一种5G通信用LTCC带通滤波器的设计与实现

摘要: 基于低温共烧陶瓷( LTCC) 技术，使用HFSS 三维电磁场软件设计仿真了一种5G 通信用LTCC 带通滤波器。该带通滤波器使用电感耦合和电容耦合双耦合原理，采用半集总结构设计，经过设计仿真优化，结合LTCC 产线制程工艺，制备完成了一款小型化5G 通信用滤波器。测试仿真结果对比: 实际测试结果和仿真设计结果接近，滤波器中心频率为3. 5 GHz。该滤波器适用于5G 通信领域终端设备。

关键词: LTCC; 5G 通信; 带通滤波器; 半集总结构

随着5G 通信技术的快速发展及商用牌照的发放，5G 网络建设已逐渐全面步入正轨。在5G 通信频谱划分中，中国移动获得2515 ～ 2675 MHz，4800～4900 MHz 频谱资源，中国联通和中国电信则分别获得了3500～3600 MHz，3400～3500 MHz 的国际主流频段，新一代通讯技术正向高速率、大容量、低延时和高可靠转变，对用于通信的电子元器件提出了高频化、大带宽和高可靠的要求。低温共烧陶瓷技术( Low Temperature Cofired Ceramic，LTCC) 是近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术，涉及电路设计、材料科学、微波技术等广泛的领域，它在信息时代为各种电子系统的元器件及模块小型化、轻量化、高频化及高可靠性提供了比较好的解决途径。基于LTCC 技术的滤波器具备高频、大带宽和高可靠特点，适合用于5G 通信微基站和终端设备^［1－7］。基于LTCC 技术的带通滤波器已有许多相关研究，任辉、杨邦朝等采用五层立体结构，研究了蓝牙频段2. 45 GHz 带通滤波器^［8］，陈鹏、李中云等采用折叠线交指结构，研究了S 波段的带通滤波器^［9］，但目前基于5G 频段的带通滤波器的研究较少。随着5G 通信网络商业市场布局，5G 频段用带通滤波器的需求越来越迫切，为满足市场需求，本研究开发了一种5G 通信用LTCC 带通滤波器。

本研究设计的实现依赖于先进的LTCC 技术，LTCC 技术的具体实现过程如下: 将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，然后叠压在一起，最后在900 ℃烧结成型。整个制作过程可以看作将多个被动组件( 如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等) 埋入多层陶瓷基板中，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，而且其表面可以贴装IC 和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，此种技术尤其适用于制备高频通讯组件。 本文基于LTCC 集成技术，使用三维电路的系统设计，实现了一种中心频率为3. 5 GHz 的LTCC带通滤波器，相较于其他类型滤波器，该型带通滤波器具有尺寸小、易封装、低成本等优势，而且该带通滤波器适用于5G 通信微基站和终端设备。

1 5G 带通滤波器原理与设计

1.1 5G 带通滤波器的原理图

该款滤波器使用ADS 电路设计仿真软件，采用电感耦合和电容耦合双耦合设计方案，整体形成“田”字型结构原理图^［10］。结合LTCC 技术特点，该款滤波器将采用电容耦合、电感耦合、电感电容半集总结构方式，采用4 阶谐振器设计^［11］，由耦合电感、耦合电容以及分布式电感、电容组成主要电路，且具有小型化、易制备等优点。该款带通滤波器等效电路原理图如图1 所示。

图1. 4 阶带通滤波器等效电路图

1.2  5G 带通滤波器内部集成设计

设计采用国产自主知识产权的LTCC 陶瓷粉料制成的生瓷带( εr = 5. 3) ，内部电极使用银作为导体电极，其使用的银电极具有纯度高、电阻率小、导电性能优良的特点。通过HFSS 三维电磁仿真软件对内部集成的电容和电感分布位置进行优化调整，优化调整的目的在于提高产品性能，降低产品特定指标的损耗，同时充分过滤低频率和高频率的噪音信号，从而进一步降低信号传输过程中产生的能量损耗，优化过后的带通滤波器的具体指标如表1所示。

表1 带通滤波器具体指标

以性能为目标导向，需要不断优化内部电感电容分布参数值，同时消除电感电容相互耦合产生的寄生效应。分析调整电感和电容组合L1C1、L2C2、L3C3、L4C4 系数值，将对通带外抑制产生影响，分析调整L12、L34、C23 耦合系数值，将对通带内回损和带宽产生影响。分析优化后电感电容分布值为: C1( 3. 515 pF) ; C2 ( 3. 57 pF) ; C3 ( 4. 2 pF) ;C4 ( 3. 1 pF ) ; W ( 0. 1 mm) ， L1 ( 2. 7 nH ) ， L2( 4 nH) ，L3( 2. 27 nH) ，L4( 4. 25 nH) 。

1.3  5G 带通滤波器三维结构及仿真

本设计的带通滤波器采用半集总结构形式，此形式包含4 阶电感电容谐振器、耦合电容以及耦合电感等结构。该款带通滤波器的电感电容均内埋于陶瓷材料中，内部集成电感采用带状线形式，其具备高品质因数和耦合系数可调的特点。电容结构形式采用MIM( Mental Insulator Mental) 集成结构形式，其有效提高了电容电极板集成度。谐振器的电感、电容两端接地。耦合电容C23 位于电容C2 和C3 之间，此耦合系数用于调节通带外的传输零点频点位置，电感耦合分别位于L1 和L2 之间、L3 和L4 之间，采用带状线绕制而成，用于磁场耦合连接L1C1、L2C2、L3C3、L4C4 谐振器单元，其谐振系数用于调节通带带宽和回波损耗性能。电容C3 和C4，电感L3 和L4，两端分别接地，依据设计的不断调整优化，其电感耦合使用的带状线三维模型结构如图2 所示。

图2 带状线三维模型图

式中: Li为谐振器电感; Ci为谐振器电容; Cri为耦合电容系数; Mij为耦合电感系数; w 为带状线的宽度; d 为两个相邻带状线之间的距离; b 为带状线与地面之间的距离; l 为带状线的长度; ε 为均匀介质的介电常数; μ 为均匀介质的磁导率; f1与f2为两个本征频率。平板的面积以及上下平板之间的距离会影响电容值的变化，面积越大，层间间距越小，电容值越大。在三维建模仿真软件中的电容部分模型的三维结构如图3 所示。

图3 电容耦合部分三维结构图

为了降低等效串联电阻和寄生电感对性能的影响，通孔孔径在100～120 μm 时为最佳，同时采用机械冲孔方式加工，以便降低带内的插入损耗。带状线的位置精度会影响电感耦合系数大小，因此对生瓷带的加工控制较为严格，整体结构采用无封端结构形式，其所有信号将在底部进行输入输出和接地，免封端形式的带通滤波器整体结构如图4 所示。

图4 5G 带通滤波器整体结构图

为了追求性能最优，需要不断优化集总电感和电容，同时容差分析内部带状线位置对性能的影响，最终仿真曲线结果如图5 所示，由曲线图可见其在通带内3400～3700 MHz 的衰减量为1. 3 dB，在1982 MHz 的衰减量为48 dB，在460 MHz 的衰减量为60 dB，在6021 MHz 的衰减量为40 dB，产品性能优异。

图5 5G 带通滤波器仿真结果图

2 5G 带通滤波器制备和测试结果

本文带通滤波器采用LTCC 低温共烧陶瓷技术制备，整个制备流程如图6 所示。将介电陶瓷粉体进行配料制浆，制浆是指以合适的比例将厚膜浆料的各种成分混合在一起，先后在砂磨机、高压分散机中充分处理，使各类成分均匀分散，充分混合。料浆通过自动上料系统进入流延头，以一定的厚度涂敷在专用基带上，经干燥、固化后形成所需生瓷带。在流延制好的陶瓷介质膜卷上，将内电极浆料( 如银浆) 通过丝网刮印的方式印刷成具有一定形状与尺寸的内电极图形，后经过叠层和层压将电极形成具有电路性能连接的三维电路。此时形成的三维电路结构处于生胚的芯片状态，将待排胶芯片置于相应工艺曲线的排胶炉或排胶箱内，通过加温加热和气流将芯片生坯中的有机物排除掉，以利于高温烧结，此环节处理前后存在14%收缩，内部银电极和生瓷片材料烧结过程需匹配，最终成为高度致密的独石结构，后续经过表面金属化处理形成最终产品。产品最终尺寸为2. 0 mm×1. 2 mm×0. 8 mm，滤波器实物如图7所示。

图6 LTCC 工艺流程图

图7 5G 带通滤波器实物图

将产品在50 Ω 馈线的测试版上进行固定，使用矢量网络分析仪Agilent ENA 系列E5071C 进行输入输出精确校准，校准后测试结果和仿真曲线结果如图8 所示，由曲线可见其在通带内和通带外的重合度很高，结果表明设计仿真性能和产品实际测试性能接近。 测试结果显示，产品性能符合要求。通过图8的直观对比可以看出实际产品的测试结果与仿真曲线存在一定的偏差。偏差主要体现在带宽方面，经过分析，主要是两个干扰因素: 一是测试，测试板在校准时存在校准偏差，测试时存在一定的测试偏差; 二是工艺，加工成型产品与设计仿真的理想模型存在一定偏差。究其物理原理，带宽偏差的主要因素是带状线间距偏大，导致电感耦合系数偏低，带宽偏小，测试内部带状线偏大情况如图9，图片中亮黄色线条为带状线，橙色部分为LTCC 陶瓷介质，其带状线间距为33 ～ 35 μm，其间距存在2 μm的上下偏差。

图8 5G 带通滤波器测试结果与仿真结果对比图

图9 5G 带通滤波器内部带状线剖析图

另一方面，加工成型过程中产品整体缩小的比例和预期的收缩率有偏差。解决此偏差问题需要多次统计生瓷带烧结前后的收缩变化率，以及在制备生瓷带时严格控制厚度偏差和成型质量。同时加强加工生产过程的品质控制，从而控制产品性能的一致性，减小最终的测试性能偏差。 3 结论 基于LTCC 工艺技术，为满足5G 通信终端市场需求，开发了一种适用于5G 通信的LTCC 带通滤波器。该带通滤波器使用电感和电容双耦合原理，采取4 阶谐振电路设计，同时借用LTCC 技术的优势，内部电路通过通孔连接的方式实现免封端。研究结果表明，相对比其他类型的滤波器，此款产品尺寸小，制备成本低，满足了5G 通信对3. 5 GHz 频段的使用需求，同时LTCC 技术的优势，使其在实际应用中具备高可靠性、高稳定性和高功率特点。因此，该款滤波器适用于5G 通信网络布局的微基站和移动射频终端模块设备。

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