李 菁，劉培文

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100071)

0 引言

濾波器[1]作為高頻電路中的重要組成部分，常用于對(duì)特定頻段內(nèi)信號(hào)的選取，同時(shí)對(duì)帶外雜波和諧波信號(hào)具有一定的抑制作用。集總參數(shù)形式的LC濾波器是一種較為常見(jiàn)的濾波器的類(lèi)型[2]。LC濾波器多由電容、電感和電阻按照設(shè)計(jì)方法進(jìn)行排布[3]，使其對(duì)信號(hào)具有頻率選擇性。但LC濾波器由于其組成結(jié)構(gòu)及連接方式，限制了其發(fā)展：組成濾波器的片式元件封裝尺寸較大且不易減??；單個(gè)元件的實(shí)際工作值與理論值具有偏差；片式器件連接焊點(diǎn)及器件間的連線使濾波器對(duì)潮濕、氧化和振動(dòng)等環(huán)境的抵抗能力及穩(wěn)定性進(jìn)一步下降[4]。

低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)是一種多層陶瓷技術(shù)[5]，具有三維立體布線的特點(diǎn)[6]，同時(shí)可以將無(wú)源元件內(nèi)埋置入多層陶瓷的內(nèi)部[7]，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件和電路的小型化和集成化[8]。利用LTCC技術(shù)進(jìn)行LC濾波器設(shè)計(jì)[9]，可以將原有濾波器的平面結(jié)構(gòu)立體化[10]。基于LTCC多層技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電容[11]，通過(guò)螺旋耦合線形式實(shí)現(xiàn)電感，再利用LTCC走線的垂直互聯(lián)性，從而完成濾波器的設(shè)計(jì)[12-13]。LTCC技術(shù)使濾波器設(shè)計(jì)更加緊湊，同時(shí)減少原有LC濾波器單個(gè)元件性能差異的影響和各元件間連線的影響，提高濾波器的穩(wěn)定性，同時(shí)大大減小了濾波器的體積[14-16]。

1 LTCC濾波器設(shè)計(jì)原理

LTCC技術(shù)實(shí)際上是一種新型的三維電路實(shí)現(xiàn)形式。對(duì)于采用集總參數(shù)實(shí)現(xiàn)的LC濾波器，首先要做的就是根據(jù)指標(biāo)要求利用成熟的LC濾波器技術(shù)對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定各元件參數(shù)值及排列方式。其次是根據(jù)LTCC三維布線和垂直互聯(lián)的特點(diǎn)，分別對(duì)濾波器電路中的電感、電容等元件進(jìn)行逐一設(shè)計(jì)。最后，將設(shè)計(jì)得到的電感、電容等元件通過(guò)合理的布局設(shè)計(jì)，相互連接構(gòu)成濾波器電路，實(shí)現(xiàn)LTCC濾波器[17]。

1.1 LTCC中電容的實(shí)現(xiàn)

電容器是實(shí)現(xiàn)濾波器電路的主要元件，LTCC技術(shù)中的電容器主要采用平行板結(jié)構(gòu)(Metal-Insulator-Metal，MIM)和垂直堆疊結(jié)構(gòu)(Vertically Interdigitated Capacitor，VIC)2種[18-20]，常用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 內(nèi)埋置MIM電容器 (b) 內(nèi)埋置VIC電容器圖1 2種內(nèi)埋置電容器結(jié)構(gòu)示意

在實(shí)現(xiàn)相同電容值的情況下，MIM結(jié)構(gòu)電容器面積較大，所占層數(shù)較少。而VIC結(jié)構(gòu)電容器在外部Q值和SRF諧振頻率方面更具優(yōu)勢(shì)，但VIC所用層數(shù)較多，提高了設(shè)計(jì)難度和工藝的復(fù)雜性。在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，對(duì)這2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行衡量，選用適宜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電容器的設(shè)計(jì)。

無(wú)論選擇哪種結(jié)構(gòu)進(jìn)行電容器設(shè)計(jì)，都需要對(duì)電容元件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提取。把電容器當(dāng)作一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)其特性參數(shù)的提取，得到電容器結(jié)構(gòu)尺寸的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)。

有效電容值Ceff和品質(zhì)因數(shù)Q是表征電容器性能的2個(gè)重要參數(shù)，它們可以由二端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)得出，即

(1)

(2)

式中，ω為角頻率；Y11(ω)為二端口網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納參數(shù)；Zin為輸入阻抗。

有效電容值和品質(zhì)因數(shù)隨頻率變化的曲線如圖2所示。當(dāng)設(shè)計(jì)的LTCC電容器特性參數(shù)曲線同理論計(jì)算曲線相符合時(shí)，就得到了適宜的電容器結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 電容器特性參數(shù)隨頻率的變化

1.2 LTCC中電感的實(shí)現(xiàn)

在LTCC技術(shù)中實(shí)現(xiàn)集總電感元件的方法有很多，常見(jiàn)的有以下幾種形式：平面結(jié)構(gòu)電感器和多層電感器，如圖3所示。平面結(jié)構(gòu)電感器適用于電感值較小的情況，其所占面積較大。更為常用的是多層結(jié)構(gòu)形式的電感，特別是三維螺旋式電感能利用LTCC多層立體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，有效提高電感值和品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上更為緊湊，有效地減少了寄生參數(shù)的干擾[21-23]。

圖3 常見(jiàn)的LTCC電感器實(shí)現(xiàn)形式

對(duì)電感器的設(shè)計(jì)采用與電容器設(shè)計(jì)相同的思路，把電感當(dāng)作一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)提取電感的特性參數(shù)，得到電感器模型在LTCC中的準(zhǔn)確尺寸。電感器的主要特性參數(shù)有有效電感量Leff和品質(zhì)因數(shù)Q，即

(3)

(4)

電感器類(lèi)型多樣，等效電路形式較多，同時(shí)由于在結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，帶來(lái)的寄生電容和等效串并聯(lián)電阻不容忽視，對(duì)電感器準(zhǔn)確建模帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2 LTCC濾波器的仿真設(shè)計(jì)

利用單層介質(zhì)厚度為0.1 mm，相對(duì)介電常數(shù)ε=5.9的基板材料Ferro A6M，依據(jù)上述設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了截止頻率fc=1.5 GHz的低通濾波器。濾波器采用5階切比雪夫型函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在ADS軟件中完成濾波器等效原理圖設(shè)計(jì)，C1=C2=3 pF，L1=L3=7 nH，L2=12 nH，如圖4所示。

圖4 LTCC低通濾波器等效原理

濾波器采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，元件布局清晰，元件間相互影響較少，適宜LTCC三維布局設(shè)計(jì)，其等效原理圖S參數(shù)ADS軟件仿真曲線如圖5所示，可以看出濾波器通帶范圍DC -1.5 GHz，在2.5 GHz處衰減30 dB。

圖5 LTCC低通濾波器等效原理圖S參數(shù)仿真曲線

根據(jù)圖4所示的等效電路，利用HFSS軟件進(jìn)行三維建模，通過(guò)提取特性參數(shù)的方式，在LTCC三維結(jié)構(gòu)中分別實(shí)現(xiàn)3個(gè)電感和2個(gè)電容元件，并通過(guò)合理的布局排布，完成LTCC濾波器緊湊的三維立體模型的建立。

電容器由于電容值為3 pf，容值較小，采用單層電容板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)圖1中的VIC電容器結(jié)構(gòu)在HFSS中進(jìn)行建模，參考單層平面電容器的計(jì)算式(5)，ε0為空氣中的介電常數(shù)，εr為兩平行板間填充的介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)，d為兩平行板間的距離，即

(5)

單層電容板結(jié)構(gòu)電容仿真模型三維結(jié)構(gòu)如圖6所示，介質(zhì)層選用3層介質(zhì)層，厚度為0.3 mm。特性參數(shù)提取曲線如圖7所示。優(yōu)化后得到3 pf單層電容具體尺寸為2.5 mm×1.8 mm。

圖6 單層電容三維結(jié)構(gòu)模型

圖7 電容模型提取的有效電容值

電感采用圖3所示的三維螺旋式電感進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于電感建模復(fù)雜，采用類(lèi)比的方式，參考已有設(shè)計(jì)，通過(guò)電感值的比較，對(duì)應(yīng)修改電感結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到近似的電感模型，再利用HFSS進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化得到準(zhǔn)確的電感結(jié)構(gòu)參數(shù)。以實(shí)現(xiàn)12 nH的電感設(shè)計(jì)為例，文獻(xiàn)[23]給出了有效電感值為4.7 nH的4層三維螺旋式電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)增加繞線線寬、繞線線長(zhǎng)并減小同層金屬線距離的方式，可以增大電感有效值，得到需要的電感設(shè)計(jì)。

12 nH的電感采用4層三維螺旋式立體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，其三維仿真模型如圖8所示，也是通過(guò)提取電感的特性參數(shù)，如圖9所示。電感結(jié)構(gòu)具體尺寸：W1=0.2 mm，S1=S2=1.1 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。以同樣的方式，也可以得到7 nH的電感模型參數(shù)，7 nH電感采用2層圓螺旋立體結(jié)構(gòu)，具體尺寸：W2=0.2 mm，S1=S2=1.5 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。

圖8 電感三維結(jié)構(gòu)

圖9 電感模型提取的有效電感值

將設(shè)計(jì)得到的電感和電容模型，按照?qǐng)D4的濾波器電路等效原理圖進(jìn)行空間布局，在HFSS中進(jìn)行建模，如圖10所示。通過(guò)圖10(b)側(cè)視圖可以看出，在12層濾波器結(jié)構(gòu)中，1～6層為電感層，8～11層為電容層，第11層為地層。利用地層與電容板間耦合，形成額外的電容板層，有效地減小了電容器面積，電容器面積為1.6 mm×0.8 mm。電感元件間間距較大，能有效避免相互間的干擾，同時(shí)將電容元件與電感元件隔離開(kāi)，有效地減小了寄生電容的出現(xiàn)。

(a) LTCC濾波器HFSS三維結(jié)構(gòu)模型

(b) LTCC濾波器三維模型側(cè)視圖圖10 LTCC濾波器三維結(jié)構(gòu)

最后利用HFSS仿真優(yōu)化功能，對(duì)濾波器進(jìn)行整體優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖11所示。仿真結(jié)果顯示，在濾波器截止頻率1.5 GHz處衰減為-0.3 dB，在2.5 GHz處衰減大于30 dB，在3 GHz處約為52 dB，仿真結(jié)果與濾波器等效原理圖仿真結(jié)果相一致。設(shè)計(jì)完成的LTCC濾波器尺寸為：6 mm×2.2 mm×1.3 mm。

圖11 LTCC濾波器仿真結(jié)果

3 測(cè)試結(jié)果

濾波器的測(cè)試結(jié)果如圖12所示，可以看出濾波器的截止頻率為1.5 GHz，在1.5 GHz處衰減約為-1.5 dB，在2.5 GHz處衰減達(dá)到30 dB。濾波器測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明這種LTCC濾波器的快速設(shè)計(jì)方法具有一定的工程價(jià)值。

圖12 LTCC濾波器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重介紹了一種集總參數(shù)形式的LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程。利用平行電容板的計(jì)算公式完成電容建模，利用類(lèi)比的方法完成電感的建模，再利用HFSS軟件，通過(guò)提取元件的特性參數(shù)的方式，快速而有效地獲得元件模型的具體參數(shù)。再利用三維立體布線的優(yōu)點(diǎn)，將設(shè)計(jì)完成的各元件進(jìn)行合理三維立體布局，從而快速有效地完成整個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)中的計(jì)算復(fù)雜性，縮短了設(shè)計(jì)周期，為L(zhǎng)TCC濾波器的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路與方法。

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