同大小量值品种，数量众多，设计灵活。在LTCC射频电路中，LTCC微波元件应用很多，若每次都对电容、电感和滤波器等所用埋置元件进行设计和仿真，不仅增加设计仿真的时间，还增加试样制作验证的时间（LTCC试样制作验证周期一般都较长，仅单次验证就需1周以上）。若能根据LTCC生产线的自身工艺条件，设计制作不同结构、大小和特性的LTCC微波电容、电感和滤波器，建立这些常用LTCC微波元件的设计仿真和验证信息数据库，利用已有的资源，则可花费较短时间进行这些微波元件的设计。从而快速、有效地确定LTCC电容、电感和滤波器的结构与工艺，提升电路的设计效率，缩短产品开发周期。

2　实验方法

本工作采用Agilent公司的微波电磁场仿真软件ADS（Advanced Design System）和Ansoft公司的高频结构模拟器HFSS软件对LTCC不同类型电容、电感和滤波器进行设计和仿真；选择常用的LTCC生瓷带Dupont 951 Green Tape（简称DP951）或Ferro A6M及其配套通孔浆料、导带浆料等材料进行多层基板试验样品的制作。使用测试仪器Agilent E8362B矢量网络分析仪和CASCADE公司微波探针测试台Summit 9000对滤波器进行电性能测试，用Agilent公司的射频LCR测试仪4287A对电容和电感进行了测量。DP951和Ferro A6M烧结后单层厚度均约为0.1 mm，DP951和Ferro A6M基本性能见表1。

表1 DP951和Ferro A6M基本性能

通过对不同结构的多层电容、电感和滤波器进行设计和仿真，确定这些电容、电感和滤波器的特征参数，然后采用LTCC工艺制作这些电容、电感和滤波器。根据这些电容、电感和滤波器的设计仿真和测试结果，提取有用的特性参数，建立LTCC电容、电感和滤波器数据表。最后利用数据库管理软件进行应用程序设计[3, 4]，建立便于设计人员和工艺人员查阅和使用的LTCC微波设计数据库系统。

3　LTCC微波元件的设计

3.1LTCC微波电容的设计

作为集总参数的电容器，它的物理长度必须小于它最高工作频率所对应波长λ的十分之一，即小于0.1λ。集总参数的电容器具有小尺寸、低成本和宽带特征的优点。由于LTCC本身具有多层化和立体化的特点，因此可以将多层交错结构电容应用到LTCC介质中[5, 6]。常见的LTCC微波电容包括平板电容MIM （Metal Insulator Metal）、多层平板电容VIC（Vertically Interdigitated Capacitor）以及交指电容（Interdigital Capacitor），如图1所示。

图1 常见的LTCC微波电容

按照经验公式设计具有某一初值的电容以后，画出它的版图，然后用电磁场仿真软件HFSS进行仿真和提取物理参数。

图2是一单层平板电容模型，其结构为两层极板间夹一种介质。设计极板长度为1.2 mm，宽度为0.9 mm，两层金属极板之间所夹的介质为LTCC瓷体，厚度是0.093 mm（一层瓷带厚）；电容的输入、输出端口的大小为0.5 mm×0.4 mm，极板厚度为0.008～0.01 mm。电容仿真结果见图3。采用DP951制作该模型的LTCC电容实体，测试不同频率下该电容的电容量，结果见表2。

由表2可见，在500 MHz以下，电容量变化很小。由于在频率较高的情况下，测试接头的寄生电感或电容的影响较大，所以只测试频率为1 GHz以下的电容值。由图3可见，电容量随频率有一定变化，但在15 GHz以下，电容量变化较小。比较表2可见，在1 GHz以下，测试结果比仿真值略小约10%，仿真结果与测试结果相差不大。在18.6 GHz附近电容量先急剧增大，随后突然变小，出现谐振现象。谐振发生是由于寄生参量导致电容的输入阻抗从容性变化到感性的结果。超过谐振频率，电容则表现为感性特征。

图2 单层平板电容模型

图3 单层平板电容仿真结果

表2 单层平板电容测试结果

改变单层平板电容模型中介质层的厚度，可得该介质厚度下不同电容仿真结果。

改变单层平板电容模型中极板的尺寸，可得该极板尺寸下不同电容仿真结果。

设计了四种结构形式的LTCC微波电容：交指电容、单层平板电容、双层平板电容和三层平板电容，如图4。

交指电容为在同一介质平面内的两组指状交叉电极相对组成的电容，其电容量可以做得很小。双层平板电容是在三块平行极板中交叉夹有两层介质。三层平板电容则是在四块平行极板中交叉夹有三层介质。增大电容极板尺寸或增加平板电容器的极板层数可以得到更大容量的电容，增加极板间介质厚度则减小电容量。

通过图4的电容模型，利用LTCC生瓷带和导体浆料可以制作出不同极板大小、不同极板层数、不同介质层厚、不同交指数的各类不同电容。表3给出部分LTCC微波电容设计仿真数据及实际样品的测试结果。表中电容值是在频率为100 MHz时的仿真值，实测值为在100 MHz时的测量值。比较发现，仿真值与实测值存在一定差异。交指电容差异较大，可能与工艺有关。实际所印制的指状电极截面不是理想的长方形，而是有一定坡度的梯形。因此，通电后指状电极上感应电荷不足。指状电极数越少，电极越短，由于边缘效应相对感应电荷越低，与仿真值就相差越大。平板电容实测值比仿真值小5%～15%，可能由于极板边缘效应出现电场外泄，损耗一部分能量。另外，由于上下层极板叠片对位存在偏差，减少了电容有效面积，因此电容实测值比仿真值小。谐振频率决定电容的可用频率范围。相同结构形式的电容，当电容值增大时，其谐振频率变低。

3.2LTCC微波电感的设计

用LTCC技术制作的电感器具有尺寸小、性能高、便于系统集成等优点。不同结构形式的电感，其性能指标如电感值、自谐振频率、Q值均不同。相同尺寸矩形螺旋电感的Q值比圆螺旋电感稍小，但其单位面积的电感量比圆形螺旋电感大。

设计了四种结构形式的LTCC微波电感：直线电感、折线电感、单层矩形螺旋电感和双层矩形螺旋电感，如图5所示。所有电感输入、输出端口的大小为0.5 mm×0.4 mm，导带厚度为0.06～0.1 mm，线宽线间距均为0.1 mm。按某一初值的电感值画出版图后，用电磁场仿真软件HFSS进行仿真，可得到类似图2的L-Freq电感仿真图。通过改变直线电感的长度、曲折线电感的曲折段数、螺旋电感的圈数以及线条的宽度和间距等，可以设计不同电感量和特性的电感。表4给出部分LTCC微波电感仿真设计参数。

图4 设计的四种电容结构

图5 设计的四种电感结构

表3 LTCC微波电容参数表

完成设计和仿真后，用DuPont 951基片材料和银导体浆料进行LTCC电感器制作，部分电感测试结果见表4中实测值。

由表4可见，当电感值增大时，其谐振频率变低，直线电感和曲折线电感具有较高的谐振频率。电感实测值与设计仿真值比较，螺旋电感测试结果与设计值符合较好，直线电感和曲折线电感则偏差稍大。通过采用螺旋电感、增加螺旋数和螺旋层数可以制作更大电感量的电感。

3.3LTCC滤波器的设计

LTCC滤波器具有结构紧凑、体积小、可与系统组件集成于一体等优点。设计采用抽头式交指型结构，函数形式是等波纹切比雪夫（Chebyshev）函数。交指型结构滤波器是由两组平行耦合线谐振器相互交叉组成。通过对基本型交指型滤波器结构的改进，可以制作不同波段和不同带宽的滤波器（频段包括L、S、C、X波段，相对带宽在5%～60%之间），适宜于不同要求的设计[7～9]。交指型滤波器谐振线一端短路接地，另一端开路，接地形式一般是通过通孔来实现。

表4 LTCC微波电感参数表

根据交指型滤波器的设计公式和滤波器相对带宽FBW，计算每根谐振线归一单位长自电容Ck和线间互电容Ck, k+1。当LTCC基片厚度确定后，再计算谐振线间距和谐振线的宽度。

根据计算得到滤波器尺寸的初值后，可以画出滤波器的版图，再对版图进行电磁场仿真和优化。在仿真和优化过程中需要调整谐振线的尺寸。3 500 MHz交指型滤波器尺寸为11.5 mm×10 mm×2 mm，图6为设计版图及仿真曲线。

图6 3 500 MHz交指型滤波器设计版图及仿真曲线

在频率较低时，交指型带通滤波器谐振线的尺寸较大，则制作出来的滤波器尺寸很大。为减小滤波器尺寸，可采用阶梯阻抗交指型带通滤波器。该种滤波器的谐振线是由两种不同特征阻抗、不同电长度的传输线连接组成。在仿真过程中，通过调节阶梯阻抗谐振线各部分的长度和宽度，改变谐振线各部分的特征阻抗，使滤波器各项性能达到要求。

为了减小滤波器尺寸，对频率低于2 500 MHz的交指型带通滤波器，可采用加载集总电容的交指型结构。该型滤波器的设计是在阶梯阻抗交指型带通滤波器的设计基础上通过加载集总电容而形成，电容的尺寸是用电磁场软件仿真确定的。

制作相对带宽大于50%的LTCC带通滤波器，其设计原理与通常的抽头式交指型滤波器基本相同。由于该滤波器对带外抑制有一定的要求，因此为满足该滤波器的指标要求，需要采用多级结构（如九级结构）。由于宽带滤波器各谐振线之间的耦合比较强，会造成各谐振线之间的间距较小，特别是靠近两端的谐振线，其间距甚至小于100 μm，使工艺实施难度加大。

因此在电路设计时，在保持滤波器整体阻抗水平为50 Ω的前提下，通过提高内部谐振线的阻抗水平（大于50 Ω），使谐振线间距增大。通过阻抗匹配，使输入输出端的阻抗仍为50 Ω。用ADS软件仿真和优化滤波器版图后，可以确定各耦合谐振线的长度、宽度、谐振线间距和抽头位置。

不同品种的滤波器设计版图确定后，即可采用DP951或Ferro A6M进行样品制作。表5给出四种类型六种LTCC交指型滤波器的设计结构、仿真结果及所制作样品的性能指标。

4　LTCC微波元件设计数据库系统的建立

从LTCC微波电容、电感和滤波器设计模型、仿真结果和制作样品的试验结果中提取相关数据，利用数据库管理软件，通过定义字段栏目设计表的结构，建立起微波电容数据表、微波电感数据表和滤波器数据表。对于文字较多的栏目内容可建立备注型字段，对于图形和图像等栏目内容可建立通用型字段。存储过内容后的备注型和通用性字段栏目分别变为Memo和Gen，如表6为微波电容数据表中的3个记录，表7为滤波器数据表中的2个记录。通过组织各数据表即可建立起微波元件设计数据库。根据数据表可创建具有用户界面的表单。

表5 LTCC交指型滤波器参数表

表6 LTCC微波电容数据表

表7 滤波器数据表

通过分析LTCC微波电容、电感和滤波器的信息，对LTCC微波元件设计数据库进行总体设计。系统的总体结构可用层次图来表示。层次图自上而下进行分层，如图7所示。第一层为系统层，对应于主程序。第二层为子系统层，起分类控制作用，若该层没有下一层次时也可直接用该层表达功能。第三层为功能层或操作层。“元件编辑”中包括对不同类型的微波电容、电感和滤波器等数据项进行添加、更改、删除等编辑处理，亦可对具有一定特性的某些元件进行搜索。

图7 系统总体结构层次图

通过编制程序、编写代码和进行表单设计、菜单设计、系统登录表单设计及用户界面设计等，可以将LTCC微波元件设计数据库制作成具有可视友好界面的LTCC微波元件设计信息管理系统，实现对不同LTCC微波元件设计进行浏览、查询、添加、删除、编辑等操作。图8为LTCC微波设计数据库系统浏览查询界面图。

图8 LTCC微波元件设计信息系统电容浏览查询界面

5　结论

对多种不同结构LTCC微波电容、电感和滤波器进行设计仿真，采用LTCC工艺制作这些元件。样品验证发现，交指电容、直线电感和曲折线电感仿真结果与实测值存在一定差异，平板电容和螺旋电感仿真结果与实测值相差较小。滤波器的设计频段包括L、S、C、X波段，相对带宽在5%～60%之间，Ferro A6材料制作的插入损耗小于1.0～2.0 dB，输入输出驻波比小于1.8。根据这些元件设计仿真和测试结果，提取了LTCC微波元件设计和验证的主要参数，分别建立了LTCC微波电容、微波电感和滤波器参数数据表。利用数据库管理软件，通过数据表设计和表单设计等，构建了LTCC微波元件设计数据库，形成了具有可视界面的LTCC微波电容、电感和滤波器设计信息系统。

参考文献：

[1] L J Golonka, K J Wolter, A Dziedzic, J Kita, L Rebenklau. Embedded Passive Components for MCM [C]. 24th International Spring Seminar on Electronics Technology, 2001. 73-77.

[2] Choi B G, Stubbs M G, Park C S. IEEE Microwave and Wireless Components letters, 2003, 13（9）: 388-389.

[3] 李建辉. LTCC材料与工艺模型库技术研究[C].第十七届全国混合集成电路学术会议论文集，2011, 9. 85-92.

[4] 郑尚志，杜春敏，王永梅，帅兵，孙家启. Visual FoxPro 6.0程序设计教程[M]. 合肥：安徽大学出版社，2005.

[5] 赵琳，延波. LTCC埋置电容的设计与仿真[J]. 中国科技信息，2005,（23）：119.

[6] 蔡积庆，编译. 埋入电容和电感的LTCC低温烧结基板[J]. 印制电路信息，2004,（5）: 45-48.

[7] 项玮. LTCC抽头式交指型滤波器的研制[J]. 混合微电子技术，2007, 18（3）：26-32.

[8] 许佳，覃亚丽，吴小燕，陆德龙，王剑强. LTCC带通滤波器的实现[J]. 电子元件与材料，2005, 24（1）：45-48.

[9] 吴国安，罗伟，汤清华，熊波涛. 多传输零点LTCC梳状线带通滤波器的设计与实现[J]. 电视技术，2007, 47 （1）：93-96.

The Design Database Technology of LTCC Microwave Components

XIANG Wei1, LI Jianhui1, LI Tiancheng2
（1. China Electronics Technology Group Corporation No.43 Research Institute, Hefei 230022, China; 2. Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230022, China）

Abstract:Microwave components compose the basis of microwave circuits, which have many varieties. Each has many types and structures, flexible designed. Several structural models of LTCC microwave capacitance, inductance and filter are designed. The simulation results can be concluded by the electromagnetic simulation software Agilent ADS or Ansoft HFSS, which are compared and discussed with the test results. Extracting the major parameters from the design, simulation and test results, and then designing the list, menu and so on from the collectivity, the design database system of LTCC microwave components is established, which is easy to organize, maintain and use.

Key words:LTCC; microwave component; database

中图分类号：TN302

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2015）05-0007-07

收稿日期：2015-01-21

作者简介：

项 玮（1969—），男，安徽桐城人，高级工程师，电路与系统专业，2011年作为访问学者在加拿大国家研究院从事射电天体望远镜宽带接收系统的研究工作，现主要从事LTCC技术和产品的研究工作。