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1、毕 业 设 计（论文）学生姓名： _ 学 号：_ 学 院：_河北科技大学_ 专 业：_通信工程_ 题 目：_LTCC低通滤波器的设计与研究 指导教师：_王静_ 评阅教师：_ 2015 年 5 月 毕业设计说明书中文摘要随着移动通信技术的迅速发展和广泛使用，研制高性能、小型化和轻量化的微波滤波器逐渐成为了一项紧迫的技术课题和市场需求，这使得以PCB板技术为基础的传统射频滤波器结构和设计方法面临着严峻的挑战。为了减小滤波器的体积尺寸，适应现今的射频集成电路及系统封装方面的要求，基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术的滤波器设计技术得到了越来越广泛的应用。LTCC技术在微波滤波器设计中的应用，加速了滤波器
2、由平面电路向多层电路方向发展，这一技术的应用极大地减小了器件体积。丝网印刷工艺主要参数的研究分析对提高丝网印刷品的精度和质量有着非常重要的作用，对实现丝网印刷工艺参数的规范化和数据化管理有着重要意义。影响丝网印刷精度的因素比较多，本文主要就影响精细丝网印刷的因素进行了分析。丝网印刷在电子工业领域有着广泛的应用。在印制电路板上的应用尤为突出，从印制电路板的位置精度和尺寸精度两方面深入探讨精细丝网印刷工艺主要参数间相互的内在联系，把流体力学中的润滑理论引入印刷过程，建立了一个综合印刷过程中各因素动态数学模型，为实现工艺参数的规范化和数据化，提供理论依据。关键词 低温共烧陶瓷 LTCC 微波滤波器
3、低通滤波器 目 录1 绪论12 LTCC技术22.1 LTCC技术简介22.2 LTCC的独特性32.3 LTCC技术的应用42.4 LTCC的发展前景52.5 LTCC 工艺流程63 微波滤波器原理93.1 滤波器简介93.2 滤波器分类93.3 LTCC微波滤波器发展现状103.4 微波滤波器设计104 LTCC 微波低通滤波器的设计134.1 LTCC 低通滤波器设计步骤134.2 电路设计与仿真154.3 滤波器各单元尺寸的确定和模型的建立164.4 滤波器的测试结果18结 论19致 谢20参考文献211 绪论随着无线通信技术的加速发展, 无线产品在体积日益变小的同时，且成本日益降低，
4、而其所具有的性能却越来越高，这是通过产品高集成度来实现的。根据摩尔定律：IC上可容纳的晶体管的数量,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将会提升一倍之多l。但有源器件/芯片由于受到半导体自身物理条件极限的约束，很大程度上不能真正满足摩尔定律，所以无源集成技术当之无愧的成为作为电子行业目前关注的焦点2。其发展趋势由传统的分立式、表面贴装式转化为现在的集成式模块化。随着电子产品的小型化和高性能要求越来越高,对微波器件的集成度和性能提出了更高的要求,作为微波系统的重要组成部分的滤波器的小型化也是迫在眉睫。微波滤波器作为常用滤波器的一种其性能的好坏关系到整个通信系统的质量，作为微波射频电路中的重要元件在
5、无线通信领域有着重要的作用。这就意味着研制出具有体积小、可靠性高、高性能、延时小、低成本等微波滤波器具有重要的意义。新型的低温共烧陶瓷 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术是无源器件的三维集成有源器件和无源混合集成技术组装，它的出现无疑是给无源器件发展中遇到的瓶颈问题带来了解决方案。这一技术最早出现在二十世纪的80年代，于90年代在欧美国家得到迅猛发展。这其中，由数美国和日本在该方面的投入较大切取得了一定的成就，它诞生于二十世纪80年代，并于90年代在欧美等发达国家得到迅猛发展,尤其是美国和日本在该技术方面进行了大量的投入,当前已取得很大发展，这一技
6、术在无源元件埋置方面作用巨大，在提高电路的组装密度和系统的可靠性方面有着重要的作用，非常有利于小型化系统的建立3。随着近代通信技术的快速发展，频谱应用资源日益紧张，日益紧张的频谱资源和其所具有的不可再生性使得滤波器在现代通信领域中的角色显得日益关键。因此， LTCC 滤波器的研究是极具必要性和迫切性的。LTCC 滤波器是微波滤波器和LTCC工艺技术完美结合的一种新型滤波器。LTCC低通滤波器主要是起到对高频信号的滤除而保留低频信号。低通滤波器已被广泛应用到各种类型的通信系统，诸如个人无线通信，汽车电子，卫星导航，弹道指导等，它是现代射频系统中不可缺少的元器件，其性能的好坏对整个通信系统的质量有
7、着重要的影响。2 LTCC技术2.1 LTCC技术简介LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramics，低温共烧陶瓷）技术是由美国休斯公司于1982年研发的新型无线电组装技术4，包含着电路设计、材料科学、微波技术等学科领域。是一种多层陶瓷工艺,是国内外广泛用于制造射频无源元件的三维立体集成技术，除此之外其还是在进一步整合与精简射频电路和系统达到缩小体积的目的时所采用的一种封装技术，这种封装技术可提供一个三维的立体集成平台为无源和有缘器件。英语帮助我们改进 Google 翻译LTCC厚膜材料，根据预先设计的图形布局和堆叠顺序，将金属电极材料和陶瓷基板材料一次性共烧结，
8、得到无源元件和模块组装，需要高度集成无源元件，减少的数量表面安装元件，提高布线密度，降低了引线用焊料连接的数量，提高了电路的可靠性。 LTCC技术在元件小型化、高性能和高品质生产上具有显著的优点。LTCC低温共烧陶瓷技术是将配已制好的低温烧结陶瓷粉通过流延工艺制成厚度精确且质地致密的生瓷带,然后以填充孔，孔平，精密印刷线，实时监控过程的关键线，需精密电路图案的系统，以及多个嵌在其中的无源元件，层叠在一起并烧结在约850，制成三维无源集成电路网络组件，或者它可以被制作成内置到在其表面上的三维电路板的无源元件和有源器件从而制成无源/有源集成功能模块。图1是一个典型的LTCC模块的示意图：图2.1
9、LTCC模块示意图2.2 LTCC的独特性LTCC 技术结合了厚膜技术和共烧技术的优点，将印刷有金属导线的多层生瓷片叠片层压后共烧，所有电路一次性共烧结，在重复烧结过程中，既节省了各工序工作时间，又降低了制作成本，而且即使发现某层损坏或不符合设计要求时也可在烧结前替换，操作方便灵活2-4。厚膜多层（Thick Film Multilayer）技术需求单层布线、分层烧结，因此该过程操作复杂、费用昂贵。LTCC具有最大限度的密度增加和互连布线长度尽可能短的优点，实现了小型化，高密度电路理想基片布线，它提供了比传统厚膜、薄膜混合集成技术更灵活的设计方式5 。在使用带状线的LTCC多层电路结构，接地屏
10、蔽和等效腔体结构改善系统中接收和发射通道之间的隔离状况以及各器件之间的电磁影响，并提高整体系统的性能之间的电磁效应。 LTCC技术可以实现每层电路的单独设计以减少修复过程从而避免高成本，常用的管脚阵列、球阵列和镶嵌式扁平集成电路借助LTCC技术能很方便的得以实现，而且可以将空腔、阶梯、厚膜印刷电阻、电容、电感等都集成到多层基板中。LTCC技术集成了数字、模拟、射频、微波及内埋置无源元件等多种电路技术，其可将多种电路封装在统一结构中。在装配过程中大大降低了复杂程度，减少了接入损耗的同时大大缩减了封装后的重量，所有的这些特性使得LTCC材料在军用和民用中的电子制造系统中最理想的材料。此外，LTCC
11、技术在很多方面与传统的集成电路技术相比较有着明显的优势，可归纳总结如下5,6：(1) 不同的材料配比,可混合出多种介电常数的LTCC材料,使得电路设计具有一定的灵活性。(2) 可以生产多层基板，并可以嵌入无源元件在多层基板，有利于提高该电路的填充密度，可以是表面贴装芯片模块活性多功能的。(3) 用优秀的高频技术LTCC基板的陶瓷材料具有高Q特性将可能实现高达几十GHz频段的设备。 (4) LTCC技术具有良好的热导率和温度特性，有较小的共振频率温度系和数较小的热膨胀系数。 LTCC基板材料的热导率是20倍之多有机层叠体，从而简化散热设计，将显著提高电路的寿命和可靠性。(5) LTCC技术与传统
12、的PCB电路相比能满足更大的电流需求，其抗电流能力更强。(6)高导电性的金属材料作为导体的这一应用，有利于提高电路系统，它有一个良好的，响应速度快的高频率特性，适合于高频通信。 (7) 在制作层数很多的电路基板的过程中，容易形成多种结构的空腔，起重可以埋置元器件，从而降低了封装组件消耗的成本，减少了导体的长度连接的芯片和接触点。 LTCC技术可以整合组件类型之多、参数范围之大，从电感、电容、电阻，对敏感元件、电磁干扰抑制器件、电路保护元件等集成在一起，制作完成之后可以直接作为 VLSI、LSI、IC 等的封装基板。 (8) 非连续生产工艺特点，便于基板烧结完成前对每一层布线和互连通孔进行质量检
13、查，只需一次烧结即可，这有利于降低生产成本，提高生产效率。2.3 LTCC技术的应用LTCC技术由于良好的性能，已被广泛应用于许多领域，如航空，军事，无线通信，全球定位系统，无线局域网，汽车电子，医疗等。射频和微波的无线通信领域是LTCC组件的应用，包括以下几个方面6：(1) LTCC基本元器件：如LTCC电感、电阻、电容等，可实现在不同场合的单独使用和作为LTCC技术应用于电路基本元件。 (2) LTCC功能器件：正如广泛应用于无线通信领域的各种LTCC微波滤波器，定向耦合器，平衡 - 不平衡转换器，双工器，芯片天线。 (3) LTCC模块：LTCC技术的特点将是利用集成到每个模块具有功能和
14、独立的，有源和无源组件，例如，蓝牙模块，手机前端模块，天线开关模块，功率放大器模块，图像识别模块。现今低温共烧陶瓷技术(LTCC)已经取得了长足进步,目前来自美国、日本等著名的 DuPont、CTS、NS、Murata、EPCOS、TDK、AVX 等大公司开发的。 LTCC产品已进入了产业化阶段，目前其主要的产品包括无线局域网络、地面数字广播、全球定位系统接收器组件以及数字信号处理器等。目前中国大陆的LTCC射频元器件生产企业主要有顺络电子、磊德科片式、麦捷科技和嘉兴佳利等四家企业。图1.4所示的是日本京瓷公司所推出的被广泛应用于移动通信设备的射频模块和EMI滤波器，他们的共同点是都采用了LT
15、CC技术 7。图2.2 日本京瓷公司所推出的射频模块和 EMI 滤波器2.4 LTCC的发展前景LTCC技术具有成本低，易于集成、布线线宽和线间距设计灵活的高频特性等特点，其在最近几年更是有着显著的优点。LTCC技术不仅是新的EMI / EMC（电磁干扰）组件的主流制造技术。同时也是电子元件复合化、集成化和模块化的首选技术，还是设计与制造射频微波集成元件、模块及实现 SIP 高密度集成系统之关键技术，并且已经成为无源元件领域的重要发展方向和元器件产业新的经济增长点。LTCC技术的研究，因为大陆较晚介入，虽然在相关领域LTCC技术已取得了一定的成绩，与国外和国内的技术有很大的差距，因此，现对LT
16、CC相关技术展开广泛而深入的研究对国防和民用高科技领域来说有着非常重要现实意义。2.5 LTCC 工艺流程LTCC技术实现的工艺流程较为复杂，其制造工艺的趋势是小孔、细线和高密度。图1.1为LTCC主要的工艺流程8。 图2.3 LTCC工艺流程(1) 流延流延工艺包括配料、真空除气和流延三个过程。对流延出的生瓷膜片的要求是：致密，均匀的厚度（0.10.2mm左右），也有一定的强度，以确保其具有不小于11厘米且具有足够的强度宽度，关键铸造过程是在控制的机械设备，材料的配方和工艺参数。流延浆料的制备必须具有两个条件，一个是制备流延粘合剂时，及时添加润湿剂，以改善粉末的分散性和浆料的流动性；另一个是
17、在该混合浆料中添加除泡剂，搅拌以除去气泡。这样就能获得致密、均匀且韧性十足的流延膜带。目前大部分流延设备都是与MLC配套引进国内的，流延的厚度一般都保持在0.1mm以下。 (2) 切片陶瓷生带大多数是以卷轴形式供给，将整卷的生瓷带按固定尺寸进行切割并做好记录标识。切片时应该将其展开于洁净的不锈钢工作台面之上，可采用切割机、激光或冲床进行切割，如果采用激光切割，应注意控制激光的功率以免引起陶瓷生带的燃烧。 (3) 打孔主要用于打两个孔：一个是定位孔，所述定位孔合格与否直接影响了内部图案在印刷时的位置精度；另一类是连接孔，连接孔是在每单层瓷片上根据要求形成微孔，其目的是为了连接不同层之间的电路的形
18、式，其质量直接影响填充孔的质量，孔过大或太小可能会影响最终产品的电性能。通孔质量的好坏直接影响布线的密度和通孔金属化的质量，通孔过大或过小都不易形成盲孔。陶瓷生带的打孔主要有 3 钟方法：钻孔、冲孔和激光打孔。钻孔的打孔速度为每秒 35 孔，精确为50um，最小的孔直径一般高于 0.25mm，在钻更小通孔时，钻头极易折损，钻孔成本昂贵；冲孔的速度大于钻孔的速度，可根据冲床的不同和所冲孔的复杂程度而有所变化，所冲出的孔径小于钻孔孔径并且精度很高，可谓是很好的打孔方法；激光法打孔精度和孔径都介于钻孔和冲孔之间，但其打孔速度为最高，且所打孔易于形成盲孔，故是最理想的打孔方法。对于 LTCC 工艺而言
19、，最好的通孔直径为 0.150.25mm。这都有利于提高布线密度和改善通孔金属化。假如通孔直径大于等于 0.3mm 或小于等于 0.15mm，金属化时会很难形成盲孔，从而在很大程度上降低了基板的成品率和可靠性。 (4) 填孔填孔是利用复合钢网通过刮刀挤压的方式将符合生瓷片材料特性的导体装料填充到连接微孔中,以达到连接上下层电路的目的。填孔是制造 LTCC 基板中的关键工艺之一，其方法有三种：厚膜印刷、丝网印刷（Screen Printing）和导体生片填充法。印刷机是专门为 LTCC 生产而设计出产的，其工作台的材质是多孔陶瓷或金属板，四角上各有一个与生瓷片上定位孔一致的金属定位柱，直径多为
20、1.51.6mm；工作时，工作台下面用真空机抽成负压，使用适中压力，一般为665864.5Pa（500650mmHg）。厚膜印刷和丝网印刷时，要在工作台和生瓷带之间放一张滤纸（或用硅酮浸过的擦镜纸），以防止金属浆料从通孔漏到工作台上，印刷后把生瓷片和滤纸一起取走，在 70100下烘烤 510min，然后再取下滤纸。导体生片填充法是将厚度略大于陶瓷生带的导体生片冲成通孔以达到金属化的目的。导体生片采用流延工艺生成，此法可提高多层基板的可靠性，但工艺不够成熟。填充通孔的浆料应该具有适当的黏度和流动性。选择填充浆料不当，印刷时不易形成盲孔，通孔填充后要进行烘干、盲孔检查和修补。 (5) 印刷版图印刷
21、版图时，必须根据对位精度及通孔大小来设计线宽、线间距及其它参数才能保证基板的成品率。采用 LTCC 基板技术虽然可以把线和线间距做到很细，但成本会增加，所以要加以考虑。LTCC基板内部图形印刷有两种方法：丝网印刷和计算机直接描绘法，表面图案的印刷有四种方法，丝网印刷，电脑直接写入方法，淤浆方法光刻和薄膜沉积。计算机直接绘图技术因其在印刷过程不需要制作印刷模版和印刷过程中的对位，是印刷导体中常用的一个方法，但不足之处是，设备投资大，操作复杂，而且生产效率低。丝网印刷图形和打印孔，生瓷带通过多孔石的真空吸气达到固定目的，可以采用影像或机械方式对其进行对位。印刷过程中对定位基准的要求更为严格，定位精
22、度不好时，基板配线网络会出现开放或短路，不一样的布线密度（线宽度间距、通孔直径，通孔的覆盖范围、孔行距等），对定位精度有着不同的要求。影响定位精度的主要因素是：打孔精度误差、照相制版精度误差和印刷机手动调节对位视觉误差。目前Ferro 公司采用的 AM19156型自动可视对位印刷机能达到较为理想的对位效果。 (6) 叠层与热压将完成通孔填充和已经金属化后的生瓷片放入叠片模具中，叠片模具上设计有与生瓷片对位孔相一致的对位柱，以确保对位精度。模具是最好用硬质材料加工，以防止在经过多次使用后发生变形。而层压过程中，最关键的是压力大小的适中和压力施展的均匀。当压力过大的时候，在排胶的过程中易发生气泡层
23、；而在压力过小时则会产生分层，从而导致基板的收缩率变大，收缩一致性较差。(7)切割切割是指将烧结前，在考虑收缩率的问题下将经过热压后的叠层瓷片按事先设计好的切割尺寸依次切割成单个元器件的过程。 (8) 排胶与烧结排胶过程一般都发生在马福炉中，而基板的厚度确定了排脚速度，在正常情况下的升温速度为0.20.5/分钟，升到450时，保温35小时。而烧结却既可以在马福炉中发生也可以在链式炉进行，其升温速度一般在为8/ min，烧结曲线和炉膛温度的均匀性是烧结过程的关键，对烧结结束后基板的平整度和收缩率有着极大的影响。炉温均匀性会影响烧结收缩率的问题导致基板收缩不一致，在烧结过程中，温度上升过快也会造成
24、烧结平整度差的问题。 (9) 检查测试烧结完成后，首先需要对基板外观进行目测，可能会出现的物理缺陷包括：分层、裂纹和翅曲；其次就是需要进行几项检查来评估可靠性：a、检查收缩系数，主要是检查尺寸的变化来判断基板是否有超差。b、检查基板的电气性能如电性能、电阻、特性阻抗等，以验证基板布线的连接性。LTCC 多层布线基板包含了与焊区上相连的若干电气网络。这些基板上的焊区有两个作用，一是起着信号出入基板的作用，二是电气的连接作用。为了保证基板上布线正确，必须对基板上每个网络中的所有焊区进行导通测试和对不同的网络进行隔离测试。另外，还要测试网络的导通电阻或信号延迟、串音等。主要是用探针测试仪、美国微组装
25、系统(MMS)公司的自动晶片探针仪两种测量器进行测量。LTCC 的检测一般放在基板制造完成后进行，在一些特殊情况下，为了方便监测各工序的成品率也可采取加工过程中实时检测或阶段性检测。3 微波滤波器原理3.1 滤波器简介在电子通信技术，以产生早期和检查出如何提取有用信号的问题，并且该过滤器是在这方面的需求已经发明了。过滤器具有广泛的在电路中，它允许信号到一个或多个频率和平稳运输通过，也可以是一个或多个有效衰减内的信号的频率，简单地说应用，是一种过滤器的频率选择性设备。过滤器可以在辐射规定的频段定义大功率发射机，并能防止接收器的工作频带之外的干扰。在实践中，在军事通信，卫星通信，和个人移动通信的其
26、他方面的过滤器发挥的应用需求，这些领域的发展中起重要作用也提出了过滤器更高的要求，如具有更高的频率选择性的插入损失，更合理。电子通信技术和过滤技术的发展发展是相互依存和发展过滤技术，以促进电子通信技术，电子通讯技术和过滤技术提出了更高的发展要求。3.2 滤波器分类根据不同的分类方法，滤波器的类型一般有以下几种：1）按频率通带范围来分类，滤波器一般可以分成四类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。图2.4给出了它们的频响特性,其中纵轴都是取了绝对值,所以数值都是正的。图3.1 各种滤波器的频响特性2）分类通过处理信号的类型，则该过滤器可以分为两大类：模拟滤波器和离散滤波器。其中所述模
27、拟滤波器可分为被动型，异构三种类型。3）其它类别包括：分类根据工作（例如反射，吸收等等），根据负荷类型（如单端双终端等），根据带尺寸类别（如宽带，窄带等）。3.3 LTCC微波滤波器发展现状在设计LTCC滤波器前辈方面已经做了很多工作。已经出现了各种结构的多层介质滤波器用于不同的目的，越来越小，性能越来越好。盈 - 休伊钲，盛FUH R.畅，萧旷林设计2.45GHz的中心频率，并具有带通滤波器四种传输零点9。 KC李，HT苏和WSH黄低通滤波器和一个高通滤波器级联的方法设计了一个中心频率2.94GHz宽带带通滤波器，6610的相对带宽。 Prasath，SDRThenmozhi和A. Raju
28、.S.Abhaikumar.V。设计了一个小的，截止频率是适合于期IEEE802.16a在的1.35GHz低通滤波器11。3.4 微波滤波器设计在 1915初，名为 K. W Wagner的德国科学家首次创建一个过滤器的设计方法，在这之后很多研究者开始滤波器设计理论集总元件电感器和电容器系统的研究，更全面的滤波器设计方法，在1940年形成，这两个设计步骤尤为重要：第一是确定与合规传递函数特性的要求;其次是预先合成传递函数电路。因为微波滤波器逐渐被应用到更高的频率，这是从一个新的领域，分布参数元件的开发设计的原始集总元件LC谐振器的设计阶段相应地设计。分布参数的方法是基于在插入衰减和插入相移函数
29、，直接应用理论来确定传输线或波导结构微波滤波器元件。同时，在微波过滤材料领域取得了显著的进步，也极大地推动了滤波器设计方法的出现和发展更多的滤波器结构。使用网络的合成方法已知为传统过滤器的设计生产的，网络的合成方法是先来先再一个过程的网络元件的特性来实现的。它分为三个步骤：首先，建议的目标，即提供了理想的响应;其次，可能的功能选择，以近似理想响应;再次，网络已经成功实现近似的功能特性。由于使用了不同的逼近函数，一般集成巴特沃斯，Chehyshev全面，椭圆函数滤波器的设计和集成方法。之所以比雪夫函数通常用于不仅相对容易实现，并具有良好的衰减特性和急剧转变。原型滤波器的设计方法是微波滤波器的设计
30、方法现在广泛应用，所谓原型滤波器的设计方法是一个低通滤波器作为原型，以获得所需的滤波器由频率转换值的电抗元件，然后通过相应的集总的或分布式实现元素。采用原型滤波器的设计好处是你可以检查巴特沃斯，直接获得Chehyshev低通滤波器元数值表中的值，从而克服复杂的缺陷的理论分析。常见的两种低通原型滤波器电路拓扑如图3.2所示,图中(a)和(b)所示两个电路互为对偶电路,它们具有相同的响应特性。图3.2 低通原型电路原理图在微波电路设计中，一般用下述三种方法去实现微波滤波器：(1) 用集总元件去构成微波滤波器，它的突出优点是显著地减小了电路的尺寸，特别是在 S 波段以下的频段，设计方法也相对较为灵活
31、，其缺点是对制作工艺的要求较高。(2) 用半集总元件去构成微波滤波器，不仅结构简单，制作容易，而且设计计算也不很复杂，因而此法被广泛应用。(3) 用电长度相等的传输线段去实现分布的相应原型滤波器，再进行 Richard转换，及利用 Kuroda 四种单元变换，从而获得易于实现的结构形式。其优点是结构简单，制作容易，所需数据有现成公式表格可查，美中不足是在微波低端体积大。在第二和第三个方法中，低通原型在微波集成电路中的可实现性要受到电路能够实现的高、低阻抗数值的严格限制。LTCC 微波滤波器的设计包括诸多方面，电磁性能设计、应力设计和热设计等都在考虑范围之内，其中最为关键的便是电磁性能设计。由于
32、叠层 LTCC 滤波器中包括多个等效的分立元件，不仅存在同一层内的电磁耦合，还存在垂直方向上的层与层之间电磁耦合，从而形成多种寄生耦合电感、电容和谐振器。对于 LTCC 滤波器的设计而言，除了采用原型滤波器设计法综合设计之外，还需要将LTCC 滤波器结构中多个参数利用微波 CAD 软件进行调谐和优化，即采用综合加优化的方法。叠层 LTCC 微波滤波器主要设计步骤有；(1) 确定符合指标、特性要求的传递函数；(2) 构建满足传递函数要求的传输线或无源元件 L、C 的电路结构；(3) 选定具有合适特性参数的 LTCC 材料；(4) 从实际需要出发，不仅要利用或避免多层结构间的各种电磁交叉耦合，还要
33、选择滤波器内各元件的基本结构和布局，将其转变为 LTCC内三维结构模型的版图结构和具体物理尺寸，建立起滤波器多层结构模型；(5) 利用三维全波电磁场分析软件如 HFSS、 CST 等，对层叠 LTCC 滤波器模型进行仿真，通过对其中主要变量进行不断调谐、优化，使其满足设计要求。4 LTCC 微波低通滤波器的设计4.1 LTCC 低通滤波器设计步骤LTCC 滤波器设计的一般步骤：(1) 确定满足指标和特性需要的传输函数；(2) 搭建满足传输函数要求的电路；(3) 选择适合的 LTCC 材料；(4 )根据实际需要，利用或者避免多层介质间的交叉耦合，选择滤波器内各元件的基本结构和布局，在将其转化为
34、LTCC 三维结构模型的版图结构和具体物理尺寸之后才能建立起滤波器多层结构模型。(5) 利用电磁场仿真软件(HFSSCST 等)对 LTCC 滤波器模型进行仿真，通过对其中主要变量进行不断的调谐优化，最终实现既定设计目标35-37。图4.1 LTCC滤波器的设计流程4.2 电路设计与仿真滤波器的主要设计指标如下：截止频率：1-3.8GHz；带内插损：小于2dB；回波损耗：小于-13dB；带外抑制：-30dB（4.35GHz）；下图 4.2是本文中根据上述指标设计的一款低通滤波器的电路图，在构建了电路图之后，要用相关的电路仿真软(ADS)件对其进行仿真，并查看相关的参数是否满足设计要求。图 4.
35、2 电路仿真图通过 ADS 仿真得到如图 4.3 所示的幅度频率特性图。图 4.3 低通滤波器幅频特性由上图可以看出此款低通滤波器的截止频率在 1GHZ 附近，通带内的插入损耗小于0.1dB，回波损耗大于 20dB，阻带内信号大幅衰减分别在 1.1GHz 和 2.3GHZ 附近出现一个衰减极点，在 1.1GHz-2.3GHZ 频段插损大于 22dB。4.3 滤波器各单元尺寸的确定和模型的建立在电路仿真结果良好的情况下，利用场仿真软件(CST/HFSS)，实现滤波器模型的构建。本文在构建模型时，采用自底向上的设计方法，即从底端向顶端来对整个滤波器模型进行布置，从而得到最优的结构模式。从图中可以看
36、到，滤波器的介质层总共有9层，金属层共有 11层，电容分布上3层，电感分部在下9 层，电感采用的是三维矩形 Helical 式的螺旋电感，从前面的分析可以知道，在实现相同电感值的情况下，这种螺旋电感所占的面积最小，品质因数最高，但是它所需的层数也最多。总体而言，整个模型大致遵循了左右对称，自底向上，上下分离三个原则。在大体布局确定的情况下，还要根据电感电容值的大小，利用已有的公式对具体的电感电容的尺寸进行计算。之后就可以根据计算的尺寸建立大致的模型，并设计一些变量，便于再进行反复微调，以获得比较精准的结果。图4.4 滤波器多层结构设计结合 LTCC 生产工艺，该带通滤波器多层结构设计如图 4.
37、4所示，图中所有工艺参数都是按照中国电子科技集团第54所微组装中心设计规则设计的，其中介质材料采用 Dupont 951，相对介电常数为9.8，损耗角正切为 0.006，金属为银，线宽为0.35mm，通孔直径为 0.075mm，金属厚度为 0.012mm，介质的厚度为 0.1mm，总的设计尺寸为 3.5mm*1.5mm*0.9mm。图中的电容的长度和宽度以及电感的长度都设为变量，以方便调整，最后得出最优的结果。具体的场的仿真结果如下图 4.7 所示：图4.5 场仿真图由上述的场仿真图，可以看到整个电路的搭建以及场的仿真模型的建立是符合设计预期的，截止频率大约在 1GHz，通带内的插入损耗小于
38、0.1dB,回波损耗大于 16dB,阻带内的插损呈快速衰减的趋势。4.4 滤波器的测试结果最后将上述滤波器加工成了成品，具体实物图如下图 4.6 所示：图4.6 LTCC低通滤波器实物图图4.7 LTCC低通滤波器测试曲线由图4.6和图4.7可以看到，加工出的实物图的效果和之前的仿真结果比较吻合，符合预期的设计指标，验证了在LTCC工艺中保证了设计精度，特别是印刷工艺，保证了线条精度。整个滤波器的尺寸很小，可以用于医疗检测和无线通信等模块，具备一定的实用意义。结 论移动通信技术的快速发展，移动通信终端的普及，使得适用于通信终端的小型微波、射频元器件的小型化元器件的需求成为当务之急。LTCC技术
39、的实现使得微波器件的体积和重量得到有效的控制，且向小型化、低成本、高频化等方向靠拢。本文正是基于这样的一个背景下，开始本次LTCC滤波器的设计工作。在分析研究了国内外现有的大量期刊文献后，根据经典滤波器设计方法得出低通滤波器的原型，再结合本次设计中的指标得到基本电路模型后进行电路仿真，在电路仿真效果良好的情况下结合 LTCC工艺参数利用场仿真软件进行建模仿真，在场仿真结果达标的情况下进行了LTCC工艺加工，实物测试结果满足设计预期，说明整个LTCC滤波器的设计是成功的。致 谢本论文是在王静导师的悉心指导下完成的，从论文的选题、框架的设计，到最后的修改定稿，无一不倾注了王老师的心血。导师深厚的理
40、论素养，丰富的实践知识，开拓了我的视野，使我的科研能力有了很大的提高；老师的平易近人、求真务实、积极进取的人生态度也深深影响着我。在此，谨向勤谨的王老师表示衷心的感谢。同时衷心的感谢我单位学识渊博、工作实践经验丰富张书敬博士，对待工作勤谨认真、助人为乐的冯子卉工程师以及我所在生产线的所有的同事们。他们的热情帮助使我对问题的分析更加深入透彻，从而顺利的完成这篇论文。最后，我也要感谢我的亲朋好友，正是他们一直以来的鼓励与支持才使得我顺利完成学业。参考文献1G.E.Moore. The Future of Integrated Electronics,Fairchild Semiconduetor.
41、1965.2l吴国安,徐勤芬,汤清华,刘浩斌.基于LTCC技术的蓝牙巴伦设计.微波学报,Vo1.23,No.4,Aug.2007.Page(s):55-57.3 董兆文，LTCC 基板制造工艺研究.J.电子元件与材料，1998，17(5)：24-27。4 Alex Beiley et al. Miniature Filter for Digital Receiver， IEEE MTT-S Digest Part,1992 (2).999-1002.5 钟慧，张怀武，低温共烧陶瓷(LTCC)：特点、应用及问题J. 磁性材料与器件，34(4):33-35，2003.6 向明飞.超小型!高性能LT
42、CC滤波器的设计与研究.南京理工大学硕士论文,2007,67 8Tim Mobley, Tony Donisi, et al. Filter Design Flow and Implementation in LTCC. Partners In Design Worldwide Technical Workshops Presentation 16. Ansoft corporation and Dupont Electronic Technologies，2001.9 Alex Beileyet a.Miniature Filter for Digital Receiver, IEEE MT
43、T-S Digist Part, 1992(2).pp999-1002.10 K. C. Lee, H. T. Su, and W. S. H. Wong. Realization of a Wideband Bandpass Filter Using Cascaded Lowpass to Highpass Filter. IEEE.MTT-S 2008:Page(s): 14 -17.11 K. C. Lee, H. T. Su, and W. S. H. Wong. Realization of a Wideband Bandpass Filter Using Cascaded Lowpass to Highpass Filter. IEEE.MTT-S 2008:Page(s): 14 -17.
