基于LTCC 工藝的低通濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

張 博肖寶玉

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710121)

隨著無(wú)線通信行業(yè)迅猛發(fā)展，射頻器件在系統(tǒng)中占據(jù)更重要的地位。而濾波器作為射頻元件中不可或缺的組成部分，在實(shí)現(xiàn)小型化、高性能、集成度高等方面已然成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，而目前基于低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)工藝設(shè)計(jì)的濾波器為以上的研究提供了很好的方向。

基于LTCC 工藝設(shè)計(jì)的濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)小型化和高性能，并且采用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如在2018 年[1]中電感采用立體螺旋型(Helical)電感，電容采用垂直叉指電容(VIC)來(lái)獲得小型化濾波器[1]；2019 年[2]中電感采用5 層3D 螺旋結(jié)構(gòu)，電容則采用傳統(tǒng)的(Metal-Insulator-Metal，MIM)式結(jié)構(gòu)來(lái)獲得較大的等效值和Q值[2]；在2019 年[3]中電感的設(shè)計(jì)采用垂直螺旋電感和平面螺旋電感2 種形式，電容采用MIM 結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)小型化、高性能濾波器[3]。

應(yīng)濾波器小型化、高性能的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合微波濾波器理論并使用ADS、HFSS 進(jìn)行聯(lián)合仿真，設(shè)計(jì)出具有高Q值的電容電感，并結(jié)合原理圖進(jìn)行合理布局，設(shè)計(jì)了一款DC-500 MHz 的低通濾波器.

1 低通濾波器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)低通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇5 階等波紋0.1 dB 的切比雪夫?yàn)V波器，其濾波器低通原理圖如圖1 所示，其中的電容電感元件值的相關(guān)公式如下所示[4]:

在ADS 中使用Q值模型，其中電容電感的Q值分別設(shè)置為150，50。優(yōu)化得到C1＝C3＝6.63 pF，C2＝12.25 pF，L1＝L2＝21.76 nH。仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖1 DC-500 MHz 低通濾波器原理圖

圖2 低通濾波器ADS 仿真結(jié)果

由圖2 可知，在500 MHz 內(nèi)插入損耗在0.8 dB，通帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-18 dB，在1 000 MHz 處，帶外抑制達(dá)到-30 dB，1 500 MHz 處帶外抑制有-50 dB。在達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)后參考ADS 給出的原理圖，然后在HFSS 電磁仿真軟件中建立模型并進(jìn)行仿真。

2 低通濾波器建模仿真

在應(yīng)用LTCC 工藝制作集總LC 型濾波器時(shí)，最關(guān)鍵的是將原型電路圖轉(zhuǎn)化為三維立體仿真模型，這樣更接近實(shí)際情況。在LTCC 濾波器的設(shè)計(jì)中，真正發(fā)揮作用的是元件的有效值，其中電容電感的有效值提取公式如下[2]:

2.1 電感設(shè)計(jì)

在建模前，首先設(shè)計(jì)出具有高Q值電容電感。為了不增加濾波器尺寸大小，且結(jié)合各方面因素的考慮，電感設(shè)計(jì)為垂直螺旋結(jié)構(gòu)，電容設(shè)計(jì)為垂直直插式結(jié)構(gòu)[5]。垂直螺旋電感的三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示，而圖4 為垂直螺旋電感結(jié)合式(3)和式(4)計(jì)算得到的電感有效值隨頻率變化曲線。

圖3 垂直電感設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖4 垂直電感特征曲線

由圖中看出，此電感的自諧振頻率點(diǎn)在1.9 GHz，電感有效值在低頻處大約10 nH。Q值最高大約為50。分析可知，在物理結(jié)構(gòu)不變的情況下，采用高介電常數(shù)材料會(huì)降低Q值，這是因?yàn)楦呓殡姵?shù)材料會(huì)導(dǎo)致對(duì)地的寄生電容增大，增加了損耗，從而影響Q值。

根據(jù)以上分析可知，降低對(duì)地寄生電容成為了首要優(yōu)化目標(biāo)。在已經(jīng)確定的介電常數(shù)下，使線圈遠(yuǎn)離地板可以減小對(duì)地寄生電容。如圖5 所示電感，底部線圈與地板之間的距離是原來(lái)3 倍介質(zhì)層厚度，這樣可以很大程度上改善電感Q值，以及有效值[6]。

圖5 優(yōu)化后垂直螺旋電感

觀察圖6 可知，與之前相比無(wú)論是在電感有效值還是Q值方面都有明顯的提高。其中有效值提高30%左右，Q值提高到75。

圖6 優(yōu)化后垂直螺旋電感特征曲線

2.2 電容設(shè)計(jì)

電容的設(shè)計(jì)可以采用如圖7 所示的垂直直插式接地電容，此結(jié)構(gòu)有著單一的通孔和相對(duì)較長(zhǎng)的金屬抽頭。然后根據(jù)式(5)、式(6)得到電容有效值以及Q值隨頻率變化曲線。

圖7 接地電容設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖8 接地電容特征曲線

分析可知，影響電容有效值的主要因素是接口兩端的寄生電感。而寄生電感主要來(lái)自于金屬通孔和端口處較細(xì)的傳輸線，這就為優(yōu)化電容性能提供了方向[6]。

基于以上分析，改進(jìn)后的電容通孔加在平行板邊，數(shù)量增加到優(yōu)化前的3 倍，之前用來(lái)連接通孔的金屬抽頭也縮短。

從圖10 可以得到，與之前的電容相比，有效值和Q值分別提高了8%和11%左右。分析原因可知電容的品質(zhì)因數(shù)的提高是由于端口間寄生電感減小。

圖9 優(yōu)化后接地電容設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖10 優(yōu)化后接地電容特征曲線

基于以上對(duì)于高Q值電容電感設(shè)計(jì)，此濾波器的電感設(shè)計(jì)為4 圈，大小為1.4 mm×1.4 mm。電容分別采用4 層介質(zhì)和6 層介質(zhì)，尺寸大小分別為:1.45 mm×2.34 mm 和2.56 mm×1.6 mm，整體大小為8.24 mm×2.85 mm×1.164 mm。根據(jù)以上分析對(duì)電容電感進(jìn)行合理的布局，得到濾波器三維結(jié)構(gòu)圖11，將該模型在HFSS 中進(jìn)行三維電磁仿真，得到如圖12 所示的仿真結(jié)果。

圖11 500 MHz 低通濾波器三維結(jié)構(gòu)

圖12 低通濾波器HFSS 仿真結(jié)果

由圖12 可知，在500 MHz 處插入損耗為-0.6 dB，帶外抑制在1 000 MHz 處有-35 dB，帶外抑制在1 500 MHz 處有-55 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。從ADS 原理圖仿真與HFSS 三維電磁仿真中發(fā)現(xiàn)，HFSS 中的仿真結(jié)果相對(duì)更好一些，這是因?yàn)樵贏DS 中設(shè)計(jì)電容電感的Q值不是太高，在HFSS 中電容電感的Q值要比ADS 中高。

3 加工與測(cè)試

根據(jù)圖11 濾波器結(jié)構(gòu)圖在LTCC 生產(chǎn)線上經(jīng)過(guò)流延、打孔、填孔、印刷線路、疊層、燒結(jié)、封端等一系列工藝，制成濾波器實(shí)物[7]。

完成加工后的濾波器如圖13 所示，將加工后的濾波器焊接在PCB 板上，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)此濾波器的性能進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如圖14 所示，可以看到實(shí)際測(cè)量的插入損耗在500 MHz 處大約為-1 dB，與仿真結(jié)果基本吻合。通帶內(nèi)回波損耗在-15.5 dB 以下，在1 000 MHz處帶外抑制達(dá)到-30 dB。分析結(jié)果，可能是因?yàn)殡娙莼逯丿B面積降低，器件加工材料收縮造成層與層之間有一定的偏移導(dǎo)致電容有效值的降低；而插損的增大在所難免，主要由于Q值的降低以及SMA 接頭損耗，焊接帶來(lái)的不連續(xù)等問(wèn)題都會(huì)引入插損。

圖13 濾波器實(shí)物照片及測(cè)試

圖14 500 MHz 低通濾波器仿真對(duì)比

表1 給出了所提出的低通濾波器與具有類似特性的低通濾波器的主要指標(biāo)對(duì)比。

表1 所研究低通濾波器與其他濾波器對(duì)比

從表1 可以比較出，所設(shè)計(jì)的低通濾波器展現(xiàn)出很好的帶內(nèi)選擇性以及較好的帶外抑制能力。

4 總結(jié)

結(jié)合微波濾波器理論和ADS、HFSS 聯(lián)合仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款高Q值電容電感模型DC-500 MHz 的低通濾波器，其中在感值和容值不變的情況下電感電容的Q值分別提高了6%和11%，且濾波器的性能為:通帶內(nèi)插損基本在-0.5 dB，回波損耗在-16 dB 以下，帶外抑制為在1 GHz 處有-33 dB，在1.5 GHz 處有-50 dB，且加工生產(chǎn)出的器件實(shí)際測(cè)試結(jié)果也基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，性能良好。