南京郵電大學(xué) 詹炳書 韋皓宇

由于毫米波在高頻率下較高的傳輸損耗和輻射損耗，微帶結(jié)構(gòu)和共面波導(dǎo)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求。要實現(xiàn)緊湊的電路模塊，關(guān)鍵是解決成本，體積和系統(tǒng)復(fù)雜度的問題?；刹▽?dǎo)技術(shù)是開發(fā)毫米波系統(tǒng)的很好的選擇?；刹▽?dǎo)是一種集成波導(dǎo)狀結(jié)構(gòu)，通過使用兩排接地圓柱或嵌入電介質(zhì)基板中的槽來制作，該電介質(zhì)基板被兩個連接的平行金屬板覆蓋。SIW結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似于經(jīng)典矩形波導(dǎo)的傳播特性且保留了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的大部分優(yōu)點，即具有高自由度電屏蔽的高品質(zhì)因數(shù)和高功率處理能力。由此，非平面矩形波導(dǎo)可以制成平面形式，與現(xiàn)有的平面處理技術(shù)（例如標準印刷電路板（PCB）或低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)）兼容。

LTCC的多層技術(shù)可以將器件集成到三維分布中，而且具有金屬損耗小，通孔小的良好頻率特性。本文介紹了LTCC技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上利用回波群時延法，結(jié)合HFSS電磁仿真軟件，設(shè)計了中心頻率在60Ghz的LTCC基片集成波導(dǎo)濾波器。可以預(yù)見，基于LTCC的SIW濾波器因其具有高頻率、體積小、易集成的特點，將廣泛應(yīng)用于毫米波電路中。

1.LTCC技術(shù)

1.1 LTCC技術(shù)的概念

LTCC結(jié)構(gòu)基于玻璃陶瓷絕緣帶。在生瓷帶上印制電路圖形，然后將這些層堆疊并燒結(jié)以形成穩(wěn)定的均勻結(jié)構(gòu)。如圖1所示。基材的尺寸和形狀根據(jù)不同的應(yīng)用進行設(shè)計，在燒結(jié)之前可以建立空腔和隧道。在上方和下方的接地片面使用金屬通孔與襯底形成隧道和柵欄，可以形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖1 熱壓燒結(jié)示意圖

LTCC具有約900℃的低燒制溫度的事實，因此可以使用良好的導(dǎo)電材料，例如銀和金來代替鉬和鎢（其必須與HTCC一起使用）。

1.2 LTCC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

LTCC是一種多層技術(shù)，已用于封裝集成電路（IC），并應(yīng)用于執(zhí)行器，傳感器和集成微系統(tǒng)，成本相對較低，生產(chǎn)效率高。LTCC技術(shù)的發(fā)明是為了滿足高性能，高速度和高密度MCM的要求，以實現(xiàn)功能性，可靠性和低成本的電子器件。

LTCC技術(shù)的歷史實際上可以追溯到20世紀80年代，當時Hughes和杜邦公司首先將其用于軍事應(yīng)用[1,2]。后來，當LTCC膠帶制造商在20世紀80年代后期與包裝公司合作時，LTCC技術(shù)的發(fā)展得到了加速，隨后在汽車工業(yè)和航空電子設(shè)備中商業(yè)化[3]。基于LTCC的MCIC在諸如手機（0.9-2GHz），無線本地網(wǎng)絡(luò)，藍牙（2.4GHz），全球定位系統(tǒng)（GPS，1.6GHz），寬帶接入連接系統(tǒng)（5.8GHz）等消費電子行業(yè)中取得了快速增長。

LTCC技術(shù)的不斷發(fā)展使其在微波和毫米波頻段的應(yīng)用越來越具有吸引力。LTCC基板材料可將該技術(shù)的適用頻率延長至100GHz。由于具有低導(dǎo)體損耗，低基板損耗和多達50個層壓層的特點，LTCC為嵌入式微波和毫米波無源元件及附件（包括天線）提供諧波床。另外，LTCC襯底材料具有寬可調(diào)的熱膨脹系數(shù)范圍。正是這一特點使得LTCC基板對各種集成封裝非常有吸引力[4]。

2.利用回波群延時法設(shè)計濾波器

微波濾波器的設(shè)計基于成熟的技術(shù)，低通帶通變換是最常見的濾波器設(shè)計方法[5]。對于小到中等帶寬的濾波器，耦合諧振器實現(xiàn)特定響應(yīng)的具有合理的數(shù)學(xué)和實踐基礎(chǔ)。一旦確定了諧振腔，只需設(shè)置耦合大小即可生成濾波器響應(yīng)。因此，即使對于非?？量痰囊?guī)格，適當耦合的同步調(diào)諧的諧振腔也可以實現(xiàn)大部分所需的濾波器特性。對于相當大范圍的微波諧振器，可以從文獻中獲得耦合值的計算方法，并且使用商業(yè)軟件的數(shù)值技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)。即便如此，由于諧振器和耦合配置的種類繁多，以及常用于簡化分析的近似值，仍然經(jīng)常需要憑經(jīng)驗確定耦合值。本文利用反射信號的耦合和群延遲之間的簡單關(guān)系，直接設(shè)置耦合值并實時調(diào)整諧振頻率使用低通到帶通的標準耦合諧振濾波器設(shè)計方法如圖1所示。連接線與輸入和輸出諧振器之間的耦合（稱為外部Q值或Qe）以及諧振器Kij之間的耦合很容易根據(jù)原型g值和相對帶寬來規(guī)定。

隨著連續(xù)諧振器被調(diào)諧到諧振，可以從反射信號確定QE和Kij。這些參數(shù)通過相當簡單的方程與相位和群延遲響應(yīng)相關(guān)。群延遲被定義為：

可以直接從等效電路或低通原型計算S_11的群時延。低通原型的計算能夠使群延時直接用歸一化的g值和帶通濾波器的帶寬表示。在這種情況下，

其 中低 通 原 型S11的 相 位(rad)，是低通原型的角頻率經(jīng) 過 標準的低通-帶通變換：

ω0=帶通濾波器的中心頻率，ω1是帶通濾波器的下邊沿頻率，ω2是帶通濾波器的上邊沿頻率。ω0、ω1、ω2可以根據(jù)濾波器響應(yīng)類型而不同地定義。則群時延可表示如下：

當?shù)谝粋€諧振器以外的所有諧振器全部處于失諧狀態(tài)，有：

用Qe表示群時延：

下面考慮低通原型中第二個元件g2接地，即除了第一個和第二個諧振器以外所有諧振器處于短路狀態(tài)，可以推導(dǎo)出：

其中表示諧振器1與諧振器2間的耦合系數(shù)。

運用這種方法，依次短路余下的諧振器，可推導(dǎo)出對應(yīng)的群時延。圖2給出了N=6以下的S11的群時延：

圖2 中心頻率的群時延

利用上述方法，使用HFSS設(shè)計了一款中心頻率在60G，帶寬為2Ghz的SIW濾波器。濾波器使用4層LTCC Ferro A6M基板設(shè)計，相對介電常數(shù)和損耗角正切分別為5.8和0.002。為了盡量減小諧振腔體積，采用TE101諧振模式。整體濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 SIW濾波器加工結(jié)構(gòu)

圖4 濾波器頻率響應(yīng)

從圖4可以得出，我們所設(shè)計的SIW腔體濾波器的中心頻率f0=60GHz,相對帶寬FBW=3.3%，最小插入損耗小于1.2dB，回波損耗大于24dB。

3.總結(jié)

本文簡要介紹了LTCC的發(fā)展歷史和技術(shù)優(yōu)勢，對回波群延時法進行說明，給出了將中心頻率處的群延遲與低通原型值以及耦合系數(shù)相關(guān)聯(lián)的簡單方程。設(shè)計了59GHz-61GHz的基于LTCC的SIW濾波器，應(yīng)用回波群延時法降低了設(shè)計復(fù)雜度，提高了設(shè)計效率。

[1]C.Harper,Electronic Materials and Processes Handbook.New York,NY,USA:McGraw-Hill,2003.

[2]M.R.Gongora-Rubio,“Non-packaging applications of LTCC technology,”presented at the Conf.Panamerican Advanced Studies Institute,Micro-electro Mechanical Systems,San Carlos de Bariloche,Argentina,Jun.2004

[3]S.Annas,”Advances in low temperature co-fired ceramic(LTCC)for ever increasing microelectronic applications,”in Proc.53rd Electron.Compon.Technol.Conf.,2003,pp.1691-1693.

[4]V.Sunappan,A.Periannan,C.K.Meng,and W.C.Khuen,”Process issues and characterization of LTCC substrates,”in Proc.54th Electron.Compon.Technol.Conf.,2004,1932,pp.1933-1937.

[5]G.Mathaei,L.Young,and E.M.T.Jones,Microwave Filters,Impedance Matching Networks and Coupling Structures.Norwood,MA:Artech House,1980.

[6]K.S.Chin,C.C.Chang,C.H.Chen,Z.Guo,D.Wang and W.Che,”LTCC Multilayered Substrate-Integrated Waveguide Filter With Enhanced Frequency Selectivity for System-in-Package Applications,”in IEEE Transactions on Components,Packaging and Manufacturing Technology,vol.4,no.4,pp.664-672,April 2014.