黃昆，王雄師，黃明富，葉文生，沓世我

（1.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司，廣東 肇慶 526020 2.新型電子元器件關(guān)鍵材料與工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 肇慶 526020）

0 引言

現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)是由GSM升級(jí)到了GPRS再到CDMA，頻率也從 900 MHz，1.8 GHz，2.4 GHz升級(jí)到了現(xiàn)在的5G通信的低頻段3.4-3.6GHz。與此相匹配發(fā)展的則是器件小型化與高性能的要求提升，其中5G通訊領(lǐng)域，多層陶瓷介質(zhì)的無源器件，如濾波器上應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更小型化、集成化、設(shè)計(jì)更靈活的有點(diǎn)，受到了廣泛的重視發(fā)展。為了器件小型化并降低損耗，同時(shí)又能得到更好品質(zhì)的產(chǎn)品，必須對(duì)新材料新技術(shù)進(jìn)行探索，其中低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，它有著高頻材料、厚膜技術(shù)、共燒技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，沒有昂貴重復(fù)的燒結(jié)制作流程，電路是在疊壓后進(jìn)行一次燒結(jié)，具有高品質(zhì)因數(shù)、高穩(wěn)定性、高集成度等優(yōu)點(diǎn)[1-7]。

低溫共燒陶瓷（LTCC）從技術(shù)層次上來說，能夠提升濾波器的高頻性能，并且讓體積更小，但是器件內(nèi)磁場分布難以確定，隨著層數(shù)增加磁場也會(huì)變的更加復(fù)雜，所以此類器件的設(shè)計(jì)難度很大，并且在器件的生產(chǎn)過程中，也會(huì)受到各種因素影響，如流延出來的介質(zhì)基片厚度不均，印刷疊層與熱壓造成錯(cuò)誤，切片時(shí)偏差和器件變形，在共燒的時(shí)候收縮不均等等，都會(huì)導(dǎo)致器件的性能變差，對(duì)于器件的設(shè)計(jì)要求水準(zhǔn)也自然需要提高，在設(shè)計(jì)中需要采用簡潔的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)而減少不必要的制作工藝環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)中避免耦合間距過小，層次不宜過多等等。

并且，對(duì)于5G通訊而言，通訊信號(hào)為高頻信號(hào)（例如2GHz以上）時(shí)，可能存在集總的電感和電容超過自諧振頻率的情況，而影響集總式電路的設(shè)計(jì)效果，對(duì)此，也給器件設(shè)計(jì)提出了新的難度。綜上，目前的5G通訊濾波器雖然可以有多種方式實(shí)現(xiàn)，但通過LTCC技術(shù)依舊難以實(shí)現(xiàn)。

本文旨在解決目前LTCC技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)5G通訊的問題，提供一種適用于5G通訊的低插損、帶外高抑制、高度集成的LTCC濾波器。

1 5G LTCC低通濾波器原理與設(shè)計(jì)

1.1 5G LTCC低通濾波器原理結(jié)構(gòu)圖

LTCC的設(shè)計(jì)過程中, 采用半集中形式的低通濾波器方案[8]。在設(shè)計(jì)中預(yù)先考慮到了工藝水平的因素，為了能夠簡化制備工藝，則將低通濾波器設(shè)計(jì)為了4階，而且通孔和單層微帶線部分，已經(jīng)取代了傳統(tǒng)上疊層電感部分[9]，設(shè)計(jì)中由電力進(jìn)行串、并交叉連接諧振器構(gòu)成，而低通濾波器等效電路如圖1所示。

圖1 低通濾波器等效電路圖Fig 1 Equivalent circuit diagram of a low-pass filter

1.2 設(shè)計(jì)5G LTCC低通濾波器

本文所設(shè)計(jì)的一種低通濾波器采用了低溫共燒陶瓷作為介質(zhì)材料，其相對(duì)介電常數(shù)(εr=5.4)，相關(guān)低通濾波器的具體指標(biāo)如表1。

表1 低通濾波器具體指標(biāo)Tab 1 Low-pass filter specific indicators

1.3 有關(guān)于5G LTCC低通濾波器三維結(jié)構(gòu)和仿真

本文所用的單層微帶線和通孔柱能夠取代下傳統(tǒng)層疊電感部分的作用，異于LC濾波器電感部分要提高通孔實(shí)現(xiàn)不同電感層連接，而由于通孔柱使用對(duì)外界影響較為敏感，，因此對(duì)工藝精度要求較高，總體設(shè)計(jì)方針也要避免受到外界電磁場的干擾，所以還需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行如圖2的優(yōu)化。

圖2 微帶線三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model diagram of microstrip line

本文所采用的是垂直方向平板式電容，有著很多的特點(diǎn)，MIM電容層數(shù)越多越是節(jié)省面積，對(duì)元器件集成化、小型化意義很大，另外還有著諧振電容值大的緣故。電容層需要設(shè)置在微帶線下面，電容前后通過引出電極接地，公式(1)是平行板電容的計(jì)算公式：

在公式里面n是電容極板數(shù)量。ε0是真空介電常數(shù)，εr是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；s是兩極板的有效面積。d是兩極板間的距離。用Ansoft HFSS對(duì)電容進(jìn)行仿真，得到有效電容值由散色參數(shù)表示：

上面公式(1)、(2)平板面積S極其上下平板間距d，受到電容值的影響會(huì)最大，而同時(shí)面積越大層間距越小電容值也就越大，通過三維建模仿真軟件建模仿真，電容部分三維結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 電容部分三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Three-dimensional structure diagram of capacitance part

圖4 濾波器和測試版整體仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Filter and test version of the overall simulation structure diagram

考慮到測試和仿真的一致性以及濾波器性能的精度要求，本文建立了濾波器和測試版的整體模型進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，如圖4所示，此款濾波器輸入輸出沒有采用傳統(tǒng)封端形式實(shí)現(xiàn)，而是在底部安排了端口，這樣進(jìn)一步減小插入損耗；同時(shí)測試版結(jié)構(gòu)采用CPWG結(jié)構(gòu)，并結(jié)合濾波器輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)了50歐姆的阻抗匹配，此設(shè)計(jì)測試版采用0.76mm的RO4350B，經(jīng)過多次優(yōu)化以及實(shí)際使用情況考量，對(duì)于微帶線與電容尺寸進(jìn)行微小的調(diào)整仿真得到仿真結(jié)果如圖5。

圖5 5G低通濾波器仿真結(jié)果圖Fig.5 5G low-pass filter simulation result diagram

圖6 LTCC工藝流程圖Fig.6 LTCC process flow diagram

2 實(shí)現(xiàn)低通濾波器以及相關(guān)測試分析

以低溫共燒陶技術(shù)制作的LTCC無通孔低通濾波器，其工藝流程如圖6。

過程中掃陶瓷粉體還需要加入流延用粘合劑，并使用尼龍球磨罐以及使用氧化鋯磨介，混料時(shí)間約1天，期間陶瓷粉體需要均勻分散，以使得漿料黏度適合，此外還需要注意陶瓷材料Z方向收縮率，在40%的時(shí)候需要使用流延工藝制成40μm生坯帶；在優(yōu)化好結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)絲網(wǎng)時(shí)還需要生坯帶在X和Y方向15%的收縮率，此外為了保證良好的微波性能，還需要使用絲網(wǎng)印刷工藝，在生坯帶上印刷上電極。整個(gè)工藝流程是先以疊加、等靜壓、切割工藝進(jìn)行成型處理，再以排膠、燒結(jié)工藝進(jìn)行成瓷，之后再進(jìn)行外電極的制備、外電極燒結(jié)、電鍍以及相關(guān)測試，從而才能獲得最終的產(chǎn)品，產(chǎn)品尺寸規(guī)格一般為7.5mm×4.5mm×1.0mm，低通濾波器的實(shí)物圖如圖7 所示。

通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent N5222A對(duì)制備的樣品分析測試，獲得了如圖8所示的測試結(jié)果。

根據(jù)圖8可知測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本上是一致的，只存在很小的差異性，對(duì)此的影響因素有很多，如測試方面評(píng)估板加工精度不夠、測試時(shí)校準(zhǔn)不夠精確；在工藝制作流程環(huán)節(jié)上分析，流延出的生瓷帶會(huì)出現(xiàn)厚度不均的情況，印刷疊層，熱壓導(dǎo)致的錯(cuò)誤，在切片時(shí)產(chǎn)生的偏差，器件的變形以及共燒時(shí)收縮不均勻；這器件疊層與共燒的影響最大。為解決問題需要提升評(píng)估板加工精度，提升工藝水平，提升測試校準(zhǔn)的精確度，同時(shí)還要考慮到工藝的容錯(cuò)率，要避免耦合間距過小層數(shù)過多等情況，減少不必要的工藝環(huán)節(jié)，使用更為簡潔的電路結(jié)構(gòu)，而在本次的設(shè)計(jì)中沒有通孔工藝，間接的降低了成本減少了偏差概率。

圖7 5G低通濾波器實(shí)物圖Fig.7 physical diagram of 5G low-pass filter

圖8 5G低通濾波器測試結(jié)果Fig.8 5G Low pass filter test results

3 結(jié)論

以設(shè)計(jì)制作測試5G通信用的LTCC LPF的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下，此類濾波器采用了單層微帶線與通孔柱進(jìn)行結(jié)合，取代了傳統(tǒng)上的多層螺旋電感結(jié)構(gòu)，大大的簡化了產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮小了產(chǎn)品尺寸，實(shí)現(xiàn)了超低插損、超高的帶外抑制，解決了目前LTCC技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)5G通訊濾波器的問題，濾波器在5G低頻段3.4-3.6GHz的插入損耗為 0.41dB，在帶外5.3-8 GHz的抑制均大于40dB。該濾波器適用于日益小型化的5G移動(dòng)通信設(shè)備。