低温共烧陶瓷带通滤波器设计

0 引言

现代移动通信系统从GSM到GPRS直至CDMA，频率从原来的几百Hz到了现在的900 MHz，1．8 GHz，2．4 GHz，5．8 GHz，甚至更高。与此同时，对于器件的小型化和高性能的要求却在不断提高。在微波波段，多层陶瓷介质的无源器件，如滤波器等，由于其具有小型化、易集成、设计灵活等优点而越来越受到重视。为了在器件小型化的同时，降低其损耗，以获得更高的品质因数，就需要寻求新的材料和技术。在众多的微波介质板材中，LTCC相对于HTCC(high temperature cofired ceramic)更具优势。它结合了共烧技术和厚膜技术的优点，减少了昂贵、重复的烧结过程，所有电路被叠层热压并一次烧结，节省了时间，降低了成本，减小了电路的尺寸；对于射频微波领域，更重要的是它具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。因此，LTCC已成为民用和军品电子系统理想的选用材料。目前，基于LTCC技术的微波器件已开始应用于手机、小灵通、无绳电话等各种移动通信设备中，在蓝牙、无线局域网卡、天线开关等模块中也大有用武之地。

低温陶瓷共烧(LTCC)技术采用厚膜材料，根据预先设计的版图图形和层叠次序，将金属电极材料和陶瓷材料一次性共烧结，获得所需的无源器件及模块组件。金属带的层叠技术可以方便地实现层与层之间电容和电感的耦合，利用交叉电容耦合的方法就可以在阻带获得能改善传输特性的传输零点。此外，LTCC采用高电导率的金、银等金属作导电介质，在烧结过程中不会氧化，因此无需电镀保护；LTCC陶瓷基片的组成成分可变，根据配料的不同可生成具有不同电气性能的介质材料，各参量在一定范围内可调整，从而增加了设计的灵活性。

l 多层滤波器结构及原理

经典的滤波器设计理论已较成熟，多层介质滤波器是用层叠式的电路结构来实现滤波电路的功能。这种技术不仅使滤波器体积小，且高频性能好，但器件内部电磁场的分布不易确定，且随层数的增加而趋向复杂。图1为多层介质滤波器的一般结构。图1中，微带电路(黑色部分)印刷在LTCC基片(灰色部分)上，上下两层为屏蔽层，中间为起滤波作用的电路结构(通常称为电路层)。图案层的具体样式和层数要视所设计的滤波器参数(如中心频率、通带内插损、阻带衰耗等)而定。用同样的方式可以获得天线、平衡或非平衡转换器(balun)等微波器件。

在LTCC的设计过程中，较常见的是以集总元件方式设计电容耦合带通滤波器。考虑到LTCC工艺的制作方便，因此滤波器一般都不超过3阶。集总元件构成的带通滤波器电路由串、并联交叉连接的谐振器构成。在此，利用一种产生额外3个传输零点的带通滤波器理论，将LTCC技术与带通滤波器相结合。这里给出滤波器的主要技术指标，通过研究LC带通滤波器的等效电路，利用三维电磁仿真软件HFSS对滤波器进行仿真优化。用二阶耦合谐振带通滤波器作为原型，它为电感性耦合π型结构。在此核心电路的基础上，加入匹配电容CI、接地电感LG，及并联电容Cp。该电路可产生3个传输零点，等效电路结构如图2所示。设计传输零点是因目前有很多无线系统的应用，而每个系统所使用的频带非常接近，很容易造成彼此间的干扰，因此可借助于设计传输零点来降低系统之间的干扰。该电路可以合成出大电容与小电感。Cs约为PF量级，Ls约为0．1 nH量级，因此较适合用于低温共烧陶瓷基板。

2 LTCC多层滤波器的工艺买现

滤波器介质层材料用ULF140微波介质陶瓷，相对介电常数εr=13．4，品质因数Q>2 100，频率温度系数τF≈0，内外电极材料用银电极。器件多层结构设计用微带线构成两级谐振器，耦合电容层C12输入／输出电容与耦合电容在同一层。材料介电常数每变化2．5％，中心频率将移动32~42 MHz。由于层间的耦合电容与负载电容随介电常数的增大而增大，器件的中心频率将随介电常数的增大而降低，中心频率向低频移动，因此，在设计滤波器时必须在性能上留有余量。本文利用HFSS对滤波器结构进行了仿真，图3为一种设计中广泛采用的带状线结构滤波器，由3个图案层组成。同时，从图中可知，这是一个两级谐振滤波器，且两个谐振单元的结构是一样的，它们之间通过电磁耦合来连接。由于多层陶瓷微波滤波器使用的是非铁磁性介质，因此级间耦合主要靠电容耦合来实现，所以在讨论耦合情况时，只考虑电容耦合。经过实验和分析，该滤波器谐振单元的电感L由导体N的自电感LN提供，谐振单元的谐振电容由导体N的自电容CN和导体N与导体R以及导体N与导体S之间的耦合电容CR，CS提供。谐振单元之间的耦合电容由两谐振单元中对应的N-N，R-R，S-S之间各自耦合电容的总和组成。这样，通过求解所有导体形成的电容电感矩阵，得到各参数的具体数值，进而通过对此等效电路进行电路分析得到该滤波器的响应。LTCC片式滤波器的加工生产须经过流延、打孔、通孔填充、印刷电极、叠层和等静压、切片、共烧工艺过程。能否控制好工艺精度是生产合格器件的保证。实际生产出来的LTCC片式滤波器，尺寸为3．75 mm×1．38 mmX 0．97mm。仿真的电性能参数和实际生产出来的样品电性能参数如表1所示。样品测试所用仪器为Agilent E8363B矢量网络分析仪。

从表1可以看出，仿真值与实际值接近，但是存在一定的差异。导致器件性能变差的因素很多，如流延出来的介质基片厚度不一致。印刷叠层和热压造成的错位，切片时的偏差和器件变形及共烧时的收缩不均匀等。解决这些问题除了提高工艺水平外，前期的优良设计也是解决的途径之一。如在设计中尽量避免耦合间距过小，层数过多等，同时应多采用简洁的电路结构，减少不必要的工艺过程。

3 结语

设计了一种中心频率为2．45 GHz。具有3个传输零点的LTCC二阶电感性耦合带通滤波器。利用一套合成该滤波器的分析方法给出了电路元件的各个数值，用电路与电磁仿真软件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，性能好等许多优点。本文所给出的滤波器性能表现良好，只要能预先设定好两个反射零点与两个匹配品质因子，就能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。