小型化LTCC低通濾波器設(shè)計與制造工藝研究

　　1 引言

　　低溫共燒陶瓷技術(shù)(LTCC)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種新型電子工藝技術(shù)，最初用于航空航天工業(yè)和大型計算機(jī)中高密度多層陶瓷基板電路的加工與制造，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，各類通信設(shè)備和終端對小型化的要求越來越高。

　　LTCC技術(shù)能夠充分利用三維空間，在基板內(nèi)埋植電容、電感、天線、濾波器、功分器等無源器件，集成度高，尺寸小，射頻性能優(yōu)良，利用LTCC這種可以多層結(jié)構(gòu)埋植器件技術(shù)，可以很好地滿足設(shè)備小型化的要求。

　　LTCC一個重要應(yīng)用就是制作各種小型化濾波器等無源器件，目前，商用LTCC低通濾波器的典型尺寸主要有1812(4.5 mm×3.2 mm)、1210(3.2 mm×2.5 mm)、1206(3.2 mm×1.6 mm)等規(guī)格。本文中提出的濾波器利用LTCC多層布線三維立體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，大大減小了器件的面積尺寸，平面尺寸只有3.2 mm×1.6 mm,達(dá)到了小型化的目的。

　　2 LTCC低通濾波器的設(shè)計

　　LTCC濾波器的設(shè)計通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的LC諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計的低通濾波器采用第一種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖1所示。

　　首先根據(jù)低通濾波器理想電路原理圖選定實(shí)際需要的元件值，通過ADS仿真軟件對電路模型進(jìn)行優(yōu)化，使電路仿真結(jié)果滿足需要。低通濾波器原理圖仿真結(jié) 果如圖2所示。根據(jù)公式計算得到其基本物理結(jié)構(gòu)圖，然后在HFSS軟件里畫出物理結(jié)構(gòu)，設(shè)定基板的介電常數(shù)、劃分網(wǎng)格、設(shè)置掃描頻率，仿真后得到S參數(shù)。 低通濾波器的截止頻率為900 MHz;通帶插損小于1 dB;通帶內(nèi)端口駐波小于1.5;帶外抑制大于35 dB,@1.5 G.

　　本文設(shè)計的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC內(nèi)埋植電容的設(shè)計一般采用兩種方式：垂直交指 型(VIC)電容和金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)電容。本文設(shè)計的濾波器的內(nèi)埋置電容元件采用垂直交指型(VIC)電容，在相同電容量的情況下，VIC 結(jié)構(gòu)電容相比MIM結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。

　　LTCC內(nèi)埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖3所示，本文設(shè)計的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。

　　濾波器的制作采用杜邦951生瓷片，電容和電感采用配套的印刷漿料，基板介質(zhì)材料相對介電常數(shù)為7.8,介質(zhì)損耗為0.006,共用到14層生瓷 片，其中第3層到第8層為多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，第9層到第12層為垂直交指型(VIC)電容，第13層為電路的地層，燒結(jié)后的器件尺寸為3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm,濾波器的LTCC三維物理模型如圖4所示。使用HFSS軟件對低通濾波器模型進(jìn)行三維電磁場仿真，該模型的三維電磁場仿真結(jié)果如圖5所示。