高 燕

（西安职业技术学院，陕西 西安 710077）

基于摩尔定律的科学预测与相关技术数据的有力支撑，芯片尺寸在实现用户需求的前提下，集成度和智能化程度越来越高，微型化、低功耗、低成本、高可靠成了电子整机的演进发展方向。低温共烧陶瓷技术(LTCC)是实现系统集成封装技术的重要途径，隶属多芯片组件技术一个重要分支，涵盖材料科学、电子线路、射频微波等，宽领域、多学科技术交叉融合，用LTCC 技术制成的高集成度的有源 / 无源（Active/Passive）功能模块，实现了高性能化的电子产品封装，属于主流应用的器件集成技术[1]。

1 微波滤波器

频率选择性，是指在一个或多个频带内信号能够顺利传输或有效衰减，这是滤波器的典型属性，在电路中应用广泛。微波滤波器作为滤波器的一种重要类型，在微波射频电路中砥柱中流，在无线通信领域功能显著。

伴随无线通信科学与技术发展演进，微波滤波器性能提升需求对用户来说也必然会水涨船高。设计者们需要不断设计开发更小体积、更高性能、更低成本的滤波器。本研究就是基于低温共烧陶瓷技术的高密度集成工艺技术，结合滤波器设计原理和指标要求，设计一款小型化高性能低通型滤波器[2]。

1.1 器件衰减特性之对比

对于我们常见的低通滤波器(LPF)，主要有3 种类型，分别是巴特沃兹型（Butterworth），在通带频响有最大平坦度，在阻带层次递减为零；椭圆函数型（Elliptic），在通、阻带纹波相同；还有切比雪夫型（Chebyshev），来自切比雪夫分布，在通、阻带上频响波纹波动相同。作为LPF，其主要功能就是滤除高频带干扰信号，使得低频段信号得到高可靠性传输。衡量判定LPF 性能优劣的一个重要指标，就是其在截止频率外是否能实现高抑制衰减率的陡峭特性。

图1 给出了巴特沃滋（Butterworth）LPF、椭圆函数（Elliptic）LPF 以及切比雪夫（Chebyshev）LPF 在同n、同fs 条件下，对S 参数进行Ansoft Designer 软件电路仿真，观察衰减差异性特征。

图1 三种响应衰减特性之对比

结合图1，Elliptic LPF 呈现出通带至阻带最陡峭的截至特性，经过很窄的过渡带的截止频率衰减率很高，且阻带存在传输零点；Butterworth LPF 通带纹波较好，然衰减特性不理想；Chebyshev LPF 衰减特性居中。巴特沃兹和切比雪夫滤波器全部传输零点均位于∞。比较而言，结合微波通信的技术指标要求，具有一定频带内的衰减陡峭特性必须放在首要地位，统筹来看，椭圆函数Elliptic 滤波器无疑是最优解。

1.2 Elliptic LPF（n=5、7、9）传输特性对比

出传输特性曲线见图2，显示了不同阶数椭圆函数LPF 差异性，阶数分别是n=5、7、9。从图2 中可以看出，5 阶阻带两个传输零点，最低的带外衰减特性；7阶阻带三个传输零点，衰减特性折中；而9 阶比7 阶阻带多一个传输零点，衰减率在fs 处最高，且具有极佳的抑制特性。

图2 Elliptic LPF（n=5、7、9）传输特性

总之，随着阶数n 的增加，椭圆函数LPF 阻带传输零点也随之增加；通带外衰减特性显著提升，传输零点个数也在阻带递增，抑制特性增强。结合设计要求，要实现fs 处衰减优异特性，阻带有较高的抑制度，提升滤波器的阶数n 是必然选择。但是方案设计总是伴随新的问题，那就是设计的理想化在实施实施的过程中，阶数的提升会导致滤波器元器件数量也会增多，使得设计和结构实现困难，滤波器实物产品体积大难集成，大幅提升制作成本。

1.3 滤波器设计相关指标

此款滤波器的设计指标参数见表1。在设计电路的过程中考虑电路特性和尺寸要求，基于低温共烧陶瓷的LTCC 技术，利用HFSS 这款3D 高频仿真软件，进行一种小型化高性能7 阶低通滤波器设计。指标要求：截止频率1.37 GHz 有3dB 衰减；1.66 GHz 处达到-40 dB 的衰减，且阻带衰减特性和高次谐波抑制特性都要好。

表1 滤波器设计指标参数

2 Elliptic LPF 基础设计

图3 7 阶Elliptic 低通滤波器电路原理图

调整LC 谐振腔中C 和L 值，可按序将传输零点对应排列。电路原理见图3，结合设计要求，为使谐振腔中、左、右分别生成第一、二、三传输零点。用公式可以表示为

支路中电感和谐振腔电感均采用平面螺旋结构。根据电路特性，谐振腔中电容值较大，因此设计版图面积会加大，设计难度提高。而基于LTCC 的多层基板技术，原有MIM 电容Co 可替换为两同值并联电容Cp。在图4中，根据公式Co=Cp+Cp，面积Sp 降为原来1/2，即Sp=1/2 So。

图4 MIM 电容设计结构图

本研究选用的LTCC 材料ε=7.8，tanδ=0.002，导线材料选用金属银，导线厚度为10 um。LPF 3D 模型设计为8 薄层加11 厚层共19 层，薄层分属上、下各4层，3 个电容放置其中；厚层放置7 个电感。设计模型尺寸为：3.5mm×2.3mm×1.6mm。其结构布局展示于表2、图5。

表2 Elliptic 滤波器结构布局

图5 Elliptic 滤波器3-D 结构图

滤波器3-D 外观图见图6，在PCB基板将滤波器其上，金属引线将信号T/R端口与PCB 板连接。微带线阻抗计算公式求解端口阻抗。为使滤波器与外电路无障碍连接，端口阻抗R0=50ohms。微带线阻抗计算公式（1）、（2）。其中W、H 和εr分别代表导线宽度、PCB 基板厚度和基板介电常数。

图6 滤波器3-D 外观图

这 里 选 用 εr为 3.47 的 Rogers RO4350 作 为PCB 基 板 材 料，H=0.509 mm，W=1.12 mm。通过公式（1）、（2）便可使端口阻抗为50ohms。滤波器S 参数测试结果见图7。

由图7 可知，在3 GHz 内的阻带，参数S21 曲线未实现-40 dB 衰减量，且在4.7 GHz 附近发生谐振，在通带内S11 参数大于-12 dB，使VSWR＞2。测试结果表明表1 设计指标要求未满足。

图7 S 参数测试结果

综合分析，原因有两点：

其一，寄生耦合效应普遍存在于内部元件之间；

其二，元件模型设计与实现间误差存在的必然性。

因此电路优化的关键就在于如何减小耦合效应、调整元件设计参数。

3 Elliptic LPF 优化设计

将谐振腔中的C 垂直于串联支路的相邻电感A、B，将电感C 居中，A、B 分居其上下相邻层，层间距85.8 um。但这种结构会使相邻层由于走线产生寄生电容，距离较近的相邻电感亦会催生紧耦合效应，影响电感值的精度，最终会导致设计的滤波器模型仿真与预期结果出现偏差，见图8、图9。

图8 L 耦合示意图

图9 螺旋L 耦合示意图

为避免以上现象，在保证L值不变的前提下，通过改变其内径、圈数，减少L 在上、下相邻层垂直方向的投影重合，进而降低层间L 寄生耦合效应。L 经过调整、优化结构之后，其模型和仿真曲线见图10、图11。

图10 调整后的螺旋L 示意图

图11 优化S 参数测试结果

从仿真曲线可以看出，调整优化目的达成，其结果可以满足表1 指标要求。

滤波器模型在优化结构前后的仿真结果对比见图12，推论得出在以下几个方面得到性能改善：

图12 结构优化前后的S 参数对比结果

（1） 回波损耗通带内从-7.8 dB 降到-12.3 dB。

（2） 阻带传输零点有4 个，衰减特性极佳。

（3） 在1.59 GHz-3.22 GHz 阻带内，抑制＞42 dB。

（4） 在3.22 GHz-6.00 GHz 阻带内，远端抑制＞32 dB。

现将测试结果总结如下：

通带内插入损耗=-0.6 dB，回波损耗=-11.5 dB，截止频率=1.35 GHz；阻带内第一零点f1=1.65 GHz，第二零点f2=1.85 GHz，第三零点f3=2.60 GHz，第四零点f4=4.6 GHz；在1.35 GHz 处fs外有270 MHz 的过渡带，能够实现超过-40 dB 衰减，在1.59 GHz-3.22 GHz 的频带内抑制大于40 dB，衰减效果甚为理想。通过对该LTCC 低通滤波器内部结构的优化，回避了寄生效应共生缺陷，实现了滤波器的高性能设计。

4 结论

基于LTCC 技术，设计了一款小型化高性能的7阶Elliptic LPF。结合目标要求，对模型结构进行优化设计，尽可能降低内部元件寄生耦合效应，使设计符合预期要求。经过优化，滤波器的体积为3.5mm×2.3mm×1.6mm，完全满足应用级产品相关指标要求，该滤波器可以用于抗混叠滤波和音频信号处理领域，发挥其重要作用及优势，满足用户需求。