V波段L T C C滤波器设计

南京邮电大学 詹炳书 韦皓宇

由于毫米波在高频率下较高的传输损耗和辐射损耗，微带结构和共面波导已经无法满足现代通信系统的要求。要实现紧凑的电路模块，关键是解决成本，体积和系统复杂度的问题。基片集成波导技术是开发毫米波系统的很好的选择。基片集成波导是一种集成波导状结构，通过使用两排接地圆柱或嵌入电介质基板中的槽来制作，该电介质基板被两个连接的平行金属板覆盖。SIW结构表现出类似于经典矩形波导的传播特性且保留了传统金属波导的大部分优点，即具有高自由度电屏蔽的高品质因数和高功率处理能力。由此，非平面矩形波导可以制成平面形式，与现有的平面处理技术（例如标准印刷电路板（PCB）或低温共烧陶瓷（LTCC）技术）兼容。

LTCC的多层技术可以将器件集成到三维分布中，而且具有金属损耗小，通孔小的良好频率特性。本文介绍了LTCC技术，并在此基础上利用回波群时延法，结合HFSS电磁仿真软件，设计了中心频率在60Ghz的LTCC基片集成波导滤波器。可以预见，基于LTCC的SIW滤波器因其具有高频率、体积小、易集成的特点，将广泛应用于毫米波电路中。

1.LTCC技术

1.1 LTCC技术的概念

LTCC结构基于玻璃陶瓷绝缘带。在生瓷带上印制电路图形，然后将这些层堆叠并烧结以形成稳定的均匀结构。如图1所示。基材的尺寸和形状根据不同的应用进行设计，在烧结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属通孔与衬底形成隧道和栅栏，可以形成波导结构。

图1 热压烧结示意图

LTCC具有约900℃的低烧制温度的事实，因此可以使用良好的导电材料，例如银和金来代替钼和钨（其必须与HTCC一起使用）。

1.2 LTCC技术的发展和应用

LTCC是一种多层技术，已用于封装集成电路（IC），并应用于执行器，传感器和集成微系统，成本相对较低，生产效率高。LTCC技术的发明是为了满足高性能，高速度和高密度MCM的要求，以实现功能性，可靠性和低成本的电子器件。

LTCC技术的历史实际上可以追溯到20世纪80年代，当时Hughes和杜邦公司首先将其用于军事应用[1,2]。后来，当LTCC胶带制造商在20世纪80年代后期与包装公司合作时，LTCC技术的发展得到了加速，随后在汽车工业和航空电子设备中商业化[3]。基于LTCC的MCIC在诸如手机（0.9-2GHz），无线本地网络，蓝牙（2.4GHz），全球定位系统（GPS，1.6GHz），宽带接入连接系统（5.8GHz）等消费电子行业中取得了快速增长。

LTCC技术的不断发展使其在微波和毫米波频段的应用越来越具有吸引力。LTCC基板材料可将该技术的适用频率延长至100GHz。由于具有低导体损耗，低基板损耗和多达50个层压层的特点，LTCC为嵌入式微波和毫米波无源元件及附件（包括天线）提供谐波床。另外，LTCC衬底材料具有宽可调的热膨胀系数范围。正是这一特点使得LTCC基板对各种集成封装非常有吸引力[4]。

2.利用回波群延时法设计滤波器

微波滤波器的设计基于成熟的技术，低通带通变换是最常见的滤波器设计方法[5]。对于小到中等带宽的滤波器，耦合谐振器实现特定响应的具有合理的数学和实践基础。一旦确定了谐振腔，只需设置耦合大小即可生成滤波器响应。因此，即使对于非常苛刻的规格，适当耦合的同步调谐的谐振腔也可以实现大部分所需的滤波器特性。对于相当大范围的微波谐振器，可以从文献中获得耦合值的计算方法，并且使用商业软件的数值技术现在可以应用于三维结构。即便如此，由于谐振器和耦合配置的种类繁多，以及常用于简化分析的近似值，仍然经常需要凭经验确定耦合值。本文利用反射信号的耦合和群延迟之间的简单关系，直接设置耦合值并实时调整谐振频率使用低通到带通的标准耦合谐振滤波器设计方法如图1所示。连接线与输入和输出谐振器之间的耦合（称为外部Q值或Qe）以及谐振器Kij之间的耦合很容易根据原型g值和相对带宽来规定。

随着连续谐振器被调谐到谐振，可以从反射信号确定QE和Kij。这些参数通过相当简单的方程与相位和群延迟响应相关。群延迟被定义为：

可以直接从等效电路或低通原型计算S_11的群时延。低通原型的计算能够使群延时直接用归一化的g值和带通滤波器的带宽表示。在这种情况下，

其 中低 通 原 型S11的 相 位(rad)，是低通原型的角频率经 过 标准的低通-带通变换：

ω0=带通滤波器的中心频率，ω1是带通滤波器的下边沿频率，ω2是带通滤波器的上边沿频率。ω0、ω1、ω2可以根据滤波器响应类型而不同地定义。则群时延可表示如下：

当第一个谐振器以外的所有谐振器全部处于失谐状态，有：

用Qe表示群时延：

下面考虑低通原型中第二个元件g2接地，即除了第一个和第二个谐振器以外所有谐振器处于短路状态，可以推导出：

其中表示谐振器1与谐振器2间的耦合系数。

运用这种方法，依次短路余下的谐振器，可推导出对应的群时延。图2给出了N=6以下的S11的群时延：

图2 中心频率的群时延

利用上述方法，使用HFSS设计了一款中心频率在60G，带宽为2Ghz的SIW滤波器。滤波器使用4层LTCC Ferro A6M基板设计，相对介电常数和损耗角正切分别为5.8和0.002。为了尽量减小谐振腔体积，采用TE101谐振模式。整体滤波器的结构如图3所示：

图3 SIW滤波器加工结构

图4 滤波器频率响应

从图4可以得出，我们所设计的SIW腔体滤波器的中心频率f0=60GHz,相对带宽FBW=3.3%，最小插入损耗小于1.2dB，回波损耗大于24dB。

3.总结

本文简要介绍了LTCC的发展历史和技术优势，对回波群延时法进行说明，给出了将中心频率处的群延迟与低通原型值以及耦合系数相关联的简单方程。设计了59GHz-61GHz的基于LTCC的SIW滤波器，应用回波群延时法降低了设计复杂度，提高了设计效率。

[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.