超小型的片式LTCC滤波器设计

余承伟，冯　磊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



超小型的片式LTCC滤波器设计

余承伟，冯磊

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要针对微波设备小型化需求，利用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，建立了小型化的LTCC电感和LTCC电容模型，并设计了内埋置LTCC电感和电容的片式L频段集总型带通滤波器，同时为了满足高频应用，设计了X频段分布带状线LTCC带通滤波器，通过用电磁场仿真软件ANSYS HFSS对滤波器进行建模及三维仿真优化，加工实现，制成的L和X频段LTCC带通滤波器的插入损耗分别<2.5 dB和<3 dB，体积分别为6 mm×3 mm×1.1 mm和3.1 mm×2 mm×1.1 mm，小型化效果明显。

关键词LTCC；LTCC电感；LTCC电容；滤波器；小型化

0引言

滤波器作为电子电路中的基本元件之一，被广泛地应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信、导弹制导和测试仪表等系统中，其性能的优劣直接影响整个通信系统的性能指标。

随着电子整机系统向小型化、轻型化方向的发展，要求器件的尺寸越来越小。因此，在三维集成微波组件的研制中，采用了许多新材料、新封装和互连工艺。如引入LTCC[1]技术，该技术具有比传统厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷(HTCC)技术更加灵活的设计方法。采用低损耗的LTCC材料叠层结构方式，可以将滤波器的布局由平面转为立体，并且可将电阻、电容和电感等无源元件集成在LTCC多层电路基板中，进而制作出微小的叠层片式滤波器，不仅降低了成本，而且还提高了系统的集成度和可靠性。

本文基于LTCC技术，通过对LTCC电感及电容参数的三维模拟仿真，得到集总型LTCC滤波器所需的LC参量，进而设计出高抑制度的片式小型化L频段滤波器；针对分布型X频段滤波器，本文采用分层设计结合宽边耦合的形式，等效加长电长度，从而在保证高性能的同时使滤波器的体积较传统平面滤波器得到大大减小。

1L频段滤波器设计

在传统电路中，L频段滤波器通常采用集总元件或者分布参数形式实现，但由于受到集总元件尺寸和频段波长的限制，L频段滤波器往往体积较大，在微波电路设计中占用了较大的空间。本文设计L频段带通滤波器采用LTCC技术，通过内埋置多层LTCC电感和电容，实现集总LC小型化LTCC滤波器。

1.1LTCC电感

本文中内置LTCC电感采用垂直螺旋结构，在相同有效电感值情况下，该结构比平面式、螺旋式及位移式等结构电感具有更高的自谐振频率(SRF)和品质因数(Q)，而且体积更小。

LTCC电感的有效电感值由散射参数可表示为：

(1)

3.25 nH LTCC电感的HFSS模型如图1所示，电感横向尺寸为1 mm×0.5 mm，导体线宽W=0.1 mm，不同层之间通过垂直通孔互连，孔直径与印刷导体的线宽基本相等以减小传输线的不连续性。电感采用介电常数为7.8的dupont951介质制成，HFSS仿真得到有效电感值如图1所示。

图1　LTCC电感模型及有效电感值

1.2LTCC电容

内埋置LTCC电容元件采用垂直插指型电容(VIC)结构。为获得相同的电容量，利用VIC结构取代传统的MIM，能够减小端电极面积，从而有效减小滤波器尺寸。电容的有效电容值由散射参数表示为：

(2)

4层VIC电容如图2所示，电容面积为2 mm×1.5 mm，仿真得1 GHz时的有效电容值C=3.15 pF。

图2　LTCC电容模型及有效电容值

1.3L频段滤波器设计实现

确定LTCC电感和电容模型后，就能够对滤波器进行三维建模和仿真优化。

L频段滤波器的频率范围为830～1 350 MHz；插入损耗≤2.5 dB；带内波动≤1.0 dB；驻波比≤1.5∶1；带外抑制≥40 dB@DC～450 MHz&2 000～5 000 MHz。综合抑制度和LC元器件数量考虑，选用Chebyshev作为响应函数，利用有关公式[2-3]计算滤波器的阶数，最终电路原理如图3(a)所示，考虑到图中21.6 nH的电感用Dupont951生瓷片不易实现，通过诺顿变换[4]将其值变换为与其余电感、电容元件值类似较小的、比较适合LTCC集成的范围。最终变换后的结果如图3(b)所示。

图3　变换前后的L频段带通滤波器电路

根据滤波器原理图[5]，对LTCC电感电容进行灵活的设计和布局，建立相应的三维HFSS模型，通过参数提取、模型微调、全波仿真以及目标优化等过程，最终得到完整的滤波器模型。L频段LTCC滤波器三维模型和仿真结果如图4所示。

L频段LTCC滤波器的生产加工采用Dupont 951系列LTCC原材料，介电常数为7.8，损耗角正切值为0.006。经过打孔、填孔、导体印刷、层压、热切、烧结、划片和后烧等工艺，就完成了LTCC滤波器的生产制作过程，最终外形尺寸仅为6 mm×3 mm×1.1 mm，图5所示的滤波器测试结果显示其与仿真结果非常接近，带内损耗<2.5 dB，驻波比<1.4，带外抑制满足指标要求，达到40 dB以上。

图5　L频段滤波器测试结果及实物对比

2X频段滤波器设计及应用

由于集总参数元件的尺寸远小于信号波长，所以当频率增高时，元件尺寸不断缩小。这样就会使Q值降低到不能容许的程度，再加上频率较高时集总LC所带来的不可避免的寄生耦合效应[6-7]。因此，集总参数元件不太适用高频滤波器的设计，本文在设计X频段滤波器时，采用分布参数的带状线滤波器，具体采用梳状线形式实现。梳状线滤波器结构及等效电路图如图6所示。

图6　梳状线滤波器结构及等效电路

在梳状线滤波器[8]中，谐振器间的耦合是由平行耦合线间的边缘场得到的。在没有电容Ci的情况下，谐振线是1/4波长，此时由于各线间的电耦合和磁耦合的幅度相等而相位相反，致使相邻谐振器之间磁的和电的耦合效应将彼此抵消。这时，这个结构是一个没有通带的全阻带结构。因此，梳状线滤波器的各谐振器顶端的电容Ci常要做得很大，这样，谐振线的长度就要求远远短于1/4波长。

谐振器的电长度为θ，它与谐振器长度l的关系为θ=2πl/λ0(λ0为介质中的波长)，一般谐振线选择在谐振时约为λ0/8，或更短些，如此可使滤波器更小，且第2通带的中心频率将为第1通带中心频率的4倍。

滤波器的基础是谐振电路[9-10]，只要能构成谐振的电路组合就可实现滤波器。对于梳状线每一个谐振级可以等效成并联LC谐振，其谐振频率为：

(3)

对于微波频段，一般把带状线[3]作为无耗线来处理，当一段带状线处于磁导率为μ0，介电常数为ε的均匀介质中时，其单位长度上的分布电容C1和分布电感L1分别为：

(4)

(5)

式中，w为带状线的导带线宽；b为两接地板间的距离，从上式可以看出带状线的物理尺寸与谐振频率间的关系。

基于上述分析，本文设计了X频段LTCC带通滤波器，频率范围为11.3～12.3 GHz；插入损耗≤3.0 dB；驻波比≤2∶1；带外抑制≥40 dB@8.6 GHz&17 GHz。选用4级谐振的叠层带状线结构来实现该滤波器，其等效电路如图6(b)所示，最终滤波器采用11层结构形式，选用的介质陶瓷材料[11]为介电常数5.9的Ferro A6M，其损耗角正切为0.002，金属层采用银材料。11 GHz滤波器测试结果如图7所示，从测试结果看出，通带内损耗<3 dB，输入输出驻波比小于1.8，上下边带抑制均符合指标要求，大于40 dB。滤波器最终尺寸为3.1 mm×2 mm×1.1 mm，小型化效果明显。

图7　11 GHz滤波器测试结果及实物对比

3结束语

本文主要分析介绍了片式集总和分布型2类LTCC滤波器的设计方法，利用LTCC多层设计的优势，将传统滤波器进行分层设计封装，从产品的最终测试结果可以看出，采用LTCC等微组装技术可以明显地缩小产品体积，实现小型化[12]，这对提高产品竞争力也是非常重要的。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.07.23

收稿日期：2016-03-29

中图分类号TN73

文献标志码A

文章编号1003-3106(2016)07-0089-04

作者简介

余承伟男，(1984—)，硕士，工程师。主要研究方向：微波射频技术。

冯磊男，(1987—)，助理工程师。主要研究方向：微波射频技术。

Design of Ultra-miniature Chip Filters Based on LTCC Technology

YU Cheng-wei,FENG Lei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn this paper,the miniaturized Low-Temperature Cofired Ceramic (LTCC) inductor and capacitor model are established to meet the demand for miniaturization of microwave equipment.An L-band lumped band-pass chip filter with embedded LTCC inductor and capacitor is designed.An X-band strip line LTCC band-pass filter is also designed for high-frequency applications.The modeling and simulation of the filters are made by using electromagnetic simulation software ANSYS HFSS,and then test is performed after the filters are implemented.The results show that the insertion loss of the L-band LTCC band pass filter is not more than 2.5 dB and its size is 6 mm×3 mm×1.1 mm;while the insertion loss of the X-band LTCC band pass filter is not more than 3 dB and its size is 3.1 mm×2 mm×1.1 mm only.

Key wordsLTCC;LTCC inductors;LTCC capacitors;filter;miniaturization

引用格式：余承伟,冯磊.超小型的片式LTCC滤波器设计[J].无线电工程,2016,46(7):89-92.