LTCC集總濾波器小型化設(shè)計(jì)與研究

摘要：本文選擇VHF(Very High Frequency，甚高頻)波段設(shè)計(jì)此款帶通濾波器。選用集總結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建工作，為保證其小型化的需求，選用了世界先進(jìn)的LTCC(low temperature co-fired ceramics，低溫共燒陶瓷)工藝技術(shù)并通過(guò)合理布局以期有效壓縮產(chǎn)品體積。通過(guò)引入傳輸零點(diǎn)，有效提高阻帶的陡峭度。在ADS軟件上對(duì)等效電路模型進(jìn)行仿真，再輔以三維電磁仿真軟件HFSS搭建三維電感、電容模型，提取有效元件值進(jìn)行擬合優(yōu)化，最終達(dá)成預(yù)定技術(shù)指標(biāo)。本款濾波器中心頻率為110MHz，帶寬為50MHz，30MHz到70MHz和160MHz到200MHz處的衰減均優(yōu)于20dB，駐波優(yōu)于1.6。產(chǎn)品尺寸為5mm×8mm×2.3mm。

引言

　　隨著無(wú)線通信行業(yè)膨脹式發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)射頻器件的要求越來(lái)越高。作為射頻元器件的重要組成部分，濾波器的小型化、高性能和低成本已然成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)^[1]。濾波器可以選用分布參數(shù)或者集總參數(shù)加以實(shí)現(xiàn)，然而在微波頻段的低端，分布結(jié)構(gòu)的濾波器往往尺寸過(guò)于龐大，無(wú)法適應(yīng)小型化的時(shí)代需求，故在此頻段一般選用集總結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì)^[2]。

　　LTCC (low temperature co-fired ceramics，低溫共燒陶瓷)作為電路集成封裝的一種關(guān)鍵技術(shù)，在產(chǎn)品封裝小型化、輕量化、穩(wěn)定性、可靠性、調(diào)整性以及低成本等諸多方面均有顯著的優(yōu)勢(shì)^[3]。先進(jìn)的LTCC技術(shù)使得集總濾波器的尺寸大大縮小，集成度與可靠性均大幅度提高。但是LTCC濾波器作為一種新型濾波器，包括多個(gè)等效分立元件，耦合性與寄生效應(yīng)較為復(fù)雜，再加上國(guó)內(nèi)外LTCC技術(shù)差距較大，因此，此款帶通濾波器是基于縮小傳統(tǒng)集總濾波器體積以及國(guó)內(nèi)對(duì)LTCC濾波器的迫切需求的基礎(chǔ)上而設(shè)計(jì)的。

　　為了提高此款集總帶通濾波器的性能，在通帶的高低阻帶各引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)^[4-5]，用以提高帶通濾波器的邊帶陡峭度。預(yù)定技術(shù)指標(biāo)：中心頻率為110MHz，帶寬為50MHz，帶內(nèi)插入損耗小于1.6dB，30MHz20dB，電壓駐波比≤1.6。最終產(chǎn)品尺寸為5mm×8mm×2.3mm。

1 濾波器理論設(shè)計(jì)

1.1 濾波器原理分析

　　本款集總LTCC帶通濾波器是在串-并聯(lián)諧振單元的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。濾波器共有四個(gè)諧振單元，包括兩個(gè)并聯(lián)諧振接地和兩個(gè)串聯(lián)諧振，等效電路圖如圖1所示。

　　雖然四個(gè)諧振單元已經(jīng)可以構(gòu)成簡(jiǎn)單的帶通濾波器，但是由于沒(méi)有傳輸零點(diǎn)，過(guò)渡帶相對(duì)較寬，在頻段擁擠的社會(huì)現(xiàn)狀下，實(shí)用性能較差。

1.2 含有零點(diǎn)的集總帶通濾波器

　　濾波器的通帶要求衰減越小越好，而阻帶要求衰減越大越好。但是在濾波器階數(shù)有限的情況下，原型濾波器的阻帶抑制度往往不佳，所以我們考慮在阻帶的特定頻率點(diǎn)引入傳輸零點(diǎn)，用以提高邊帶的陡峭度。圖2給出引入傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器。

　　如圖2所示，改進(jìn)后的帶通濾波器共有四個(gè)諧振單元，即兩個(gè)并聯(lián)諧振單元和兩個(gè)串聯(lián)諧振單元，四個(gè)諧振單元分別引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)。以并聯(lián)諧振單元1和串聯(lián)諧振單元2為例進(jìn)行如下分析：

　　并聯(lián)諧振單元1與電容串聯(lián)接地后，構(gòu)成一個(gè)新的諧振器，即變形并聯(lián)諧振單元。其輸入導(dǎo)納為：

(1)

　　其諧振頻率為：

(2)

　　產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)為：

(3)

　　比較可知 ：ω₀>ωz。因此，傳輸零點(diǎn)的頻率始終小于諧振頻率，變形并聯(lián)諧振單元在低頻阻帶上插入一個(gè)傳輸零點(diǎn)。

　　而串聯(lián)諧振單元2與電容并聯(lián)后，構(gòu)成一個(gè)變形串聯(lián)諧振單元。其輸入導(dǎo)納為：

(4)

　　其諧振頻率為：

(5)

　　產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn)為：

(6)

　　比較可知：。因此，傳輸零點(diǎn)的頻率始終大于諧振頻率，變形串聯(lián)諧振單元在高頻阻帶上插入一個(gè)傳輸零點(diǎn)。

　　因此，改進(jìn)后的濾波器共引入了四個(gè)傳輸零點(diǎn)，上下邊帶各有兩個(gè)，分別由兩個(gè)變形串聯(lián)諧振單元和兩個(gè)變形并聯(lián)諧振單元提供。

2 LTCC三維實(shí)現(xiàn)

　　電感是射頻系統(tǒng)的重要元器件之一，往往決定著整個(gè)電路系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)集總濾波器電感所占面積較大，嚴(yán)重影響了濾波器的最終尺寸。因此，在綜合考慮占用面積、自諧振頻率以及品質(zhì)因數(shù)Q值后，選用較細(xì)的傳輸線通過(guò)螺旋式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電感設(shè)計(jì)。LTCC的電容主要有兩種形式：MIM(Mental-Insulator-Mental)與VIC(Vertically-Interdigitated-Capacitor)。由于此款集總帶通濾波器的中心頻率屬于微波頻段的低端，因此電容值相對(duì)較大，所以選用垂直多層交錯(cuò)型的VIC電容[6-7]。此款帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)主要依托于集總電感與電容元件的組合與合理布局。對(duì)電感影響較大的參數(shù)包括：電感線圈的尺寸、線寬、線間距、圈數(shù)以及介質(zhì)的介電常數(shù)等。對(duì)電容影響較大的參數(shù)包括：電極板的正對(duì)面積、極板間的間距以及介質(zhì)的介電常數(shù)等。在三維仿真軟件HFSS中分別對(duì)各個(gè)集總電感電容元件進(jìn)行建模研究，由于電感電容的值相對(duì)較大，為了實(shí)現(xiàn)小尺寸的設(shè)計(jì)初衷，合理布線便顯得至關(guān)重要。

　　該濾波器的介質(zhì)采用相對(duì)介電常數(shù)為9.2的陶瓷材料，介質(zhì)損耗角為tanθ=0.002，金屬導(dǎo)體材料采用了銀，厚度為0.01mm，最終尺寸為5mm×8mm×2.3mm。圖3給出了集總帶通濾波器的三維模型圖。

　　由圖3可知，此款帶通濾波器共有四個(gè)變形諧振單元。與等效電路圖對(duì)比，L1、C1、C11和L3、C3、C33構(gòu)成變形并聯(lián)諧振單元，用于添加低阻帶零點(diǎn);L2、C2、C22和L4、C4、C44構(gòu)成變形串聯(lián)諧振單元，用于添加高阻帶零點(diǎn)。本文巧妙運(yùn)用電容共層形式，并利用屏蔽層來(lái)節(jié)省接地電容的面積，大大縮小了帶通濾波器的體積。

　　此款帶通濾波器共選用了12個(gè)集總電感電容元件，由于多種寄生效應(yīng)的影響，初步構(gòu)建起集總帶通濾波器后仍需要進(jìn)行多次優(yōu)化。最終的仿真結(jié)果如圖4所示。

　　由仿真圖4可知，此款LTCC集總帶通濾波器的中心頻率為110MHz，帶寬為50MHz，帶內(nèi)插入損耗≤1.6dB，電壓駐波比≤1.6，在30MHz20dB，160MHz20dB。上下邊帶各引入了兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得此款集總帶通濾波器在滿足小型化的同時(shí)也獲得了高度的邊帶陡峭特性。

3 結(jié)論

　　本款基于LTCC技術(shù)的帶通濾波器，選擇集總電感電容元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，中心頻率為110MHz，帶寬為50MHz，在30MHz至70MHz頻率以及160MHz至200MHz頻率上的衰減均優(yōu)于20dB，尺寸僅為5mm×8mm×2.3mm。

　　LTCC工藝技術(shù)保障了濾波器的小型化，而合理布局則使得此款集總濾波器的尺寸進(jìn)一步減小。通過(guò)變形諧振單元，在濾波器的上下阻帶各引入兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得濾波器的邊帶特性更加陡峭。

　　因此，此款LTCC集總帶通濾波器體積小、重量輕、封裝性能好、邊帶陡峭、穩(wěn)定性且可調(diào)性高，是一款非常實(shí)用的帶通濾波器，在國(guó)防科技、軍用設(shè)備、未來(lái)通信等諸多領(lǐng)域均有著極大的應(yīng)用前景與需求。

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。