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趣坛明
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1 采用两种陶瓷介质的 LTCC 高通滤波器设计 [ 李春宇, 邢孟江, 梁玭, 李跃进, 杨银堂 ] [ 西安电子科技大学, 微电子研究所, 西安市, ] [ 摘要 ] 本文介绍了一种采用两种陶瓷介质的低温共烧陶瓷 (LTCC) 高通滤波器该高通滤波器以 7 阶切比雪夫高通滤波器为原型, 截止频率为 900MHz 通带内插入损耗小于 0.9dB, 驻波比 (VSWR) 小于 1.5 阻带内在 400MHz 处有一个寄生的传输零点, 并且在 400MHz 到 610MHz 范围内抑制大于 30dB, 从直流到 400MHz 范围内抑制大于 63dB 由于该高通滤波器采用 LTCC 工艺制作, 具有体积小重量轻温度稳定性高等特点, 并且可加工成贴片形式, 便于与其他微波组件集成, 因此拥有广阔的应用前景 [ 关键词 ] 低温共烧陶瓷 (LTCC); 高通滤波器 ; 插入损耗 ; 驻波比 A Design of High-pass Filter Using Two Kinds of LTCC Substrate [ Li Chunyu, Xing Mengjiang, Liang Pin, Li Yuejin, Yang Yintang ] [ Xidian University, Institute of Miroeletronis, Xi an, , China ] [ Abstrat ] This paper desribes a high-pass filter using two inds of media with different eletri onstants. The material of the media is low-temperature o-fired erami(ltcc). A 7-order hebyshev high-pass filter is used as the prototype, whih has a ut-off frequeny of 900MHz. In its pass-band the insertion loss is less than 0.9 db and the voltage standing wave ratio (VSWR) is less than 1.5, however, in its stop-band, within the range of 400MHz to 610MHz the attenuation is greater than 30dB and in the DC to 400MHz range the attenuation is greater than 63dB. What s more,there is a parasiti transmission zero at 400MHz. Sine the filter is produed using LTCC tehnology, it has the performane of small size, light weight, high temperature stability and an also be proessed into hip form in order to integrate with other modules easily, so it has broad appliation prospet. [ Keyword ] low-temperature o-fired erami (LTCC); high-pass filter; insertion loss; VSWR 1 前言微波滤波器是一个二端口网络, 它通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性, 用以控制微波系统中某处的频率响应微波滤波器是微波技术中许多设计问题的基础, 是微波系统中重要的基础元件 [1-2] 随着无线通信技术和单片微波集成电路的快速发展, 要求电子产品向小型化低成本高性能高集成度趋势发展在通信技术向高频方向发展的同时, 微波滤波器的工作频率也越来越高, 这对滤波器的设计提出了更高的要求 [3] 高通滤波器广泛应用于通讯雷达电子对抗等信息领域中, 是必不可少的重要元件之一在微波电路的设计中, 传统的高通滤波器只能采用平面工艺, 电感的设计是比较容易的, 而难点在于串联电容的设计 [4] 要想实现宽带高通特性, 串联耦合量应该足够大, 如果用传统的平面工艺实现比较大的电容, 则两个极板中间的间隙必须足够小, 太小的间隙加工难度太大, 因此传统的平面工艺不能实现面积很小的高通滤波器, 而低温共烧陶瓷 (low-temperature o-fired erami,ltcc) 工艺采用的叠层工艺三维布局的方式使尺寸很小的滤波器成为可能 [5-6]

2 一个性能好的高通滤波器不仅应该具有带内低损耗和带外高抑制的传输特性, 而且应该具有尽可能宽的通带特性, 而通带带宽主要取决于输入输出之间串联电容的品质因数 [7] 本文设计的高通滤波器以 7 阶切比雪夫高通滤波器为原型, 具有体积小重量轻选频性能好温度稳定性高等特点, 并且可加工成贴片元件形式, 便于与其他微波组件集成, 另外, 由于该滤波器是基于 LTCC 工艺, 加工成本低, 有利于批量生产 2 高通滤波器的设计原理在低频电路里, 高通滤波器是由集总参数电抗元件 ( 电感和电容 ) 组成因此, 构成微波高通滤波器最直接的方法, 就是用微波结构来模拟集总参数电抗元件, 然后用它们来组成微波高通滤波器根据高通滤波器的设计原理, 先选定低通滤波器原型, 然后通过阻抗和频率定标, 把低通原型的归一值变换成高通滤波器集总元件的实际值 [8] 低通滤波器原型可以根据其截止频率和带内外的抑制等通过查阅相关表得到得到低通滤波器原型后, 可以通过频率定标和阻抗定标来得到实际高通滤波器的参数 1.1 阻抗定标阻抗定标是在原型设计中, 源和负载的电阻为 1, 设计时可以通过原型设计的阻抗与 R o 相乘得到若 L C 和 R L 是原型低通滤波器的元件值, 带撇号的符号表示阻抗定标后的值, 则新的滤波器的元件值为 : L 0 = R L (1) C R C = (2) 0 R S = R0 (3) RL R0R L = (4) 1.2 频率定标频率定标是将低通原型滤波器中衰减特性的频率变量 Ω 经过适当的变换, 得到以新的频率 ω 为变量的衰减特性为了将低通原型滤波器转换到高通滤波器响应, 可将 Ω=0 映射到 ω=±, 将 Ω= 映射到 ω=0, 所以频率替换为 : 上式中 ω 为截止频率 ω Ω (5) ω 为了转换低通原型的电感 ( 或电容 ) 到高通的电容 ( 或电感 ), 上式的负号是必需的, 表示电路中感性元件和容性元件互换, 故变换后的高通滤波器新的元件值为 : C 1 = (6) ω L 1 L = (7) ω C

3 上式中 L 为低通原型的串联电感值 ;C 为低通原型的并联电容值由上述理论得到从低通滤波器原型到高通滤波器的转换, 则既要阻抗定标也要频率定标, 那么新的元件值为 : C = (8) 0ω L 1 R L R0 = (9) ω C 3 高通滤波器等效电路的设计本文高通滤波器的设计指标为 : (1) 截止频率为 :(900±20)MHz; (2) 带内插入损耗 : 1.2dB; (3) 带外抑制 : 25dB (400~600MHz); (4) 带内波动 : 0.1dB; (5) 驻波比 : 1.5; (6) 输入输出阻抗 :50Ω; 55dB (DC~400MHz); 根据前面介绍的低通原型转换为高通的阻抗和频率定标理论, 由截止频率为 900MHz 通带纹波系数为 0.05dB 的 7 阶切比雪夫低通滤波器原型得到的 7 阶切比雪夫高通滤波器等效电路如图 1 所示为了画图以及仿真调试方便, 电路采用对称结构, 其中各元件具体参数值为 : L1=L7=8.546nH,C2=C6=2.461pF,L3=L5=4.503nH,C4=2.188pF, 两端口特征阻抗为 50Ω 图 1 7 阶切比雪夫高通滤波器等效电路本文采用的 7 阶切比雪夫高通滤波器等效电路利用 Ansoft Designer 软件得到的仿真结果如图 2 所示

4 图 2 7 阶切比雪夫高通滤波器等效电路仿真结果 4 高通滤波器的电磁场仿真在前面高通滤波器等效电路的仿真中, 综合出了各元器件的集总参数值, 根据其值的大小可以设计 LTCC 埋层电容和埋层电感, 本文中的电容采用金属 - 介质 - 金属 (MIM) 形式的平板电容结构, 电感采用垂直螺旋电感和平面螺旋电感两种形式 LTCC 埋层电感的设计主要有两种, 一种是平面螺旋结构, 另一种是垂直螺旋结构考虑到尽量减小相邻电感之间的耦合影响, 因此本文中的电感 L1 和 L7 采用垂直螺旋电感, 而 L3 和 L5 采用平面螺旋电感 LTCC 埋层电容的设计也主要有两种, 一种是金属 - 介质 - 金属 (MIM) 结构, 另一种是垂直交指 (VIC) 结构由于 VIC 结构的电容是由多层金属板构成的, 因此这种形式构成的电容的品质因数 (Q) 值没有 MIM 形式的高, 因此本文只采用 MIM 形式实现电容的设计高通滤波器中电感的设计比较简单, 难点在于电容的设计, 因为对通带带宽影响最大的是输入输出之间串联电容的品质因数如果采用的 LTCC 陶瓷介质的介电常数太小, 则实现同样容值电容的平行极板的面积就很大, 面积很大的平板电容使得高通滤波器的通带驻波特性变差, 通带带宽也减小 ; 然而如果构成螺旋电感的陶瓷基板的介电常数太大, 则螺旋电感 ( 尤其是垂直螺旋电感 ) 两端寄生的并联电容就会很大, 大的寄生电容使高通滤波器的通带特性变差因此本文采用两种介电常数不同的 LTCC 陶瓷介质基板, 构成高通滤波器输入输出之间串联电容的 LTCC 陶瓷介质的相对介电常数为 50, 构成螺旋电感的 LTCC 陶瓷介质的相对介电常数为 3.48 由图 1 等效电路得到的三维高通滤波器模型如图 3 所示, 整个器件封装尺寸为标准的 1206 封装形式 (3.2mm 1.6mm 0.95mm), 采用的 LTCC 陶瓷介质的相对介电常数 (ε r ) 有两种, 介质 1 的 ε r1 为 50, 介质 2 的 ε r2 为 3.48, 介质损耗角正切 (tanδ) 都为 0.002, 金属导体采用银, 每层陶瓷介质基板的厚度为 40μm, 每层金属厚度为 10μm 电感采用垂直螺旋电感和平面螺旋电感两种, 电容采用 MIM 结构形式, 螺旋电感金属微带线线宽为 80μm, 金属通孔直径为 125μm, 金属托盘直径为 150μm, 金属过孔直径为 350μm 图 3 的三维低通滤波器通过 Ansoft HFSS 软件的仿真结果如图 4 所示

5 图 3 7 阶切比雪夫高通滤波器三维模型图 4 7 阶切比雪夫高通滤波器仿真结果 5 结论由图 4 的仿真结果可以看出, 本文设计的 7 阶切比雪夫高通滤波器的截止频率为 900M Hz, 通带内插入损耗小于 0.9dB, 驻波比 (VSWR) 小于 1.5, 通带带宽大于 2250MHz 阻带内有一个寄生的传输零点位于 400MHz 而且在 400MHz 到 610MHz 范围内抑制大于 30dB, 直流到 400MHz 范围内抑制大于 63dB 从 -3dB 点到 -30dB 点的矩形系数为 1.36 由此本文设计的高通滤波器各项性能均优于设计指标的要求, 并留有 5dB 到 10dB 的加工余量由于高通滤波器设计过程中的难点在于输入输出之间串联电容的设计, 为了提高串联电容的品质因数, 本文采用 MIM 形式的平板电容, 而且利用高介电常数的 LTCC 陶瓷基板材料作为电容的填充介质但考虑到尽量减小垂直螺旋电感的寄生电容, 本文采用两种介电常数不同的 LTCC 陶瓷基板

6 从图 4 的仿真结果与图 2 的理想结果比较可以看出, 当频率超过 3GHz 时,S11 曲线逐渐上翘, 意味着通带驻波越来越大, 端口的反射逐渐增强, 通带带宽受到限制导致这样结果的原因主要是因为当频率升高时, 串联电容的容抗越来越小, 而感抗越来越大, 电容的谐振越来越强, 大部分能量损耗在电路中, 以至于信号传输到输出端的能量越来越少从仿真结果可以得到, 提高串联电容的品质因数和自谐振频率对于提高高通滤波器的通带带宽至关重要本文设计的采用两种介质的 LTCC 高通滤波器具有体积小结构紧凑选频性能好可加工成贴片元件形式, 便于与其他微波元件集成等优点, 该高通滤波器可广泛用于各种制式的手机蓝牙模块 GPS PDA 数码相机 WLAN 汽车电子等射频无线通讯领域中 [ 参考文献 ] [1] 苏宏. 层叠片式 LTCC 微波滤波器设计. 电子科技大学硕士学位论文 [2] David M. Pozar 著. 张肇仪, 周乐柱, 吴德明等译. 微波工程 ( 第三版 ). [3] 熊锦康. 一种用 LTCC 技术设计低通滤波器的方法. 集成电路通讯第 25 卷第 2 期 [4] 刘富忠, 刘仁厚. 悬置微带高通滤波器的设计. 微波毫米波会议. 1999: [5] Chen Xi-dan, Liu Ying-li, Li Yuan-xun. Multilayer Lowpass Filter Using LTCC Tehnology[J]. Journal of Eletroni Siene and Tehnology of China, 2007,5(4): [6] Wolff I. Design and Tehnology of Mirowave and Millimeter Wave LTCC Ciruits and Systems [C] //ISSSE 07: International Symposium on Signals, Systems and Eletronis. Montreal: IEEE Press,2007: [7] Yeung L K, Wu Ke-li, A Compat Seond-Order LTCC Bandpass Filter with Two Finite Transmission Zeros [J]. IEEE Trans Mirowave Theory Teh. 2003, 51(2) : [8] David M. Pozar 著. 张肇仪, 周乐柱, 吴德明等译. 微波工程 ( 第三版 ) 收稿日期 :2011-XX-XX; 修返日期 :2011-XX-XX 基金项目 : 国家 863 重点项目 (2009AA01Z260); 国家科技重大专项 (20092X ); 国家 973 项目 (2010CB731903) 作者简介 : 李春宇 (1984-), 性别 : 男, 河北廊坊人, 西安电子科技大学在读研究生, 主要研究领域为基于 LTCC 工艺的微波滤波器和毫米波收 / 发组件设计作者地址 :lihunyu105@163.om 邢孟江 (1981-), 性别 : 男, 浙江嵊州人, 西安电子科技大学在读博士生, 主要研究领域为毫米波收 / 发组件毫米波电路封装和毫米波无源元件的设计与建模研究地址 :ltxmj@sina.om

数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器

数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器数字带通带阻高通滤波器的设计把一个归一化原型模拟低通滤波器变换成另一个所需类型的模拟滤波器, 再将其数字化直接从模拟滤波器通过一定的频率变换关系完成所需类型数字滤波器的设计先设计低通型的数字滤波器, 再用数字频率变化方法将其转换成所需类型数字滤波器模拟原型方法 : 模拟低通 - 模拟带通 H ( j) H ( j) 3 3 3 模拟原型方法 : 模拟低通 - 模拟带通 H ( j) 模拟低通