LTCC二階電感性耦合帶通濾波器的設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)從GSM到GPRS直至CDMA，頻率從原來(lái)的幾百Hz到了現(xiàn)在的900 MHz，1．8 GHz，2．4 GHz，5．8 GHz，甚至更高。與此同時(shí)，對(duì)于器件的小型化和高性能的要求卻在不斷提高。在微波波段，多層陶瓷介質(zhì)的無(wú)源器件，如濾波器等，由于其具有小型化、易集成、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到重視。為了在器件小型化的同時(shí)，降低其損耗，以獲得更高的品質(zhì)因數(shù)，就需要尋求新的材料和技術(shù)。在眾多的微波介質(zhì)板材中，LTCC相對(duì)于HTCC(high temperature cofired ceramic)更具優(yōu)勢(shì)。它結(jié)合了共燒技術(shù)和厚膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，減少了昂貴、重復(fù)的燒結(jié)過(guò)程，所有電路被疊層熱壓并一次燒結(jié)，節(jié)省了時(shí)間，降低了成本，減小了電路的尺寸；對(duì)于射頻微波領(lǐng)域，更重要的是它具有高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性、高集成度等優(yōu)點(diǎn)。因此，LTCC已成為民用和軍品電子系統(tǒng)理想的選用材料。目前，基于LTCC技術(shù)的微波器件已開(kāi)始應(yīng)用于手機(jī)、小靈通、無(wú)繩電話等各種移動(dòng)通信設(shè)備中，在藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)卡、天線開(kāi)關(guān)等模塊中也大有用武之地。

低溫陶瓷共燒(LTCC)技術(shù)采用厚膜材料，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的版圖圖形和層疊次序，將金屬電極材料和陶瓷材料一次性共燒結(jié)，獲得所需的無(wú)源器件及模塊組件。金屬帶的層疊技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)層與層之間電容和電感的耦合，利用交叉電容耦合的方法就可以在阻帶獲得能改善傳輸特性的傳輸零點(diǎn)。此外，LTCC采用高電導(dǎo)率的金、銀等金屬作導(dǎo)電介質(zhì)，在燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)氧化，因此無(wú)需電鍍保護(hù)；LTCC陶瓷基片的組成成分可變，根據(jù)配料的不同可生成具有不同電氣性能的介質(zhì)材料，各參量在一定范圍內(nèi)可調(diào)整，從而增加了設(shè)計(jì)的靈活性。

l 多層濾波器結(jié)構(gòu)及原理

經(jīng)典的濾波器設(shè)計(jì)理論已較成熟，多層介質(zhì)濾波器是用層疊式的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波電路的功能。這種技術(shù)不僅使濾波器體積小，且高頻性能好，但器件內(nèi)部電磁場(chǎng)的分布不易確定，且隨層數(shù)的增加而趨向復(fù)雜。圖1為多層介質(zhì)濾波器的一般結(jié)構(gòu)。圖1中，微帶電路(黑色部分)印刷在LTCC基片(灰色部分)上，上下兩層為屏蔽層，中間為起濾波作用的電路結(jié)構(gòu)(通常稱(chēng)為電路層)。圖案層的具體樣式和層數(shù)要視所設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)(如中心頻率、通帶內(nèi)插損、阻帶衰耗等)而定。用同樣的方式可以獲得天線、平衡或非平衡轉(zhuǎn)換器(balun)等微波器件。

在LTCC的設(shè)計(jì)過(guò)程中，較常見(jiàn)的是以集總元件方式設(shè)計(jì)電容耦合帶通濾波器?？紤]到LTCC工藝的制作方便，因此濾波器一般都不超過(guò)3階。集總元件構(gòu)成的帶通濾波器電路由串、并聯(lián)交叉連接的諧振器構(gòu)成。在此，利用一種產(chǎn)生額外3個(gè)傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器理論，將LTCC技術(shù)與帶通濾波器相結(jié)合。這里給出濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)研究LC帶通濾波器的等效電路，利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化。用二階耦合諧振帶通濾波器作為原型，它為電感性耦合π型結(jié)構(gòu)。在此核心電路的基礎(chǔ)上，加入匹配電容CI、接地電感LG，及并聯(lián)電容Cp。該電路可產(chǎn)生3個(gè)傳輸零點(diǎn)，等效電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)計(jì)傳輸零點(diǎn)是因目前有很多無(wú)線系統(tǒng)的應(yīng)用，而每個(gè)系統(tǒng)所使用的頻帶非常接近，很容易造成彼此間的干擾，因此可借助于設(shè)計(jì)傳輸零點(diǎn)來(lái)降低系統(tǒng)之間的干擾。該電路可以合成出大電容與小電感。Cs約為PF量級(jí)，Ls約為0．1 nH量級(jí)，因此較適合用于低溫共燒陶瓷基板。

2 LTCC多層濾波器的工藝買(mǎi)現(xiàn)

濾波器介質(zhì)層材料用ULF140微波介質(zhì)陶瓷，相對(duì)介電常數(shù)εr=13．4，品質(zhì)因數(shù)Q>2 100，頻率溫度系數(shù)τF≈0，內(nèi)外電極材料用銀電極。器件多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用微帶線構(gòu)成兩級(jí)諧振器，耦合電容層C12輸入／輸出電容與耦合電容在同一層。材料介電常數(shù)每變化2．5％，中心頻率將移動(dòng)32~42 MHz。由于層間的耦合電容與負(fù)載電容隨介電常數(shù)的增大而增大，器件的中心頻率將隨介電常數(shù)的增大而降低，中心頻率向低頻移動(dòng)，因此，在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)必須在性能上留有余量。本文利用HFSS對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，圖3為一種設(shè)計(jì)中廣泛采用的帶狀線結(jié)構(gòu)濾波器，由3個(gè)圖案層組成。同時(shí)，從圖中可知，這是一個(gè)兩級(jí)諧振濾波器，且兩個(gè)諧振單元的結(jié)構(gòu)是一樣的，它們之間通過(guò)電磁耦合來(lái)連接。由于多層陶瓷微波濾波器使用的是非鐵磁性介質(zhì)，因此級(jí)間耦合主要靠電容耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在討論耦合情況時(shí)，只考慮電容耦合。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析，該濾波器諧振單元的電感L由導(dǎo)體N的自電感LN提供，諧振單元的諧振電容由導(dǎo)體N的自電容CN和導(dǎo)體N與導(dǎo)體R以及導(dǎo)體N與導(dǎo)體S之間的耦合電容CR，CS提供。諧振單元之間的耦合電容由兩諧振單元中對(duì)應(yīng)的N-N，R-R，S-S之間各自耦合電容的總和組成。這樣，通過(guò)求解所有導(dǎo)體形成的電容電感矩陣，得到各參數(shù)的具體數(shù)值，進(jìn)而通過(guò)對(duì)此等效電路進(jìn)行電路分析得到該濾波器的響應(yīng)。LTCC片式濾波器的加工生產(chǎn)須經(jīng)過(guò)流延、打孔、通孔填充、印刷電極、疊層和等靜壓、切片、共燒工藝過(guò)程。能否控制好工藝精度是生產(chǎn)合格器件的保證。實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的LTCC片式濾波器，尺寸為3．75 mm×1．38 mmX 0．97mm。仿真的電性能參數(shù)和實(shí)際生產(chǎn)出來(lái)的樣品電性能參數(shù)如表1所示。樣品測(cè)試所用儀器為Agilent E8363B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

從表1可以看出，仿真值與實(shí)際值接近，但是存在一定的差異。導(dǎo)致器件性能變差的因素很多，如流延出來(lái)的介質(zhì)基片厚度不一致。印刷疊層和熱壓造成的錯(cuò)位，切片時(shí)的偏差和器件變形及共燒時(shí)的收縮不均勻等。解決這些問(wèn)題除了提高工藝水平外，前期的優(yōu)良設(shè)計(jì)也是解決的途徑之一。如在設(shè)計(jì)中盡量避免耦合間距過(guò)小，層數(shù)過(guò)多等，同時(shí)應(yīng)多采用簡(jiǎn)潔的電路結(jié)構(gòu)，減少不必要的工藝過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種中心頻率為2．45 GHz。具有3個(gè)傳輸零點(diǎn)的LTCC二階電感性耦合帶通濾波器。利用一套合成該濾波器的分析方法給出了電路元件的各個(gè)數(shù)值，用電路與電磁仿真軟件合成出具有良好性能的濾波器。基于LTCC技術(shù)的多層濾波器與傳統(tǒng)的分離器件相比，具有體積小，重量輕，性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。本文所給出的濾波器性能表現(xiàn)良好，只要能預(yù)先設(shè)定好兩個(gè)反射零點(diǎn)與兩個(gè)匹配品質(zhì)因子，就能有效地合成出各個(gè)器件的數(shù)值，設(shè)計(jì)具有一定的靈活性，可以根據(jù)不同的濾波器規(guī)格設(shè)定不同的參數(shù)，在無(wú)線系統(tǒng)中有很好的實(shí)用價(jià)值。