摘 要： 介紹了一種通帶為0~ 1. 2 GH z 的LT CC 多層低通濾波器快速設(shè)計(jì)方法。利用濾波器設(shè)計(jì)軟件， 通過(guò)選擇相應(yīng)的參數(shù)， 可以快速地設(shè)計(jì)出低通濾波器電路圖， 再將原型電路在三維電磁場(chǎng)仿真軟件H FSS 中建立濾波器模型。根據(jù)廠商提供的電容、電感等元器件模型庫(kù)， 根據(jù)模型庫(kù)中的電容、電感值估算本次設(shè)計(jì)所需的元件大小， 在HFSS 中可以快速的建立模型， 仿真結(jié)果可以很快的滿(mǎn)足指標(biāo)要求。采用標(biāo)準(zhǔn)LTCC 工藝實(shí)現(xiàn)出尺寸為3. 2 mm×1. 6 mm×1. 0 mm 的低通濾波器。運(yùn)用該方法可以幫助工程師快速地設(shè)計(jì)LTCC 濾波器， 有很強(qiáng)的實(shí)用性和便利性。

　　0  引 言

　　以前的射頻電路設(shè)計(jì)在印刷電路板上往往占據(jù)了相當(dāng)大的面積， 已不適用于現(xiàn)今無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品， 因此有許多技術(shù)被引進(jìn)來(lái)縮小電路面積， LTCC 技術(shù)便是其中一種。LTCC 是以陶瓷粉做為電路基板的材料， 在850~ 900  的燒結(jié)爐中將各種無(wú)源元件， 例如電容、電感、濾波器等組件埋入多層陶瓷基板中， 形成三維立體空間高密度電路， 以平行式印刷涂布制程燒結(jié)， 形成整合式陶瓷組件。所以L(fǎng)FCC 可以進(jìn)一步將電路小型化與高密度化， 因而特別適用于高頻的通信模塊采用。由于LTCC 技術(shù)優(yōu)異的特性， 引起微電子技術(shù)的重大進(jìn)步， 其應(yīng)用范圍也非常廣泛， 有以無(wú)線(xiàn)通信模組為主的相關(guān)應(yīng)用， 包括從微波低端頻率的GSM, CDMA,TDMA、藍(lán)牙和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)到毫米波波段的30 GHz 的LMDS, 大批量的應(yīng)用圍繞移動(dòng)通信手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA） , 筆記本計(jì)算機(jī)等個(gè)人電子產(chǎn)品展開(kāi)。LTCC材料在高頻下具有較低的介質(zhì)損耗特性， 可以降低功耗， 不僅有利于元件的小型化， 還提高電路的組裝密度，且有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

　　濾波器是無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)模塊中的關(guān)鍵器件， 一個(gè)好的濾波器可以有效地抑制帶外信號(hào)， 提高系統(tǒng)效率。射頻無(wú)源濾波器的基本構(gòu)成元件是電容和電感， 而LTCC技術(shù)的實(shí)質(zhì)是無(wú)源元件的集成。采用低損耗的LTCC材料與多層結(jié)構(gòu)制成， 將濾波器的布局由平面轉(zhuǎn)為三維立體布局， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。這不僅降低了成本， 增加了設(shè)計(jì)的靈活性，而且還可以充分利用三維結(jié)構(gòu)帶來(lái)的電磁耦合來(lái)優(yōu)化濾波器的性能， 大大提高的系統(tǒng)得集成度和可靠性。近幾年已有許多關(guān)于LTCC 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與研究被提出。本文利用濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solut io ns, 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)出基于LTCC技術(shù)的低通濾波器電路圖， 再根據(jù)電路數(shù)值提取LT CC無(wú)源元件模型庫(kù)的電容、電感模型， 再由三維電磁仿真軟件HFSS 對(duì)濾波器進(jìn)行仿真優(yōu)化， 得到濾波器工作頻率為0~ 1. 2 GHz, 通帶插入損耗小于0. 71 dB, 反射損耗大于20 dB, 傳輸零點(diǎn)分別為1. 8 GHz, 以滿(mǎn)足帶外抑制的要求。

　　1  濾波器的設(shè)計(jì)

　　實(shí)際的濾波器總不能得到理想的衰減特性。在綜合設(shè)計(jì)濾波器時(shí)， 總是確定一個(gè)逼近衰減特性的函數(shù)，然后根據(jù)這個(gè)逼近函數(shù)綜合出具體的結(jié)構(gòu)。常用的逼近函數(shù)有兩種， 相應(yīng)的濾波器稱(chēng)為平坦式濾波器和切比雪夫式濾波器。由于介紹這方面的書(shū)很多， 這里就不再贅述。

　　本次制作的濾波器， 具體技術(shù)指標(biāo)為： 通帶頻率為0~ 1. 2 GHz, 插損為1 dB, 阻帶損耗大于20 dB（ 1. 86~ 6 GHz） 。

　　在濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solutions 中， 采用切比雪夫式濾波器為原型， 在相應(yīng)的頻點(diǎn)加入傳輸零點(diǎn)， 形成廣義切比雪夫函數(shù)曲線(xiàn)。這樣可以有效地增加濾波器的矩形度和對(duì)稱(chēng)性， 具有插損小、抑制度高等特點(diǎn)。

　　在Filter So lut ions 中具體設(shè)置的參數(shù)如圖1 所示， 其中， 濾波器類(lèi)型為5 階Cheby shev  型， 紋波系數(shù)為0 01, 通帶頻率為0~ 1 2 GHz, 兩個(gè)傳輸零點(diǎn)分別設(shè)置為1. 8 GHz 和3. 0 GHz。設(shè)置完參數(shù)后， 即可得到1. 2 GH z低通濾波器電路原理圖（ 見(jiàn)圖2） 、頻率響應(yīng)圖（ 見(jiàn)圖3） 以及反射損耗圖（ 見(jiàn)圖4） 。從電路原理圖中，可以看到在切比雪夫原型電路基礎(chǔ)上， 加入了兩個(gè)并聯(lián)電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路以達(dá)到產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)的目的。

圖1 濾波器設(shè)計(jì)軟件中的參數(shù)設(shè)置

圖2  1. 2 GHz 低通濾波器廣義切比雪夫電路原理圖

圖3  1. 2 GHz 低通濾波器頻率響應(yīng)圖

圖4  1. 2 GHz 低通濾波器反射損耗圖

　　對(duì)于基本的并聯(lián)諧振電路， 其導(dǎo)納為： Y = jωC +1/ （ jωL ） 。當(dāng)電路諧振時(shí)，ω 0 = 1/ √LC , 導(dǎo)納為零， 也就是說(shuō)呈開(kāi)路狀態(tài)， 從而輸入的電磁波也將被全反射， 故能在傳輸特性中形成一個(gè)衰減極點(diǎn)， 在輸出端無(wú)能量輸出?？梢?jiàn)， 串聯(lián)在二端口網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)LC 諧振會(huì)產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)上述理論分析， 在LT CC 模型庫(kù)中適合地選取電路中各器件的值， 利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS, 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)建立模型， 所有的器件都埋入于LT CC 陶瓷基板中。在考慮元件布局的時(shí)候， 需要嚴(yán)格遵守工藝線(xiàn)的設(shè)計(jì)規(guī)則， 并在設(shè)計(jì)電容與電感時(shí)留下一定的容差， 以便于工藝實(shí)現(xiàn)， 同時(shí)將測(cè)試架的整體模型都考慮進(jìn)去。整個(gè)濾波器模型如圖5 所示， 設(shè)計(jì)尺寸為3. 2 mm  1. 6 mm  1. 0 mm。本濾波器設(shè)計(jì)使用10 層陶瓷， 8 層金屬， 介質(zhì)介電常數(shù)為5. 9, 損耗角正切為0 002, 每一層介質(zhì)厚度為100 m, 金屬成份為銀合金，每一層金屬的厚度為10 m, 不同層金屬以通孔垂直連接， 第9 層為地層。諧振器電容利用VIC 型在第5 到第7 層之間實(shí)現(xiàn)， 諧振器螺旋電感在第2 層到第4 層實(shí)現(xiàn)。電路兩側(cè)接地電容分別與兩端口連接， 布局在第8 層， 中間的接地電容利用層疊的形式實(shí)現(xiàn)在第4 和第9 層之間。

圖5  電磁仿真濾波器模型

　　利用HFSS 進(jìn)行電磁仿真的結(jié)果如圖6 所示， 可以看到插入損耗與反射損耗兩個(gè)數(shù)據(jù)完全符合指標(biāo)要求，同時(shí)由于相互耦合的關(guān)系， 額外產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，帶外抑制得到了更好的控制。

圖6  電磁仿真結(jié)果

　　2  樣品的制作

　　在模擬仿真之后， 就進(jìn)行LT CC 濾波器實(shí)物的制作， 將HFSS 中的圖形轉(zhuǎn)換為AutoCAD 版圖， 采用FerroA6M 材料進(jìn)行加工， 其介電常數(shù)為5. 9, 損耗角正切為0. 002, 內(nèi)埋金屬為銀合金， 表面進(jìn)行鍍錫處理。

　　在濾波器的制作過(guò)程中， 由于LTCC 工藝流程較為復(fù)雜， 主要工藝步驟包括配料、流延、打孔、填孔、印刷、疊片、層壓、切片和燒結(jié)等工序， 每道工序都有產(chǎn)生工藝誤差的可能性， 因此基板制作過(guò)程中出現(xiàn)偏差是不可避免的， 通常很難做到所加工實(shí)物與電路仿真結(jié)果相一致。因此在版圖設(shè)計(jì)上需要留出盡可能寬的工藝窗口，以便于設(shè)計(jì)意圖通過(guò)工藝的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)， 為了便于樣品測(cè)試， 制作了50  PCB 測(cè)試版， 將SMA 接頭搭在基板表面兩端， 濾波器粘著與中央進(jìn)行測(cè)量。制作的實(shí)際樣品附測(cè)試架如圖7 所示， 終尺寸為3 2 mm×1 6 mm×1. 0 mm。

圖7  1. 2 GHz LTCC 低通濾波器附測(cè)試架測(cè)試樣品

　　圖8 為本次制作的LT CC 低通濾波器與仿真的對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯?數(shù)據(jù)基本吻合， 實(shí)際測(cè)試的濾波器數(shù)據(jù)如下： 截止頻率為0 ~ 1. 2 GHz; 尺寸大小為3. 2 mm × 1. 6 mm ×1. 0 mm; 表貼形式為標(biāo)準(zhǔn)的FV1206 表貼； 通帶插入損耗小于等于0. 71 dB; 帶外抑制大于等于20 dB （ 1. 77~ 6 GHz） ; 通帶駐波比小于等于1.21。實(shí)測(cè)結(jié)果完全符合指標(biāo)要求， 適合大批量生產(chǎn)。

圖8 1. 2 GH z 低通濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與H FSS 仿真結(jié)果對(duì)比

　　3  結(jié) 論

　　本文設(shè)計(jì)了一種通帶為DC ~ 1. 2 GHz, 具有三傳輸零點(diǎn)的LT CC 低通濾波器。利用濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solut ions 給出了電路元件的各個(gè)數(shù)值； 再用電磁仿真軟件HFSS 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、重量輕和性能好等許多優(yōu)點(diǎn)。本文所給出的濾波器性能表現(xiàn)良好， 尺寸僅為3. 2 mm×1. 6 mm×1. 0 mm。只要能預(yù)先在濾波器設(shè)計(jì)軟件中設(shè)定好濾波器的參數(shù)， 就能快速有效地合成出各個(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(xiàn)系統(tǒng)中有很好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1]. SMA  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SMA+_1054310.html.