小型化LTCC低通滤波器设计与制造工艺研究

　　1 引言

　　低温共烧陶瓷技术(LTCC)技术是20世纪80年代中期发展起来的一种新型电子工艺技术，最初用于航空航天工业和大型计算机中高密度多层陶瓷基板电路的加工与制造，随着现代通信技术的发展，各类通信设备和终端对小型化的要求越来越高。

　　LTCC技术能够充分利用三维空间，在基板内埋植电容、电感、天线、滤波器、功分器等无源器件，集成度高，尺寸小，射频性能优良，利用LTCC这种可以多层结构埋植器件技术，可以很好地满足设备小型化的要求。

　　LTCC一个重要应用就是制作各种小型化滤波器等无源器件，目前，商用LTCC低通滤波器的典型尺寸主要有1812(4.5 mm×3.2 mm)、1210(3.2 mm×2.5 mm)、1206(3.2 mm×1.6 mm)等规格。本文中提出的滤波器利用LTCC多层布线三维立体结构的特点，大大减小了器件的面积尺寸，平面尺寸只有3.2 mm×1.6 mm,达到了小型化的目的。

　　2 LTCC低通滤波器的设计

　　LTCC滤波器的设计通常是基于经典滤波器设计理论，从结构上讲，主要有两种结构，一种是采用传统的LC谐振单元结构，谐振单元由集总参数的电容电 感组成，另一种是采用多层耦合带状线结构。本文所设计的低通滤波器采用第一种集总参数形式，理想化低通滤波器电路原理图如图1所示。

　　首先根据低通滤波器理想电路原理图选定实际需要的元件值，通过ADS仿真软件对电路模型进行优化，使电路仿真结果满足需要。低通滤波器原理图仿真结 果如图2所示。根据公式计算得到其基本物理结构图，然后在HFSS软件里画出物理结构，设定基板的介电常数、划分网格、设置扫描频率，仿真后得到S参数。 低通滤波器的截止频率为900 MHz;通带插损小于1 dB;通带内端口驻波小于1.5;带外抑制大于35 dB,@1.5 G.

　　本文设计的LTCC滤波器中的集总参数的电容和电感通过LTCC多层陶瓷集成在陶瓷基板内部。LTCC内埋植电容的设计一般采用两种方式：垂直交指 型(VIC)电容和金属-介质-金属(MIM)电容。本文设计的滤波器的内埋置电容元件采用垂直交指型(VIC)电容，在相同电容量的情况下，VIC 结构电容相比MIM结构电容能够大大减小端电极面积，从而有效减小滤波器尺寸。

　　LTCC内埋电感有平面螺旋电感、堆栈螺旋电感、多层螺旋电感等方式，如图3所示，本文设计的低通滤波器内埋植电感元件采用多层螺旋结构的电感，在相同的有效电感值下此结构比平面螺旋式、堆栈螺旋式等结构具有更高的自谐振频率和品质因子。

　　滤波器的制作采用杜邦951生瓷片，电容和电感采用配套的印刷浆料，基板介质材料相对介电常数为7.8,介质损耗为0.006,共用到14层生瓷 片，其中第3层到第8层为多层螺旋结构的电感，第9层到第12层为垂直交指型(VIC)电容，第13层为电路的地层，烧结后的器件尺寸为3.2 mm×1.6 mm×1.4 mm,滤波器的LTCC三维物理模型如图4所示。使用HFSS软件对低通滤波器模型进行三维电磁场仿真，该模型的三维电磁场仿真结果如图5所示。