小型化LTCC低通濾波器設計與制造工藝研究

　　1 引言

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

　　LTCC技術能夠充分利用三維空間，在基板內埋植電容、電感、天線、濾波器、功分器等無源器件，集成度高，尺寸小，射頻性能優良，利用LTCC這種可以多層結構埋植器件技術，可以很好地滿足設備小型化的要求。

　　LTCC一個重要應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)等規格。本文中提出的濾波器利用LTCC多層布線三維立體結構的特點，大大減小了器件的面積尺寸，平面尺寸只有3.2 mm×1.6 mm,達到了小型化的目的。

　　2 LTCC低通濾波器的設計

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

　　首先根據低通濾波器理想電路原理圖選定實際需要的元件值，通過ADS仿真軟件對電路模型進行優化，使電路仿真結果滿足需要。低通濾波器原理圖仿真結 果如圖2所示。根據公式計算得到其基本物理結構圖，然后在HFSS軟件里畫出物理結構，設定基板的介電常數、劃分網格、設置掃描頻率，仿真后得到S參數。 低通濾波器的截止頻率為900 MHz;通帶插損小于1 dB;通帶內端口駐波小于1.5;帶外抑制大于35 dB,@1.5 G.

　　本文設計的LTCC濾波器中的集總參數的電容和電感通過LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內部。LTCC內埋植電容的設計一般采用兩種方式：垂直交指 型(VIC)電容和金屬-介質-金屬(MIM)電容。本文設計的濾波器的內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 結構電容相比MIM結構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，本文設計的低通濾波器內埋植電感元件采用多層螺旋結構的電感，在相同的有效電感值下此結構比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結構具有更高的自諧振頻率和品質因子。

　　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，基板介質材料相對介電常數為7.8,介質損耗為0.006,共用到14層生瓷 片，其中第3層到第8層為多層螺旋結構的電感，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行三維電磁場仿真，該模型的三維電磁場仿真結果如圖5所示。