基于LTCC的WLAN频段滤波器设计

绳宇洲，李志伟，马鹏飞

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

随着通信技术不断发展，小型化成为射频微波器件的发展趋势[1]。其中在滤波器设计领域，低温共烧瓷技术表现出的低成本和高集成度等优点，使其在射频收发系统设计中得到广泛应用[2]。本文设计借助电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具设计其三维结构，能有效完成器件设计的小型化。

射频电路里，滤波器的作用是阻止或者选通不同频率的信号，对滤波器的要求是带外抑制强、带内插损小。为了满足高带外抑制的设计目标，目前业内主要有两种设计思路。其一是增加滤波器的阶数来优化器件的矩形系数，从而更好地对带外进行抑制；其二是在利用滤波器内部不同电感之间相互的耦合，得到带外的传输零点来得到更强的带外抑制[3]。增加滤波器的阶数将难以实现小型化，并且带内损耗会变大，影响指标性能。在使用LTCC工艺设计的滤波器中，通过利用层间结构很好地实现增加传输零点。

本文研究设计了一种基于LTCC的WLAN频段滤波器，其工作的中心频率为2.45 GHz，工作通带为200 MHz，并在带外增加传输零点。本设计在EDA仿真中充分利用多阶电感之间的交叉耦合作用，得到谐振在1.8 GHz处的传输零点，可以防止3G频段强烈信号的干扰。此外，该滤波器尺寸为3.75 mm×8.56 mm×0.656 mm，并加工实物进行测试。

1 LC滤波器设计

本文所设计的LTCC滤波器指标要求如下，中心频率f0=2.45 GHz，带宽为200 MHz，通带内插入损耗小于3 dB，在1.8 GHz处产生一个传输零点，可以防止3G频段强烈信号的干扰。

在Designer软件中建立如图1所示的带通滤波器电路原理图，其中C1=1.63 pF，C2=8.42 pF，L1=0.55 nH。电路原理图的S参数仿真结果如图2所示。在滤波器通带内，其传输损耗在1 dB以内，而回波损耗低于-16 dB。

图1 滤波器的电路图

通过图2的器件拓扑电路散射参数仿真结果可以看出，该电路设计满足指标要求，但是其滤波器矩形系数较低。研究表明，通过在带外制造传输零点来增大滤波器的矩形系数，可以更好地滤除带外干扰。本文设计在电路中上添加谐振器，器件电感值较小，通过在接地板与电容C2之间添加一个感值为0.02 nH的小电感L2来产生1.8 GHz附近的传出零点，从而更好地抑制3G频段的信号干扰。改进后的电路拓扑结构如图3所示。

图2 滤波器电路原理图仿真曲线

图3 添加传输零点后滤波器电路图

2 LTCC三维结构实现

2.1 电容实现

由电路图可知，滤波器的结构设计为左右对称结构。要求电容焊盘面积不大且容值较小，常用的MIM电容即可满足设计要求。

将电容C1分解为两组容值为2C的串联电容，其中每组容值为2C的电容又由两个容值为C1的电容并联而成，并选取尺寸为1.4 mm×2.3 mm的金属板实现，结构如图4所示。图5为电容C2在滤波器中的位置，其由上下两片金属导体形成电容后并联得到，金属导体尺寸为2.1 mm×2.625 mm。

图4 电感C1位置与结构图

图5 电感C2位置与结构图

2.2 电感实现

同样选用金属结构耦合的方式来实现感值较小的电感L1。如图6所示，在三维模型中，选用一个半径为0.075 mm的金属过孔和宽度为0.2 mm两片金属组成。小感值电感L2也由0.075 mm的金属过孔和长0.29 mm、宽0.2 mm的金属片构成。图7为电感L2的三维结构位置。

图6 电感L1位置与结构图

图7 电感L2三位置与结构图

2.3 滤波器三维模型

WLAN频段LTCC带通滤波器选用铂钯金作为表层材料，选用银作为陶瓷内部层及通孔金属材料[4]。滤波器整体3D模型如图8所示，滤波器的输入输出端口分别位于表层两端，接地层在中间，两层陶瓷材料堆叠在金属板下，从而使滤波器结构达到一定的厚度，避免在使用中折断[5]。设计完成后的器件尺寸为3.75 mm×8.56 mm×0.656 mm。

图8 器件三维结构图

3 仿真与实物加工测试

使用HFSS软件对滤波器三维模型进行仿真，本次设计采用应用频带为1～5 GHz，损耗角正切为0.001 5，相对介电常数为7.8的陶瓷材Dupont951[6]。图9为应用于WLAN频段LTCC带通滤波器的散射参数仿真结果。分析器件通带内性能表现可知：在中心频率2.45 GHz处，其回波损耗为-31.1 dB，传输损耗达到0.97 dB；在2.35 GHz处，其带回波损耗为-26.8 dB，传输损耗为1.2 dB；在2.55 GHz处，其带内衰减为1.22 dB，回波损耗为-15.4 dB；中心频率左边1.8 GHz处的传输零点，其带外抑制达到-42.3 dB，可以对3G频段信号的干扰进行很好地抑制，满足需要达到的性能指标[7]。

图9 器件散射参数仿真结果图

图10所示为LTCC滤波器加工后成品，器件表面涂有一层铂钯金材料，其输入输出端口位于使用铂钯金涂层的滤波器两端[8]。LTCC滤波器特性阻抗为50 Ω，中间的金属地设计同样采用铂钯金材料，用于接地。器件下方为两层陶瓷材料，用来增加其厚度以满足结构强度[9]。

图10 LTCC滤波器加工实物图

使用矢量网络分析仪连接加工好的LTCC滤波器进行测试，得到加工实物测试结果[10]。现将HFSS仿真结果与加工实物测试结果进行对比可得，器件回波损耗S11仿真与实物测试对比结果如图11所示，器件传输损耗S21仿真与实物测试对比结果图12所示。

图11 器件回波损耗S11仿真与实物测试对比图

图12 器件传输损耗S21仿真与实物测试对比图

4 结 论

本文设计了一种基于LTCC工艺的WLAN频段带通滤波器，并给出了S参数仿真图与实物测试图，分析得知测试结果与仿真结果基本相符。现实中，陶瓷材料的收缩范围特性以及LTCC加工技术的误差会造成加工结果与现实有差异。而通过对比仿真结果与实物加工测试结果可以说明本文提出的WLAN波段滤波器设计的可靠性与可行性，证明了可以利用LTCC技术实现滤波器的小型化。