LTCC集總濾波器小型化設計與研究

摘要：本文選擇VHF(Very High Frequency，甚高頻)波段設計此款帶通濾波器。選用集總結(jié)構(gòu)進行搭建工作，為保證其小型化的需求，選用了世界先進的LTCC(low temperature co-fired ceramics，低溫共燒陶瓷)工藝技術(shù)并通過合理布局以期有效壓縮產(chǎn)品體積。通過引入傳輸零點，有效提高阻帶的陡峭度。在ADS軟件上對等效電路模型進行仿真，再輔以三維電磁仿真軟件HFSS搭建三維電感、電容模型，提取有效元件值進行擬合優(yōu)化，最終達成預定技術(shù)指標。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

　　隨著無線通信行業(yè)膨脹式發(fā)展，系統(tǒng)對射頻器件的要求越來越高。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)研究的熱點與難點^[1]。濾波器可以選用分布參數(shù)或者集總參數(shù)加以實現(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于龐大，無法適應小型化的時代需求，故在此頻段一般選用集總結(jié)構(gòu)加以設計^[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^[3]。先進的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，包括多個等效分立元件，耦合性與寄生效應較為復雜，再加上國內(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內(nèi)對LTCC濾波器的迫切需求的基礎上而設計的。

　　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傳輸零點^[4-5]，用以提高帶通濾波器的邊帶陡峭度。預定技術(shù)指標：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 濾波器理論設計

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)諧振單元的基礎上設計而成的。濾波器共有四個諧振單元，包括兩個并聯(lián)諧振接地和兩個串聯(lián)諧振，等效電路圖如圖1所示。

　　雖然四個諧振單元已經(jīng)可以構(gòu)成簡單的帶通濾波器，但是由于沒有傳輸零點，過渡帶相對較寬，在頻段擁擠的社會現(xiàn)狀下，實用性能較差。

1.2 含有零點的集總帶通濾波器

　　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引入傳輸零點，用以提高邊帶的陡峭度。圖2給出引入傳輸零點的帶通濾波器。

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

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

(1)

　　其諧振頻率為：

(2)

　　產(chǎn)生的傳輸零點為：

(3)

　　比較可知 ：ω₀>ωz。因此，傳輸零點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傳輸零點。

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

(4)

　　其諧振頻率為：

(5)

　　產(chǎn)生的傳輸零點為：

(6)

　　比較可知：。因此，傳輸零點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傳輸零點。

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

2 LTCC三維實現(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，選用較細的傳輸線通過螺旋式的結(jié)構(gòu)進行電感設計。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，因此電容值相對較大，所以選用垂直多層交錯型的VIC電容[6-7]。此款帶通濾波器的實現(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。對電容影響較大的參數(shù)包括：電極板的正對面積、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中分別對各個集總電感電容元件進行建模研究，由于電感電容的值相對較大，為了實現(xiàn)小尺寸的設計初衷，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變形諧振單元。與等效電路圖對比，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;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。本文巧妙運用電容共層形式，并利用屏蔽層來節(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個集總電感電容元件，由于多種寄生效應的影響，初步構(gòu)建起集總帶通濾波器后仍需要進行多次優(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傳輸零點，使得此款集總帶通濾波器在滿足小型化的同時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行設計，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一步減小。通過變形諧振單元，在濾波器的上下阻帶各引入兩個傳輸零點，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，是一款非常實用的帶通濾波器，在國防科技、軍用設備、未來通信等諸多領域均有著極大的應用前景與需求。

參考文獻：

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。