小型化宽阻带LTCC微波低通滤波器的设计与研制

罗洪梁，林亚梅，朱建华，刘季超，胡志明

（深圳振华富电子有限公司，广东 深圳 518109）

小型化宽阻带LTCC微波低通滤波器的设计与研制

罗洪梁，林亚梅，朱建华，刘季超，胡志明

（深圳振华富电子有限公司，广东 深圳 518109）

先根据滤波器衰减量要求，理论分析确定滤波器的阶数及电路原理图，再用ADS软件优化仿真获得电路元件初始值，然后采用微波电磁场仿真软件HFSS对滤波器物理模型优化仿真，成功设计了一款3 dB截止频率为1 750 MHz、宽阻带频率2 035～6 700 MHz范围内衰减量大于20 dB的LTCC微波低通滤波器，并采用LTCC工艺制备该微波低通滤波器，尺寸为3.2 mm×1. 6 mm×0.9 mm。制备样品实测结果与仿真吻合，说明采用该方法设计、研制小型化宽阻带LTCC微波低通滤波器是可行的。

LTCC；微波；低通滤波器；小型化；电磁场仿真；HFSS；ADS

微波滤波器是一种对信号具有选频作用的二端口网络，它是一种从各种不同频率成分的信号中滤出具有特定频率成分信号的电子元件，广泛应用于微波通信、雷达导航、精确制导、测量仪表等电子设备系统中。随着电子设备整机系统向小型化方向发展，滤波器元件向小型化、集成化和宽频化方向发展的趋势不可避免。近年来，小型化宽阻带LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic）微波低通滤波器（以下简称LTCC滤波器）在微波通信、雷达导航等领域中需求量日益增大，现国内使用的LTCC滤波器元件主要依赖进口，存在价格高、供货无保障和一旦出现质量问题可追溯性差等问题[1]。因此，LTCC滤波器的研制将成为未来5～20年内滤波器研制的一个重点方向，该小型化集成技术涉及到新材料技术、新封装工艺和三维空间穿孔连接工艺等。其中，最具有代表性的是引入低温共烧陶瓷（LTCC）技术[2-5]，与传统厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷(High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC)技术相比，该集成技术具有易于多层布线实现小型化、易于一体化封装实现高可靠性等技术优势。LTCC技术采用叠层结构方式，将电容、电感等无源元件集成到一体化的多层陶瓷板间，实现滤波器布局的灵活选择，能成功制作出高集成小型化的各种叠层片式滤波器[6-9]，满足降低成本、提高微波滤波器产品的可靠性的要求。

本文主要从衰减量（插入损耗）入手，研究一种小型化LTCC滤波器的设计与研制方法。根据滤波器衰减量指标进行理论分析初步确定滤波器的阶数，再采用ADS软件进行电路仿真，获取最佳电路元件值，然后采用HFSS滤波器电磁场进行模拟仿真优化其物理模型，设计出一款3 dB截止频率为1 750 MHz、宽阻带频率2 035～6 700 MHz范围内衰减量大于20 dB的LTCC微波低通滤波器，该滤波器尺寸为3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm。同时，该滤波器还满足以下指标要求：阻带2 120～4 490 MHz范围内衰减量大于30 dB，通带回波损耗值大于20 dB。最后，采用LTCC工艺制备该微波滤波器样品，通过制备样品的实测结果验证仿真设计的可行性。

1 LTCC滤波器设计

1.1 LTCC滤波器电路分析

本文设计的LTCC滤波器要求通带内衰减量随频率的变化比较平坦，因此以巴特沃思函数作为滤波器的传递函数，通过对其幅度平方函数的一系列计算和推导，其衰减函数[10]表示如下：

式中：ωc为截止频率；n为滤波器阶数。

将α≤-20，ω=2 035 MHz，ωc=1 750 MHz代入上式，可知n≥6.3满足要求。因此，本文LTCC滤波器选择n=7的π型巴特沃兹滤波器原型作基础进行研究。巴特沃兹低通原型滤波器的元件参数值见表1。

表1 巴特沃兹低通原型滤波器的元件参数表(g0=1，n=1～9)Tab.1 Value of each component in Butterworth filter

其中，gn为低通原型滤波器元件值的一般形式，对7阶π型巴特沃斯低通滤波器：g1、g3、g5、g7分别对应L1、L3、L5、L7，均为电感元件；g2、g4、g6分别对应C2、C4、C6，均为电容元件。

7阶巴特沃斯低通滤波器的电路原理图见图1。

图1 低通滤波器电路Fig.1 Low-pass filter circuit

归一化频率变换及阻抗变换公式[10-11]如下：

式中：Ln为电感；Cn为电容；R为50 Ω阻抗。

对于截止频率为1 750 MHz的LTCC滤波器，经过频率变换和阻抗变换[10-11]，各内置元件值如下：

L1=L7=2.02 nH，L3=L5=8.19 nH，C2=C6= 2.27 pF，C4=3.64 pF。

1.2 LTCC滤波器电路仿真

采用ADS对该LTCC滤波器进行仿真，仿真参数设定见图2（其中L8是对电容引线寄生电感的修正）。

图2 ADS仿真图Fig.2 Simulation of the ADS

ADS仿真结果见图3，其通带内衰减量随频率的变化非常平坦，3 dB截止频率1 750 MHz的衰减量满足要求，而阻带抑制2 035～6 600 MHz，2 120～4 490 MHz对应的衰减量均不能满足目标值20 dB，30 dB的设计要求。

图3 ADS仿真结果Fig.3 Simulation result of the ADS

因此，采用传统7阶巴特沃斯低通滤波器制备该LTCC微波低通滤波器存在两点问题：① 通带与阻带间的“过渡带”曲线不够陡峭；② 在宽频范围内阻带抑制特性不佳。针对以上问题，结合该LTCC滤波器对“过渡带”及阻带抑制特性要求，对原电路的L1、L3与L5分别并联一个电容，由电容与电感并联构成LC并联谐振，形成三个谐振零点，提高“过渡带”及阻带抑制特性[12]。

采用ADS对插入并联谐振的LTCC滤波器进行仿真，仿真参数设定见图4。

图4 ADS仿真图Fig.4 Simulation of the ADS

ADS仿真结果见图5，除了1 750 MHz衰减量为3.96 dB稍有偏差外，阻带抑制2 035～6 600 MHz，2 120～4 490 MHz对应的衰减量均满足目标值20 dB，30 dB的设计要求。

其中：L1与C1形成的谐振点与原谐振点重合，L3与C3形成的谐振点与L5与C5的谐振点重合，因此图中仅体现出两个谐振点，谐振点重合后总体阻带抑制性能更佳。本文ADS仿真设计是作为可行性分析的先行步骤，三维物理空间结构的实现需采用HFSS仿真优化。

图5 ADS仿真结果Fig.5 Simulation result of the ADS

1.3 LTCC滤波器三维电磁场仿真

根据电路分析及电路仿真的初步结果，完成LTCC滤波器的电路模型构建，然后采用HFSS对该LTCC滤波器三维物理模型进行优化仿真。在利用HFSS对LTCC滤波器内置电感与电容的三维电极结构进行设计过程中，需严格遵守LTCC元件设计规则，充分考虑元件布局在LTCC工艺中的可行性。

本文设计LTCC滤波器三维物理模型如图6所示，设计模型使用低温共烧陶瓷层10层，金属电极层9层，设计尺寸为3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm，不同层金属以通孔垂直连接，内置电感与电容元件个数共9个。

利用HFSS仿真结果见图7，衰减量随频率变化曲线见Insertion Loss曲线，1 750，2 035，2 120，4 490，6 700 MHz，分别对应频率点见图7中的m1～m5；回波损耗随频率变化曲线见Return Loss曲线，通带与阻带回波损耗交界点为M01。1 750 MHz衰减量3.0 dB，2 035～6 700 MHz阻带衰减量大于21.8 dB，2 120～4 490 MHz阻带衰减量大于26.0 dB，通带回波损耗28.7 dB，除了2 120～4 490 MHz阻带衰减量稍偏小，其他滤波器所有性能指标均满足目标值设计要求。

图6 滤波器仿真模型Fig.6 Simulation model of the filter

图7 HFSS仿真结果Fi.7 Simulation result of the HFSS

2 样品制作与结果分析

2.1 样品制作

将HFSS优化仿真后的三维结构模型转化为AutoCAD版图，选择适当的陶瓷材料以及金属内电极材料进行LTCC微波低通滤波器样品制备。

在LTCC生产线上，经过浆料配制、流延、切割、打孔、印叠成型（导体层印刷、叠层）、等静压、切割、排胶、烧结、涂银、烧银、端头处理、测试等工艺步骤，完成LTCC微波滤波器产品制备。

其中，印叠成型工艺是需重点控制的工艺。该小型化宽阻带LTCC微波低通滤波器对印叠成型工艺有严格的工艺要求，对各个元件图形的线宽和线间距尺寸的精度、元件图形的对位精度、线条的完整性、金属化导体厚度的均匀性等均有严格的精度控制要求。印刷图形精度对LTCC微波滤波器的电性能起决定性作用。例如，在频率相对较高的微波滤波器器件中，图形的尺寸精度及图形的位置精度会引起3 dB截止频率的漂移。因此，本文制作LTCC微波低通滤波器成型过程中采用丝网目数为45 μm (325目)的精密丝网，将印刷电极的对位精度控制为±5 μm范围内。同时，将陶瓷介质膜厚控制在±1 μm范围内。

2.2 结果分析

本文制备的LTCC滤波器见图8，采用E5051C射频网络分析仪对其进行测试，测试结果见图9。

实测滤波器曲线图9中实线部分，衰减量随频率变化曲线为Insertion Loss曲线，频率点1 750，2 035，2 120，4 490，6 700 MHz分别对应见图9中的m1～m5；回波损耗随频率变化曲线见Return Loss曲线，通带与阻带回波损耗交界点为M01。实测数据如下：3 dB截止频率为1 750 MHz，2 035～6 700 MHz频率宽阻带范围内衰减量大于23 dB；2 120～ 4 490 MHz频率宽阻带范围内衰减量大于33 dB；通带回波损耗28 dB，实测结果完全符合设计指标要求。

图8 金属封装滤波器与LTCC滤波器实物图Fig.8 Picture of metal shield filter and LTCC filter

图9中虚线曲线为仿真结果，通过测试结果与HFSS仿真结果的对比分析可知，实测数据与仿真数据基本吻合。

图9 LTCC滤波器实测结果Fig.9 Measurement results of LTCC filter

3 结论

本文讨论了一种小型化宽阻带LTCC微波低通滤波器的设计与研制方法，成功设计了一款3 dB截止频率为1 750 MHz，具有优良宽阻带高抑制特性的LTCC滤波器。设计过程中，先根据滤波器性能指标理论分析，再利用滤波器设计软件ADS优化仿真获得电路初始元件值；然后采用电磁仿真软件HFSS仿真合成具有良好宽阻带性能的微波滤波器。本文所研制的LTCC微波滤波器性能表现优异，尺寸仅为3.2 mm×1. 6 mm×0.9 mm，与传统的组装型滤波器相比，该独石结构滤波器具有体积小、质量轻和可靠性高等许多优点(图8体现体积质量方面的对比，独石结构一体化封装可实现高可靠性)。只要知道微波滤波器的指标要求，就能有效地合成各个器件的参数值，该方法具有较大的灵活性，在小型化宽阻带LTCC微波滤波器设计与研制中具有重要的参考价值。

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（编辑：曾革）

Design and development of a miniaturized LTCC low-pass microwave filter with wide stop-band

LUO Hongliang, LIN Yamei, ZHU Jianhua, LIU Jichao, HU Zhiming
(Shenzhen Zhenhua Fu Electronics Co., Ltd, Shenzhen 518109, Guangdong Province, China)

Firstly, according to the requirement of insertion loss, the order and the circuit diagram of the filter was determined by theoretical analysis. Then, the initial value of circuit element was got by ADS software simulation optimization. Finally, the physical model of the filter was optimized and simulated by using microwave HFSS simulation software. And, a low-pass 3216 (3.2 mm×1.6 mm×0.9 mm) type filter with cut-off frequency of 1 750 MHz and attenuation beyond 20 dB between 2 035 MHz and 6 700 MHz was designed. The low pass microwave filter was prepared by LTCC technology. Testing results show that the measured results agree well with the electromagnetic simulation, and prove that it is feasible to design and prepare filter by using this method.

low temperature co-fired ceramic (LTCC); microwave; low-pass filter; miniaturization; electromagnetic simulation; HFSS; ADS

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.08.017

TN91

:A

:1001-2028（2016）08-0072-04

2016-05-16

：罗洪梁

罗洪梁（1984-），男，广西北海人，硕士，研究方向为射频与微波元件及叠层片式电子元器件，E-mail: eng185@sina.com 。

时间：2016-08-03 22:36

： http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160803.2236.017.html