小型化5G通信滤波器研究进展*

赵妤婕，朱永忠，赵贺锋，宋晓鸥

(中国人民武装警察部队工程大学，西安 710086)

0 引言

微波滤波器作为无线通信系统射频前端中的重要元件，基站与手机终端都需要射频前端，可以较大衰减高频电子设备所产生的干扰信号。随着Sub-6 GHz与毫米波合力促进5G落地，我国进入5G商用元年，射频通道数成倍增长为64通道甚至128通道，5G射频滤波器数量随之增长。滤波器工作频率较高时，与射频前端器件之间的连接损耗也会加大，同时也对射频器件的安装调试及基站负荷带来不便。因此，小型化、低插损、低成本，适用于高频段的5G通信滤波器既是一个研究热点，也是推进5G无线通信系统发展必须克服的挑战。

随着5G频谱的提升，滤波器在类型、技术和材料方向上都发生了相应的转变。基于LTCC集成技术的陶瓷介质滤波器，因其低成本、低损耗、小尺寸的特性，成为5G时代的主流方案。新材料LCP的薄壁性、低介电损耗性在确保高频高速传输的同时，也有利于器件的轻薄化、小型化。文章将从适用于5G的LTCC集成技术和LCP新材料两个方面进行总结。首先归纳了单个谐振腔的小型化方法；其次针对基于LTCC集成技术的介质滤波器，介绍了技术本身的小型化优势、对比分析了陶瓷材料介电性能对器件尺寸的影响以及在不同的结构上相比传统滤波器的尺寸改进；针对LCP新型材料的滤波器，阐述了其研究进展，分析了LCP柔性性能并指出其对可穿戴式无线通信应用的意义，并归纳了LCP多层结构的应用及多层基板异面互连方法。文中从滤波器的结构设计、尺寸优化角度分析了基于各种技术、材料的滤波器性能及参数。最后对两种多层技术的联系和区别进行了总结。

1 单个谐振腔的小型化

5G时代，面对大容量、高速率的通信需求，基站需要更多的滤波器数量，手机终端需要实现轻薄化。单个谐振腔及内部导体的布局形状影响着整个滤波器性能和结构大小。单个谐振腔的小型化技术主要有腔体折叠技术、集总元件技术、传输线弯折技术、一腔多模技术、多层分置技术等。

1.1 腔体折叠技术

腔体折叠型滤波器通过对系统空间合理利用，用较少的谐振器达到同样的频率选择性，缩减了滤波器占用的空间。腔体结构更加紧凑的同时，插入损耗降低，带外抑制能力增大。形式上可以有双重折叠、四重折叠，如图1所示。文献[1]中将原来的左右对称的五腔滤波器通过折叠，形成四腔模型，中心频率都是3.5 GHz，但带宽更宽，带外抑制能力更好。文献[2]设计了三阶双重折叠谐振腔，面积减小至约原腔体的7%。

(a) 四腔折叠波导滤波器 (b) 双重折叠集成波导滤波器

1.2 集总元件技术

微波电路中，常用传输线结构模拟集总元件电感和电容[3]，这类滤波器制备方便、设计灵活，体积通常较小，且不易产生寄生通带，可用LTCC多层封装技术来实现内埋式集总元件[4]。但由于集总电感元件品质因数Q低，插损较大，带宽较宽，在有低插损、窄带要求时，不常用。

1)垂直电容--VIC结构

一般的电容结构是MIM(metal insulator metal)类型，采用LTCC 集成技术时，很容易在电路基板上实现，但对于较大电容来说，尺寸较大。VIC(vertically iterdigitated capacitor)电容形式，可以将多个MIM电容进行并联，可以实现较大电容值的同时，一定程度上缩小了基板面积。同时VIC电容结构品质因数更高，在需要较大电容且对器件高度要求不高时，可采用VIC电容结构，如图2所示。

图2 垂直电容结构

2)多维螺旋电感

电感往往是采用线条或者绕线来形成。传统的平面电感结构分散、复杂，占用较多的电路面积，而垂直螺旋结构，可以结合LTCC集成技术内埋于多层空间中，不仅具备较高的品质因数，而且充分发挥了LTCC三维集成的特点，设计简单、参数提取容易，有效地节省空间，缺点是只适用于窄频。如图3所示。

图3 多维螺旋电感

1.3 传输线弯折技术

通信系统中，常选择增加级数来改善带外抑制，获得高性能、小型化的滤波器。而级联单元的重复会导致电路结构上冗长分散，增大插入损耗。传输线弯折技术可缩小单个谐振腔面积，在保证高性能的条件下，减小滤波器尺寸，常见有梳妆线、发夹线、交指型耦合方式。

梳妆线滤波器因其高品质因素、容易调谐、尺寸紧凑，是通信滤波器常用的一种，由平行耦合线排列组成；2019年， Abramowicz设计的交叉耦合梳状滤波器[5]，插入损耗低于0.3 dB，回波损耗优于24 dB。发夹线滤波器则是由两端弯折的平行耦合线构成，成U或S型；2018年， Ahmed等设计了频率在3.05 GHz～3.96 GHz之间的发夹线滤波器[6]，是经典的小型化微带线滤波器，滤波器的性能与发夹线边缘的宽度与间距有关，边缘间距为15 mm时，损耗小于11 dB。交指型滤波器由互相平行的导体交叉形成[7]，采用抽头式输入输出； Jiang等利用交指型结构[8]，传输零点增加，改进了带通滤波器，阻带部分衰减迅速增大。传输线折弯方式如图4所示。

(a)梳妆线型 (b)发夹线型 (c) 交指型

1.4 一腔多模技术

一腔多模技术采用多模谐振器调节谐振电路，控制其谐振频率，单个腔体的物理空间可以实现多个单模谐振器的物理功能，在确保高性能的情况下缩减了尺寸。滤波器功能集中，谐振单元减少，结构更加紧凑。文献[9]作者在谐振器主体两侧增加枝节，实现了一种四模谐振结构，插入损耗小于1.2 dB。如图5所示。

图5 四模谐振器

1.5 多层分置技术

基于LTCC技术可以进行多层电路布局，将谐振器分置多层电路，实现无源器件电路结构由平面到三维立体布局，进而大大减小器件体积；基于MEMS微机电系统，应用微加工工艺，把不同功能的器件集成于一个公共底层，实现集成化和小型化，使滤波器结构更加紧凑；基于LCP的多层电路结构，可以垂直布局，减小谐振腔横向面积，并且由于单个器件的减少，制作成本降低。

2 5G LTCC通信滤波器

2.1 LTCC技术

LTCC技术可进行多层陶瓷基板叠片烧结，提供了灵活布局的三维集成能力[10]。基于 LTCC 技术的滤波器可以实现多层陶瓷介质的无源器件，具备小尺寸、集成化、大带宽和低成本的特点，适合用于 5G 通信微基站和终端设备。

图6 LTCC多层电路结构

相比其他种类的电路基板，对于5G通信滤波器来说，LTCC技术实现的三维电路基板具有如下优势：一是相比传统的PCB电路基板，采用陶瓷材料，具有良好的高频特性，同时陶瓷材料配料的多样使得频率特性多样，提高了电路的灵活性；陶瓷材料的良好的热稳定性、热阻和耐热冲击特性，可以适应各种使用环境，保证信号的高速传输。二是相比高温陶瓷共烧技术，低温可以使金、银等良导体作为导带，降低传输损耗，提升滤波器性能。三是LTCC可以实现多层电路结构，如图6中多种元器件的内埋，降低了组件封装的成本，减小了体积和重量，形成了高度集成的物理结构。

2.2 LTCC陶瓷材料的介电性能比较

LTCC技术以微波介质陶瓷材料为作为基板，陶瓷介质滤波器可覆盖更广的频段范围，承受更高的功率，适合5G大容量通信。陶瓷材料的介电常数高低影响介质陶瓷滤波器制备的尺寸，且合适的陶瓷材料有利于提高滤波器的Q值，当介电常数越高时，所需的基板越小。因此，低损耗、低成本、适宜低温共烧技术、有利于小型化的微波介质材料对于5G通信滤波器的性能大有裨益。

此前，国内外对陶瓷材料进行了相应的研究并基于所研究的材料设计滤波器进行性能检验。文献[11]中刘相果等改善的铅基钙钛矿陶瓷介电损耗低、温度稳定性好，属于高介电材料，适用于移动卫星通讯。文献[12]中作者在1 360 ℃下烧结的钙钛矿合成陶瓷材料属于中介电常数材料，微波介电性能优越。低介电陶瓷材料有两种体系，文献[13]中Zhong等加入Li2O-B2O3-Bi2O3-SiO2，形成的微晶玻璃陶瓷复合材料经900 ℃烧结的介电性能最优，适合成为低温共烧陶瓷材料。文献[15]中刘剑等制备了在 880 ℃～ 900 ℃烧结致密的玻璃/陶瓷复合材料，其tanδ=0.001 0～0.001 3，σ>300 MPa，优异的综合性能满足LTCC滤波器集成化、小型化和高可靠性的制作要求。如表1所列。

表1 陶瓷材料性能对比

2.3 LTCC滤波器的不同结构

对于微带滤波器而言，文献[16]中设计的带通滤波器运用内埋螺旋电感和垂直电容结构，经过不断调试电容电感，基于LTCC集成技术实现；文献[6,17-19]是通过弯折传输线，基于LTCC三维电路基板实现，相比相同结构的其他电路基板而言，集成度较高，尺寸较小。

对于集成波导结构，文献[20]中是在毫米波段利用LTCC工艺实现四阶堆叠谐振腔，腔体在多维空间上堆叠，占用底层面积较小，频率选择性和阻带抑制高。集成波导结构，也可用折叠腔体的方式来缩减体积。尺寸对比如表2所列。

表2 基于LTCC滤波器性能及尺寸对比

3 5G LCP通信滤波器

LTCC通信滤波器以高频率的传输特性、较强的封装能力，在射频前端系统集成中大量应用，是5G小型化滤波器的热门选择。但是LTCC材料介电常数较高，烧结温度虽已降至900 ℃左右，仍需耗费较高的制备成本，且烧结时会出现基板卷翘、变形，对此，一种新型聚合物材料LCP渐渐走进人们的视野。

LCP可作为集成电路封装材料，材料来源广泛，其多层结构主要是通过LCP基板和低熔点粘合薄膜热压形成，温度可以低到285 ℃，热稳定性好，生产成本低。对于5G中高频段信号传输，其良好的轻薄性，较低的介电常数和损耗，有利于无线通信系统组成部件的小型化；同时，基于树脂材料的柔性，可弯曲成适宜的形状，制成柔性电路，增大空间利用率[21]。LCP是继LTCC后的下一代微波毫米波的基板材料。

LCP 加工工艺流程图如图7所示，就单层 LCP 基板制作而言，需要经过双面覆铜、光刻、电镀、去胶和腐蚀铜完成，多层LCP基板需要进一步叠片热压、钻孔等步骤完成。LCP的相对介电常数在2.9～3.16 之间，相比LTCC小，而且介电常数会随着温度的升高而减小。

图7 LCP加工工艺流程图

3.1 研究现状

上世纪九十年代，基于LCP材料的轻薄性，科研人员就试图把LCP用于微波电路基底。然而，早期的LCP薄膜因均匀性达不到要求，难以加工，容易撕裂，同时还无法在LCP中形成有效的金属化通孔，使其在微波电路中难以应用。直到2001年和2003年带有单层和双层金属铜敷层的LCP薄膜的出现，LCP在高频电磁波领域的应用成为可能。目前，LCP的无源器件库正逐渐丰富起来，基于LCP基板的传输线、共面波导，都显示出了良好的性能。学者们已开展基于LCP基底的多类型滤波器的研究。例如：2009年，Zhang等用超细导体迹线设计的工作在22 GHz～29 GHz的紧凑型超宽带带通滤波器[22]；Zhang等设计工作在50 GHz～70 GHz的平面微带带通滤波器[23]；文献[24-25]对LCP双模传输的带通滤波器分别进行改进，实现了双模超宽带和小型化宽带；文献[26]运用集总参数实现了低通滤波器，并利用50 μm的LCP多层基板进行结构的优化并验证；文献[27]实现了LCP基板上的SIW滤波器设计，中心频率为94 GHz，插损为2.6 dB，测量与仿真参数吻合；文献[28-29]对滤波器的柔性进行了研究，并对比了基板不同弯折程度下LCP滤波器的性能，验证了LCP能适应不同电路，灵活利用空间仍然性能良好的优异特性。液晶聚合物是适用于毫米波的材料之一，使用聚酰胺(PI)在微波频率下微带线损耗与LCP基本相同，但在毫米波频率下，损耗却比LCP高的多[30]。

表3 基于LCP的滤波器类型及性能对比

从表3可以看出，超薄LCP基板同样拥有良好的高频传输特性，回波损耗小于-10 dB，且能实现高带外抑制。

3.2 柔性性能

对于可穿戴的小型无线设备有很大的需求，例如可穿戴医疗和电子产品能够在微波和毫米波频率上实现无线通信的可植入。而结构紧凑、性能良好的滤波器是这些无线应用的关键组件。LCP基板材料由于其良好的柔性成为理想的候选材料。

2015年，Senior等在低损耗LCP基板材料上实现了可用于穿戴无线应用的紧凑型毫米波带通滤波器[34]，插入损耗小于1.7 dB；如图8，Lan等在LCP基板上设计了一款中心频率为9.4 GHz的叉指式带通滤波器[35]，并进行了柔性测试，测试表明，不同弯曲半径下，弯曲效果几乎不会降低滤波器性能；2018年，西安邮电大学团队对LCP基板上0.12 mm宽的微带线结构进行S参数测试，平坦和柔性弯曲状态下的曲线几乎重合；同年，LAN等对LCP基板柔性进行弯曲极限测试，LCP弯曲极限半径为1 mm～0.75 mm[36]，对未来LCP高频柔性滤波器的性能评估有着重要的参考意义。

(a)实物图

(b)平坦和弯曲状态下滤波器S参数

3.3 多层结构

多层结构的滤波器对于5G时代，可以有效满足多天线设计的复杂要求，对多个器件进行有效整合，减少空间占用。LCP有极低的损耗正切角，易于压制成多层结构。文献[37]中，作者就利用折叠阻结构结合LCP多层布局设计了发夹型滤波器。

2012年，Qian等提出了五层金属LCP结构[38]。2014年，Cervera等用多层LCP技术实现了双频滤波器结构[39]，如图9所示，两个双模谐振器镜像放置，通过顶层共面波导连接到外部环境。2015年，Cervera等利用LCP多层技术设计一款高抑制低通滤波器[40]，如图10所示，优于40 dB，器件极为轻巧。2016年，Cho等使用LCP-SOP封装技术，制作了多层喷墨印刷带通滤波器[41]；同样地，2018年，Chang等也利用喷墨印刷技术在液晶聚合物(LCP)上采用层压粘合工艺设计了一种多层叉指式带通滤波器，中心频率为11.5 GHz[42]，无论是采用SOP系统封装还是直接用基板层压技术，都通过LCP基板形成了三维集成电路，滤波器结构更加紧凑，成本也更加低廉。2019年，Aligab等提出多层液晶聚合物LCP粘合PCB电路板自封装技术，LCP作为介电层，重量轻且轻薄，实现了阻抗变换功能的同时，也解决了宽带巴伦滤波器大尺寸约束问题[43]；用同样的方法，他们也设计了一种新的小型化超宽带多层平衡带通滤波器[44]，将二维的PCB基板滤波器转换到三维上。

图9 自包装双层滤波器多层结构

图10 高抑制LCP滤波器

多层 LCP 基板主要是利用粘合板对LCP基板进行层层热压，在制备过程中，多层基板之间的粘合层互连造成的损耗是亟待解决的难点。一般来说，主要通过穿孔互连或耦合两种方法：一是用于LCP系统集成技术的新型垂直互连工艺，通过在上层基板底部和底部基板金属表层制作焊盘，在粘合层中利用铜浆注入通孔，实现了LCP不同基板之间信号互连[45-46]。二是利用耦合窗，信号从L1层发出，经L2层电磁耦合，在L3层过渡到达L4层，文中作者通过添加电磁屏蔽孔改善该结构通带内的射频传输性能，最终电磁耦合能在不同层电路之间实现[47]。

图11 垂直互连工艺

图12 电磁耦合过渡结构

4 结论

5G通信标准的确立激增了射频前端滤波器的需求，LTCC和LCP两者都可实现良好的高频传输特性，且对于尺寸优化、性能优化和成本降低都是极富潜力的应用，LCP更是被誉为继LTCC的下一代基板材料。

两种技术各有其优势，一是LTCC基板是陶瓷材料，介电常数随陶瓷配料不同而变化，可灵活适应不同电路要求的滤波器设计；LCP是一种液晶高分子聚合物，因其良好的柔性性能有很大的机械灵活性，适用于可穿戴式设备。二是LTCC热导率是LCP的10倍，但是LCP热膨胀系数可控制在0～40 ppm/℃之间，与各种系统组件能更好的兼容[48]。三是LTCC比LCP介电常数大很多，与厚LCP相比，单位面积上LTCC提供的电容更大，滤波器尺寸更小；但如果使用超薄LCP叠层，LCP单位面积上电容更高，系统可变得更紧凑。四是LTCC单位面积上电感更高，超薄LCP电感具有最小的电感。如此，LCP基板厚层和薄层两者因其厚度大小，与相应性能成反比，而LTCC可在小尺寸下也拥有良好的性能。