黄昆，王雄师，黄明富，叶文生，沓世我

（1.广东风华高新科技股份有限公司，广东 肇庆 526020 2.新型电子元器件关键材料与工艺国家重点实验室，广东 肇庆 526020）

0 引言

现代移动通信系统是由GSM升级到了GPRS再到CDMA，频率也从 900 MHz，1.8 GHz，2.4 GHz升级到了现在的5G通信的低频段3.4-3.6GHz。与此相匹配发展的则是器件小型化与高性能的要求提升，其中5G通讯领域，多层陶瓷介质的无源器件，如滤波器上应用可以实现更小型化、集成化、设计更灵活的有点，受到了广泛的重视发展。为了器件小型化并降低损耗，同时又能得到更好品质的产品，必须对新材料新技术进行探索，其中低温共烧陶瓷（LTCC）技术具备较强的优势，它有着高频材料、厚膜技术、共烧技术等优点，没有昂贵重复的烧结制作流程，电路是在叠压后进行一次烧结，具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点[1-7]。

低温共烧陶瓷（LTCC）从技术层次上来说，能够提升滤波器的高频性能，并且让体积更小，但是器件内磁场分布难以确定，随着层数增加磁场也会变的更加复杂，所以此类器件的设计难度很大，并且在器件的生产过程中，也会受到各种因素影响，如流延出来的介质基片厚度不均，印刷叠层与热压造成错误，切片时偏差和器件变形，在共烧的时候收缩不均等等，都会导致器件的性能变差，对于器件的设计要求水准也自然需要提高，在设计中需要采用简洁的电路结构进而减少不必要的制作工艺环节，在设计中避免耦合间距过小，层次不宜过多等等。

并且，对于5G通讯而言，通讯信号为高频信号（例如2GHz以上）时，可能存在集总的电感和电容超过自谐振频率的情况，而影响集总式电路的设计效果，对此，也给器件设计提出了新的难度。综上，目前的5G通讯滤波器虽然可以有多种方式实现，但通过LTCC技术依旧难以实现。

本文旨在解决目前LTCC技术难以实现5G通讯的问题，提供一种适用于5G通讯的低插损、带外高抑制、高度集成的LTCC滤波器。

1 5G LTCC低通滤波器原理与设计

1.1 5G LTCC低通滤波器原理结构图

LTCC的设计过程中, 采用半集中形式的低通滤波器方案[8]。在设计中预先考虑到了工艺水平的因素，为了能够简化制备工艺，则将低通滤波器设计为了4阶，而且通孔和单层微带线部分，已经取代了传统上叠层电感部分[9]，设计中由电力进行串、并交叉连接谐振器构成，而低通滤波器等效电路如图1所示。

图1 低通滤波器等效电路图Fig 1 Equivalent circuit diagram of a low-pass filter

1.2 设计5G LTCC低通滤波器

本文所设计的一种低通滤波器采用了低温共烧陶瓷作为介质材料，其相对介电常数(εr=5.4)，相关低通滤波器的具体指标如表1。

表1 低通滤波器具体指标Tab 1 Low-pass filter specific indicators

1.3 有关于5G LTCC低通滤波器三维结构和仿真

本文所用的单层微带线和通孔柱能够取代下传统层叠电感部分的作用，异于LC滤波器电感部分要提高通孔实现不同电感层连接，而由于通孔柱使用对外界影响较为敏感，，因此对工艺精度要求较高，总体设计方针也要避免受到外界电磁场的干扰，所以还需要对设计进行如图2的优化。

图2 微带线三维模型图Fig.2 Three-dimensional model diagram of microstrip line

本文所采用的是垂直方向平板式电容，有着很多的特点，MIM电容层数越多越是节省面积，对元器件集成化、小型化意义很大，另外还有着谐振电容值大的缘故。电容层需要设置在微带线下面，电容前后通过引出电极接地，公式(1)是平行板电容的计算公式：

在公式里面n是电容极板数量。ε0是真空介电常数，εr是介质的相对介电常数；s是两极板的有效面积。d是两极板间的距离。用Ansoft HFSS对电容进行仿真，得到有效电容值由散色参数表示：

上面公式(1)、(2)平板面积S极其上下平板间距d，受到电容值的影响会最大，而同时面积越大层间距越小电容值也就越大，通过三维建模仿真软件建模仿真，电容部分三维结构如图3。

图3 电容部分三维结构图Fig.3 Three-dimensional structure diagram of capacitance part

图4 滤波器和测试版整体仿真结构图Fig.4 Filter and test version of the overall simulation structure diagram

考虑到测试和仿真的一致性以及滤波器性能的精度要求，本文建立了滤波器和测试版的整体模型进行设计仿真，如图4所示，此款滤波器输入输出没有采用传统封端形式实现，而是在底部安排了端口，这样进一步减小插入损耗；同时测试版结构采用CPWG结构，并结合滤波器输入输出端口实现了50欧姆的阻抗匹配，此设计测试版采用0.76mm的RO4350B，经过多次优化以及实际使用情况考量，对于微带线与电容尺寸进行微小的调整仿真得到仿真结果如图5。

图5 5G低通滤波器仿真结果图Fig.5 5G low-pass filter simulation result diagram

图6 LTCC工艺流程图Fig.6 LTCC process flow diagram

2 实现低通滤波器以及相关测试分析

以低温共烧陶技术制作的LTCC无通孔低通滤波器，其工艺流程如图6。

过程中扫陶瓷粉体还需要加入流延用粘合剂，并使用尼龙球磨罐以及使用氧化锆磨介，混料时间约1天，期间陶瓷粉体需要均匀分散，以使得浆料黏度适合，此外还需要注意陶瓷材料Z方向收缩率，在40%的时候需要使用流延工艺制成40µm生坯带；在优化好结构后，设计丝网时还需要生坯带在X和Y方向15%的收缩率，此外为了保证良好的微波性能，还需要使用丝网印刷工艺，在生坯带上印刷上电极。整个工艺流程是先以叠加、等静压、切割工艺进行成型处理，再以排胶、烧结工艺进行成瓷，之后再进行外电极的制备、外电极烧结、电镀以及相关测试，从而才能获得最终的产品，产品尺寸规格一般为7.5mm×4.5mm×1.0mm，低通滤波器的实物图如图7 所示。

通过矢量网络分析仪Agilent N5222A对制备的样品分析测试，获得了如图8所示的测试结果。

根据图8可知测试结果和仿真结果基本上是一致的，只存在很小的差异性，对此的影响因素有很多，如测试方面评估板加工精度不够、测试时校准不够精确；在工艺制作流程环节上分析，流延出的生瓷带会出现厚度不均的情况，印刷叠层，热压导致的错误，在切片时产生的偏差，器件的变形以及共烧时收缩不均匀；这器件叠层与共烧的影响最大。为解决问题需要提升评估板加工精度，提升工艺水平，提升测试校准的精确度，同时还要考虑到工艺的容错率，要避免耦合间距过小层数过多等情况，减少不必要的工艺环节，使用更为简洁的电路结构，而在本次的设计中没有通孔工艺，间接的降低了成本减少了偏差概率。

图7 5G低通滤波器实物图Fig.7 physical diagram of 5G low-pass filter

图8 5G低通滤波器测试结果Fig.8 5G Low pass filter test results

3 结论

以设计制作测试5G通信用的LTCC LPF的经验总结如下，此类滤波器采用了单层微带线与通孔柱进行结合，取代了传统上的多层螺旋电感结构，大大的简化了产品内部结构，缩小了产品尺寸，实现了超低插损、超高的带外抑制，解决了目前LTCC技术难以实现5G通讯滤波器的问题，滤波器在5G低频段3.4-3.6GHz的插入损耗为 0.41dB，在带外5.3-8 GHz的抑制均大于40dB。该滤波器适用于日益小型化的5G移动通信设备。