一种LTCC滤波器的快速设计与实现

李 菁，刘培文

(北京航天发射技术研究所，北京 100071)

0 引言

滤波器[1]作为高频电路中的重要组成部分，常用于对特定频段内信号的选取，同时对带外杂波和谐波信号具有一定的抑制作用。集总参数形式的LC滤波器是一种较为常见的滤波器的类型[2]。LC滤波器多由电容、电感和电阻按照设计方法进行排布[3]，使其对信号具有频率选择性。但LC滤波器由于其组成结构及连接方式，限制了其发展：组成滤波器的片式元件封装尺寸较大且不易减小；单个元件的实际工作值与理论值具有偏差；片式器件连接焊点及器件间的连线使滤波器对潮湿、氧化和振动等环境的抵抗能力及稳定性进一步下降[4]。

低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技术是一种多层陶瓷技术[5]，具有三维立体布线的特点[6]，同时可以将无源元件内埋置入多层陶瓷的内部[7]，从而实现无源器件和电路的小型化和集成化[8]。利用LTCC技术进行LC滤波器设计[9]，可以将原有滤波器的平面结构立体化[10]。基于LTCC多层技术的技术特点，通过堆叠结构实现电容[11]，通过螺旋耦合线形式实现电感，再利用LTCC走线的垂直互联性，从而完成滤波器的设计[12-13]。LTCC技术使滤波器设计更加紧凑，同时减少原有LC滤波器单个元件性能差异的影响和各元件间连线的影响，提高滤波器的稳定性，同时大大减小了滤波器的体积[14-16]。

1 LTCC滤波器设计原理

LTCC技术实际上是一种新型的三维电路实现形式。对于采用集总参数实现的LC滤波器，首先要做的就是根据指标要求利用成熟的LC滤波器技术对滤波器进行设计，确定各元件参数值及排列方式。其次是根据LTCC三维布线和垂直互联的特点，分别对滤波器电路中的电感、电容等元件进行逐一设计。最后，将设计得到的电感、电容等元件通过合理的布局设计，相互连接构成滤波器电路，实现LTCC滤波器[17]。

1.1 LTCC中电容的实现

电容器是实现滤波器电路的主要元件，LTCC技术中的电容器主要采用平行板结构(Metal-Insulator-Metal，MIM)和垂直堆叠结构(Vertically Interdigitated Capacitor，VIC)2种[18-20]，常用结构如图1所示。

(a) 内埋置MIM电容器 (b) 内埋置VIC电容器图1 2种内埋置电容器结构示意

在实现相同电容值的情况下，MIM结构电容器面积较大，所占层数较少。而VIC结构电容器在外部Q值和SRF谐振频率方面更具优势，但VIC所用层数较多，提高了设计难度和工艺的复杂性。在实际电路的设计中，需要根据滤波器的结构和参数值，对这2种结构进行衡量，选用适宜的结构进行电容器的设计。

无论选择哪种结构进行电容器设计，都需要对电容元件的相关参数进行提取。把电容器当作一个两端口网络，通过对其特性参数的提取，得到电容器结构尺寸的准确设计。

有效电容值Ceff和品质因数Q是表征电容器性能的2个重要参数，它们可以由二端口网络参数得出，即

(1)

(2)

式中，ω为角频率；Y11(ω)为二端口网络的导纳参数；Zin为输入阻抗。

有效电容值和品质因数随频率变化的曲线如图2所示。当设计的LTCC电容器特性参数曲线同理论计算曲线相符合时，就得到了适宜的电容器结构参数。

图2 电容器特性参数随频率的变化

1.2 LTCC中电感的实现

在LTCC技术中实现集总电感元件的方法有很多，常见的有以下几种形式：平面结构电感器和多层电感器，如图3所示。平面结构电感器适用于电感值较小的情况，其所占面积较大。更为常用的是多层结构形式的电感，特别是三维螺旋式电感能利用LTCC多层立体结构的特点，有效提高电感值和品质因数，同时在结构上更为紧凑，有效地减少了寄生参数的干扰[21-23]。

图3 常见的LTCC电感器实现形式

对电感器的设计采用与电容器设计相同的思路，把电感当作一个两端口网络，通过提取电感的特性参数，得到电感器模型在LTCC中的准确尺寸。电感器的主要特性参数有有效电感量Leff和品质因数Q，即

(3)

(4)

电感器类型多样，等效电路形式较多，同时由于在结构上的复杂性，带来的寄生电容和等效串并联电阻不容忽视，对电感器准确建模带来了挑战。

2 LTCC滤波器的仿真设计

利用单层介质厚度为0.1 mm，相对介电常数ε=5.9的基板材料Ferro A6M，依据上述设计方法设计了截止频率fc=1.5 GHz的低通滤波器。滤波器采用5阶切比雪夫型函数进行设计。在ADS软件中完成滤波器等效原理图设计，C1=C2=3 pF，L1=L3=7 nH，L2=12 nH，如图4所示。

图4 LTCC低通滤波器等效原理

滤波器采用对称结构进行设计，元件布局清晰，元件间相互影响较少，适宜LTCC三维布局设计，其等效原理图S参数ADS软件仿真曲线如图5所示，可以看出滤波器通带范围DC -1.5 GHz，在2.5 GHz处衰减30 dB。

图5 LTCC低通滤波器等效原理图S参数仿真曲线

根据图4所示的等效电路，利用HFSS软件进行三维建模，通过提取特性参数的方式，在LTCC三维结构中分别实现3个电感和2个电容元件，并通过合理的布局排布，完成LTCC滤波器紧凑的三维立体模型的建立。

电容器由于电容值为3 pf，容值较小，采用单层电容板结构进行设计，根据图1中的VIC电容器结构在HFSS中进行建模，参考单层平面电容器的计算式(5)，ε0为空气中的介电常数，εr为两平行板间填充的介质材料的相对介电常数，d为两平行板间的距离，即

(5)

单层电容板结构电容仿真模型三维结构如图6所示，介质层选用3层介质层，厚度为0.3 mm。特性参数提取曲线如图7所示。优化后得到3 pf单层电容具体尺寸为2.5 mm×1.8 mm。

图6 单层电容三维结构模型

图7 电容模型提取的有效电容值

电感采用图3所示的三维螺旋式电感进行设计，由于电感建模复杂，采用类比的方式，参考已有设计，通过电感值的比较，对应修改电感结构参数，得到近似的电感模型，再利用HFSS进行参数优化得到准确的电感结构参数。以实现12 nH的电感设计为例，文献[23]给出了有效电感值为4.7 nH的4层三维螺旋式电感结构设计参数，通过增加绕线线宽、绕线线长并减小同层金属线距离的方式，可以增大电感有效值，得到需要的电感设计。

12 nH的电感采用4层三维螺旋式立体结构实现，其三维仿真模型如图8所示，也是通过提取电感的特性参数，如图9所示。电感结构具体尺寸：W1=0.2 mm，S1=S2=1.1 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。以同样的方式，也可以得到7 nH的电感模型参数，7 nH电感采用2层圆螺旋立体结构，具体尺寸：W2=0.2 mm，S1=S2=1.5 mm，Ht=0.1 mm，Hg=0.3 mm。

图8 电感三维结构

图9 电感模型提取的有效电感值

将设计得到的电感和电容模型，按照图4的滤波器电路等效原理图进行空间布局，在HFSS中进行建模，如图10所示。通过图10(b)侧视图可以看出，在12层滤波器结构中，1～6层为电感层，8～11层为电容层，第11层为地层。利用地层与电容板间耦合，形成额外的电容板层，有效地减小了电容器面积，电容器面积为1.6 mm×0.8 mm。电感元件间间距较大，能有效避免相互间的干扰，同时将电容元件与电感元件隔离开，有效地减小了寄生电容的出现。

(a) LTCC滤波器HFSS三维结构模型

(b) LTCC滤波器三维模型侧视图图10 LTCC滤波器三维结构

最后利用HFSS仿真优化功能，对滤波器进行整体优化，经过优化后的仿真结果如图11所示。仿真结果显示，在滤波器截止频率1.5 GHz处衰减为-0.3 dB，在2.5 GHz处衰减大于30 dB，在3 GHz处约为52 dB，仿真结果与滤波器等效原理图仿真结果相一致。设计完成的LTCC滤波器尺寸为：6 mm×2.2 mm×1.3 mm。

图11 LTCC滤波器仿真结果

3 测试结果

滤波器的测试结果如图12所示，可以看出滤波器的截止频率为1.5 GHz，在1.5 GHz处衰减约为-1.5 dB，在2.5 GHz处衰减达到30 dB。滤波器测试结果与仿真结果一致，证明这种LTCC滤波器的快速设计方法具有一定的工程价值。

图12 LTCC滤波器测试结果

4 结束语

本文着重介绍了一种集总参数形式的LTCC低通滤波器的设计过程。利用平行电容板的计算公式完成电容建模，利用类比的方法完成电感的建模，再利用HFSS软件，通过提取元件的特性参数的方式，快速而有效地获得元件模型的具体参数。再利用三维立体布线的优点，将设计完成的各元件进行合理三维立体布局，从而快速有效地完成整个滤波器的设计，降低了设计中的计算复杂性，缩短了设计周期，为LTCC滤波器的设计提供了一种新的设计思路与方法。

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