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06-18
0 简介 现代移动通信系统已经从 GSM 发展到 GPRS 再到 CDMA，频率也从数百 Hz 提高到现在的 MHz、1.8 GHz、2.4 GHz、5.8 GHz 甚至更高。
与此同时，对器件小型化、高性能的要求不断提高。
在微波频段，多层陶瓷电介质的无源器件，例如滤波器，由于其小型化、易于集成、设计灵活等优点而受到越来越多的关注。
为了在器件小型化的同时降低损耗并获得更高的品质因数，需要寻求新的材料和技术。
在众多微波介质板中，LTCC比HTCC（高温共烧陶瓷）更有优势。
它结合了共烧技术和厚膜技术的优点，减少了昂贵且重复的烧结过程。
所有电路一次层压、热压、烧结，节省时间、降低成本、缩小电路尺寸；对于射频微波领域来说，更重要的是具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。
因此，LTCC已成为民用和军用电子系统的理想材料。
目前，基于LTCC技术的微波器件已开始应用于手机、小灵通、无绳电话等各种移动通信设备中。
它们在蓝牙、无线 LAN 卡和天线开关等模块中也很有用。
低温陶瓷共烧（LTCC）技术采用厚膜材料。
根据预先设计的布局图案和堆叠顺序，将金属电极材料和陶瓷材料一次性共烧结，得到所需的无源器件和模块组件。
金属条的堆叠技术可以轻松实现层间的电容和电感耦合。
利用交叉电容耦合方法，可以在阻带内获得可以改善传输特性的传输零点。
另外，LTCC采用高导电率的金、银等金属作为导电介质，在烧结过程中不会被氧化，因此无需电镀保护； LTCC陶瓷基板的成分是可变的，根据不同的成分可以产生不同的电性能。
采用介电材料，各参数可以在一定范围内调整，从而增加了设计的灵活性。
l 多层滤波器结构及原理 经典的滤波器设计理论已经比较成熟。
多层介质滤波器采用堆叠电路结构来实现滤波电路的功能。
该技术不仅使滤波器尺寸较小，具有良好的高频性能，但器件内部电磁场的分布很难确定，并且随着层数的增加而变得更加复杂。
图1显示了多层介质滤波器的一般结构。
图1中，微带电路（黑色部分）印刷在LTCC基板（灰色部分）上。
上下两层是屏蔽层，中间是起到滤波作用的电路结构（通常称为电路层）。
具体样式和图案层数取决于设计的滤波器参数（如中心频率、通带插入损耗、阻带衰减等）。
诸如天线和平衡或不平衡转换器（巴伦）之类的微波组件可以通过相同的方式获得。
在LTCC的设计过程中，更常见的是使用集总元件设计电容耦合带通滤波器。
考虑到LTCC工艺制造的容易性，滤波器一般不超过3阶。
由集总元件组成的带通滤波器电路由串联和并联交叉连接的谐振器组成。
在此，LTCC 技术与带通滤波器相结合，使用带通滤波器理论产生三个额外的传输零点。
这里给出了过滤器的主要技术指标。
通过研究LC带通滤波器的等效电路，利用三维电磁仿真软件HFSS对滤波器进行仿真和优化。
以二阶耦合谐振带通滤波器为原型，其为电感耦合π型结构。
在此核心电路的基础上，增加了匹配电容CI、接地电感LG、并联电容Cp。
该电路可以产生三个传输零点，等效电路结构如图2所示。
设计传输零点的原因是目前无线系统应用较多，且各个系统使用的频段非常接近，这使得彼此之间很容易造成干扰。
因此，可以通过设计传输零点来减少系统之间的干扰。
该电路可以合成大电容和小电感。
Cs在PF量级，Ls在0.1nH量级，因此更适合低温共烧陶瓷基板。
2 LTCC多层滤波器工艺现已问世 滤波器介质层材料采用ULF微波介质陶瓷，相对介电常数εr=13.4，品质因数Q>2，频率温度系数τF≈0，银电极用作内部和外部电极材料。
该器件的多层结构设计采用微带线构成两级谐振器，耦合电容层C12输入/输出电容与耦合电容同层。
材料介电常数每变化 2.5%，中心频率就会移动 32 到 42 MHz。
由于层间耦合电容和负载电容随着介电常数的增大而增大，因此器件的中心频率会随着介电常数的增大而降低，中心频率会向低频移动。
因此，在设计滤波器时，需要对性能留有余量。
本文使用HFSS来模拟滤波器结构。
图3显示了设计中广泛使用的带状线结构滤波器，由3个图案层组成。
同时，从图中可以看出，这是一个两级谐振滤波器，两个谐振单元的结构是相同的，并且通过电磁耦合进行连接。
由于多层陶瓷微波滤波器采用非铁磁介质，级间耦合主要通过电容耦合实现。
因此，在讨论耦合情况时，仅考虑电容耦合。
经过实验分析，滤波器谐振单元的电感L由导体N的自感LN提供，谐振单元的谐振电容由导体N的自电容CN和耦合提供。
在导体N与导体R以及导体N与导体S之间。
设置有电容器CR和CS。
谐振单元之间的耦合电容由两个谐振单元中对应的N-N、R-R、S-S之间各自的耦合电容之和组成。
这样，通过求解所有导体形成的电容和电感矩阵，得到各个参数的具体值，然后通过等效电路的电路分析得到滤波器的响应。
LTCC片式滤波器的加工生产必须经过流延、钻孔、通孔填充、印刷电极、层压和等静压、切片、共烧等工序。
控制工艺精度的能力是生产出合格器件的保证。
实际生产的LTCC片式滤波器尺寸为3.75mm×1.38mmX 0.97mm。
仿真电性能参数和实际生产的样品电性能参数如表1所示。
样品测试所用仪器为Agilent EB矢量网络分析仪。
从表1可以看出，模拟值与实际值比较接近，但也存在一定的差异。
导致器件性能不佳的因素有很多，例如铸造介电基板的厚度不一致。
印刷层压和热压引起的错位、切片时的偏差、共烧时器件变形和收缩不均等。
解决这些问题除了提高技术水平外，前期良好的设计也是途径之一来解决它们。
例如，在设计时，尽量避免耦合间距过小和层数过多。
同时应采用简单的电路结构，减少不必要的工艺。
3 结论 设计中心频率为2.45 GHz。
具有 3 个传输零点的 LTCC 二阶电感耦合带通滤波器。
采用一套合成滤波器的分析方法，给出电路元件的各种数值，利用电路和电磁仿真软件合成性能良好的滤波器。
与传统分立器件相比，基于LTCC技术的多层滤波器具有体积小、重量轻、性能好等诸多优点。
本文给出的过滤器性能表现良好。
只要能够预设两个反射零点和两个匹配品质因数，就可以有效地合成每个设备的值。
设计具有一定的灵活性，可以根据不同的要求进行调整。
滤波器规格设置了不同的参数，在无线系统中有很好的实用价值。
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