基于LTCC技术的低通滤波器快速设计与测试方法

　　摘 要： 介绍了一种通带为0~ 1. 2 GH z 的LT CC 多层低通滤波器快速设计方法。利用滤波器设计软件， 通过选择相应的参数， 可以快速地设计出低通滤波器电路图， 再将原型电路在三维电磁场仿真软件H FSS 中建立滤波器模型。根据厂商提供的电容、电感等元器件模型库， 根据模型库中的电容、电感值估算本次设计所需的元件大小， 在HFSS 中可以快速的建立模型， 仿真结果可以很快的满足指标要求。采用标准LTCC 工艺实现出尺寸为3. 2 mm×1. 6 mm×1. 0 mm 的低通滤波器。运用该方法可以帮助工程师快速地设计LTCC 滤波器， 有很强的实用性和便利性。

　　0  引 言

　　以前的射频电路设计在印刷电路板上往往占据了相当大的面积， 已不适用于现今无线通信产品， 因此有许多技术被引进来缩小电路面积， LTCC 技术便是其中一种。LTCC 是以陶瓷粉做为电路基板的材料， 在850~ 900  的烧结炉中将各种无源元件， 例如电容、电感、滤波器等组件埋入多层陶瓷基板中， 形成三维立体空间高密度电路， 以平行式印刷涂布制程烧结， 形成整合式陶瓷组件。所以LFCC 可以进一步将电路小型化与高密度化， 因而特别适用于高频的通信模块采用。由于LTCC 技术优异的特性， 引起微电子技术的重大进步， 其应用范围也非常广泛， 有以无线通信模组为主的相关应用， 包括从微波低端频率的GSM, CDMA,TDMA、蓝牙和无线局域网到毫米波波段的30 GHz 的LMDS, 大批量的应用围绕移动通信手机、个人数字助理（PDA） , 笔记本计算机等个人电子产品展开。LTCC材料在高频下具有较低的介质损耗特性， 可以降低功耗， 不仅有利于元件的小型化， 还提高电路的组装密度，且有利于提高系统的可靠性。

　　滤波器是无线系统模块中的关键器件， 一个好的滤波器可以有效地抑制带外信号， 提高系统效率。射频无源滤波器的基本构成元件是电容和电感， 而LTCC技术的实质是无源元件的集成。采用低损耗的LTCC材料与多层结构制成， 将滤波器的布局由平面转为三维立体布局， 进而实现滤波器的小型化。这不仅降低了成本， 增加了设计的灵活性，而且还可以充分利用三维结构带来的电磁耦合来优化滤波器的性能， 大大提高的系统得集成度和可靠性。近几年已有许多关于LTCC 带通滤波器的设计与研究被提出。本文利用滤波器设计软件Filter Solut io ns, 根据技术指标设计出基于LTCC技术的低通滤波器电路图， 再根据电路数值提取LT CC无源元件模型库的电容、电感模型， 再由三维电磁仿真软件HFSS 对滤波器进行仿真优化， 得到滤波器工作频率为0~ 1. 2 GHz, 通带插入损耗小于0. 71 dB, 反射损耗大于20 dB, 传输零点分别为1. 8 GHz, 以满足带外抑制的要求。

　　1  滤波器的设计

　　实际的滤波器总不能得到理想的衰减特性。在综合设计滤波器时， 总是确定一个逼近衰减特性的函数，然后根据这个逼近函数综合出具体的结构。常用的逼近函数有两种， 相应的滤波器称为平坦式滤波器和切比雪夫式滤波器。由于介绍这方面的书很多， 这里就不再赘述。

　　本次制作的滤波器， 具体技术指标为： 通带频率为0~ 1. 2 GHz, 插损为1 dB, 阻带损耗大于20 dB（ 1. 86~ 6 GHz） 。

　　在滤波器设计软件Filter Solutions 中， 采用切比雪夫式滤波器为原型， 在相应的频点加入传输零点， 形成广义切比雪夫函数曲线。这样可以有效地增加滤波器的矩形度和对称性， 具有插损小、抑制度高等特点。

　　在Filter So lut ions 中具体设置的参数如图1 所示， 其中， 滤波器类型为5 阶Cheby shev  型， 纹波系数为0 01, 通带频率为0~ 1 2 GHz, 两个传输零点分别设置为1. 8 GHz 和3. 0 GHz。设置完参数后， 即可得到1. 2 GH z低通滤波器电路原理图（ 见图2） 、频率响应图（ 见图3） 以及反射损耗图（ 见图4） 。从电路原理图中，可以看到在切比雪夫原型电路基础上， 加入了两个并联电容构成并联谐振电路以达到产生传输零点的目的。

图1 滤波器设计软件中的参数设置

图2  1. 2 GHz 低通滤波器广义切比雪夫电路原理图

图3  1. 2 GHz 低通滤波器频率响应图

图4  1. 2 GHz 低通滤波器反射损耗图

　　对于基本的并联谐振电路， 其导纳为： Y = jωC +1/ （ jωL ） 。当电路谐振时，ω 0 = 1/ √LC , 导纳为零， 也就是说呈开路状态， 从而输入的电磁波也将被全反射， 故能在传输特性中形成一个衰减极点， 在输出端无能量输出。可见， 串联在二端口网络中的并联LC 谐振会产生传输零点。

　　经过上述理论分析， 在LT CC 模型库中适合地选取电路中各器件的值， 利用三维电磁场仿真软件HFSS, 根据电路结构建立模型， 所有的器件都埋入于LT CC 陶瓷基板中。在考虑元件布局的时候， 需要严格遵守工艺线的设计规则， 并在设计电容与电感时留下一定的容差， 以便于工艺实现， 同时将测试架的整体模型都考虑进去。整个滤波器模型如图5 所示， 设计尺寸为3. 2 mm  1. 6 mm  1. 0 mm。本滤波器设计使用10 层陶瓷， 8 层金属， 介质介电常数为5. 9, 损耗角正切为0 002, 每一层介质厚度为100 m, 金属成份为银合金，每一层金属的厚度为10 m, 不同层金属以通孔垂直连接， 第9 层为地层。谐振器电容利用VIC 型在第5 到第7 层之间实现， 谐振器螺旋电感在第2 层到第4 层实现。电路两侧接地电容分别与两端口连接， 布局在第8 层， 中间的接地电容利用层叠的形式实现在第4 和第9 层之间。

图5  电磁仿真滤波器模型

　　利用HFSS 进行电磁仿真的结果如图6 所示， 可以看到插入损耗与反射损耗两个数据完全符合指标要求，同时由于相互耦合的关系， 额外产生了一个传输零点，带外抑制得到了更好的控制。

图6  电磁仿真结果

　　2  样品的制作

　　在模拟仿真之后， 就进行LT CC 滤波器实物的制作， 将HFSS 中的图形转换为AutoCAD 版图， 采用FerroA6M 材料进行加工， 其介电常数为5. 9, 损耗角正切为0. 002, 内埋金属为银合金， 表面进行镀锡处理。

　　在滤波器的制作过程中， 由于LTCC 工艺流程较为复杂， 主要工艺步骤包括配料、流延、打孔、填孔、印刷、叠片、层压、切片和烧结等工序， 每道工序都有产生工艺误差的可能性， 因此基板制作过程中出现偏差是不可避免的， 通常很难做到所加工实物与电路仿真结果相一致。因此在版图设计上需要留出尽可能宽的工艺窗口，以便于设计意图通过工艺的实现。同时， 为了便于样品测试， 制作了50  PCB 测试版， 将SMA 接头搭在基板表面两端， 滤波器粘着与中央进行测量。制作的实际样品附测试架如图7 所示， 终尺寸为3 2 mm×1 6 mm×1. 0 mm。

图7  1. 2 GHz LTCC 低通滤波器附测试架测试样品

　　图8 为本次制作的LT CC 低通滤波器与仿真的对比结果。可以看出， 数据基本吻合， 实际测试的滤波器数据如下： 截止频率为0 ~ 1. 2 GHz; 尺寸大小为3. 2 mm × 1. 6 mm ×1. 0 mm; 表贴形式为标准的FV1206 表贴； 通带插入损耗小于等于0. 71 dB; 带外抑制大于等于20 dB （ 1. 77~ 6 GHz） ; 通带驻波比小于等于1.21。实测结果完全符合指标要求， 适合大批量生产。

图8 1. 2 GH z 低通滤波器实测结果与H FSS 仿真结果对比

　　3  结 论

　　本文设计了一种通带为DC ~ 1. 2 GHz, 具有三传输零点的LT CC 低通滤波器。利用滤波器设计软件Filter Solut ions 给出了电路元件的各个数值； 再用电磁仿真软件HFSS 合成出具有良好性能的滤波器。

　　基于LTCC 技术的多层滤波器与传统的分离器件相比具有体积小、重量轻和性能好等许多优点。本文所给出的滤波器性能表现良好， 尺寸仅为3. 2 mm×1. 6 mm×1. 0 mm。只要能预先在滤波器设计软件中设定好滤波器的参数， 就能快速有效地合成出各个器件的数值， 设计具有一定的灵活性， 可以根据不同的滤波器规格设定不同的参数， 在无线系统中有很好的实用价值。

参考文献:

[1]. SMA  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SMA+_1054310.html.