LTCC滤波器

第 37 卷 增刊 电 子 科 技 大 学 学 报 Vol.37 suppl 2008年6月 Journal of University of Electronic Science and Technology of China Jun. 2008 LTCC带通滤波器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 夏 红1，徐自强2，王浩勤2 (1. 电子科技大学应用数学学院 成都 610054; 2. 电子科技大学电子科学技术研究院 成都 610054) 【摘要】低温共烧陶瓷(LTCC)技术作为一种新兴的集成封装技术，以其优良的高频、高速传输特性及小型化、高可靠 而备受关注。而建模分析和优化综合是叠层LTCC滤波器设计的关键。该文利用智能方法对叠层LTCC滤波器建模与优化，采 用LTCC技术制备多层结构的LTCC滤波器。该结构滤波器的尺寸显著减小，从而有利于实现电路的小型化。 关 键 词 滤波器; 低温共烧陶瓷; 建模; 神经网络 中图分类号 TM28 文献标识码 A Design of LTCC Multi-Layer Bandpasss Filter XIA Hong1，XU Zi-qiang2, and WANG Hao-qin2 (1. School of Applied Mathematics, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054; 2. Research Institute of Electronic Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054) Abstract As a new integrating and packing technology, the low temperature co-fired ceramic (LTCC) technology attracts close attention for its excellent high frequency and high speed transfer characteristics, miniaturization, and high reliability. Modeling and analysis, optimization, and synthesis are the issues in design of LTCC filters. This paper proposes a LTCC multi-layer bandpass filter based on the technology of LTCC and the neuromodeling technique. The filter is reduced in size and can be used to miniaturize the circuit. Key words filter; low temperature co-fired ceramic; modeling; neural network 收稿日期：2008 - 03 - 04 作者简介：夏 红(1981 - )，女，博士生，主要从事智能计算与建模方面的研究. 随着现代通信技术的飞速发展，特别是移动通 信市场的迅速扩张，小型化和轻量化的微波器件日 益受到广泛的重视。为了减少微波器件的体积，适 应通信系统的小型化要求，多层片式微波器件如滤 波器、双工器等研究开发日趋活跃，同时多层片式 微波器件在网络无线接入、卫星定位系统等领域具 有非常重要的应用前景。 为了在器件小型化的同时降低其损耗，获得更 高的品质因数，需要寻求新的材料和技术。在众多 的微波介质板材中，LTCC具有较多优势。LTCC采 用叠层工艺，用低电阻率的金、银、钯银、铜等金 属作导电介质。加上LTCC的陶瓷基片的组成成分可 变，根据配料的不同可生成具有不同电气性能(如介 电常数)和其他物理性能(如热膨胀系数)的介质材 料，以满足微波电路与系统高可靠性、小型化的要 求。此外各参量在一定范围内可调整，从而增加了 设计的灵活性[1]。 同时，为了能够指导LTCC滤波器设计，LTCC 滤波器设计需要有效的优化方法，建模方法依然是 目前LTCC滤波器计算机辅助设计技术的主要瓶颈。 为了更有效地进行LTCC滤波器的设计和仿真，必须 采用新的方法和技术。因此，神经网络被广泛应用 于微波电路的建模中[2]，而文献[3-4]利用神经网络 建模技术进行了LTCC滤波器的设计。建模中通过训 练学习，可以得到表述神经网络结构的参数，从而 输入变量和输出变量之间的非线性映射关系就可以 解析地表述出来，这样再求解任何一组输入变量对 应的输出变量，基本上不需要任何计算代价。为此， 本文利用神经网络建立LTCC滤波器几何尺寸与电 参数，以及主要元件与其寄生参数之间的非线性映 射，这种综合方法从电路的版图得到单个元件具有 寄生参数的电路模型，电路模型组成的功能电路将 是一种质量较高的模型。 1 LTCC技术工艺流程 常见的LTCC技术流程[4]如图1所示，其流程为： (1) 生瓷带的制备。LTCC材料是一种玻璃/陶瓷介电 材料，并掺有有机填充物，采用不同的配比，经过 浆化形成浆料，通过流延工艺形成厚度均匀、致密 并具有足够强度的生瓷带。(2) 打孔。生瓷带可采用 电 子 科 技 大 学 学 报 第 37 卷 48 切割机、冲床或激光进行切割。(3) 填孔。填孔是制 造LTCC基板的关键工艺之一，一般有厚膜丝网印 刷、掩模印刷和流延型印刷。(4) 导带的印刷。共烧 导电体的印刷可采用传统的厚膜丝网印刷和计算机 直接描绘。采用丝网印刷技术制作导带时，最细的 线宽可达100 µm。(5) 叠片、热压及切片。将印制 好的导体和形成互连通孔的生瓷片，按预先设计的 层数和次序依次叠放到一起，在一定的温度和压力 下粘接形成一个完整的多层基板坯体。(6) 排胶工 艺。排胶对共烧多层陶瓷基板的质量有着很大的影 响，排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形和分层； 排胶过量，又会使金属化图形脱落或基板碎裂。 (7) 共烧技术。低温共烧技术的关键是烧结曲线和炉 膛温度的均匀性。烧结时升温速度过快，会导致基 板的平整度差，炉膛温度的均匀性差，烧结后基板 收缩率的一致性也差。(8) 镀端电极，组装等。 生宽带 叠片 成品检验 共烧 切割 等静压 裁切 打孔 填孔 导体印刷 电性能测试 图1 LTCC制备技术工艺流程图 2 基于LTCC技术多层片式滤波器设 计流程 LTCC技术多层片式滤波器设计流程如图2所示。 分析设计滤波器的技术指标 建立粗模型(等效电路模型) 采用 ADS 软件优化仿真 滤波器电路原理图 是否满足指标 N Y 三维结构电 路优化仿真 建立细模型 (三维物理结构模型) 采用 HFSS 实现三 维电路整体结构 是否满足指标 工艺实现 Y Y 图2 LTCC技术多层片式滤波器设计流程 3 LTCC滤波器的制备 3.1 技术指标 本文采用的外形尺寸：2.0 mm×1.25 mm×0.80 mm； 中心频率f0：5.85 GHz；通带宽度：1.2 GHz；插入 损耗：≤2.0 dB；驻波比：≤2.0；阻带损耗：≥25 dB (4 GHz)和≥25 dB(8 GHz)，输入/输出阻抗：50 W。 3.2 滤波器的制备 进行LTCC带通滤波器制备时，须考虑电路的寄 生效应，对于多层微波电路的设计由于复杂的电磁 耦合影响，刚建立的模型精度不够高，它只可用作 频率部分空间神经网络建模高质量的粗模型。这样 粗模型可以借助电路仿真软件，如Agilent ADS或 Ansoft HFSS使建模的灵活性增强，同时提高建模精 度和速度。具体实现步骤[5]如下： (1) 优化粗模型得到粗模型的优化解，利用NN2 把优化解映射到细模型中，得到Xf ；按照基点采样 方法采n个基点。 (2) 根据定义的误差限，匹配粗细模型响应，在 粗模型中进行参数提取，利用训练NN2的数据训练 出用于元件几何参数与其电参数映射的神经网络 NN3。在粗模型的优化过程中，由于元件的寄生参 数变化没有元件本身变化迅速，保持寄生参数不变 只优化元件主参数，然后由NN1映射出新的寄生参 数值，再一次重复该过程就可以得到最优的元件电 参数。 (3) 将曲线拟合的结果作为神经网络NN的输出 变量，细模型的值Xf和频率fc作为神经网络NN的输 入变量，训练神经网络参数。神经网络的结构如图3 所示，输入是几何参数而输出是电参数，为保证拟 合的一致性，需要足够多的采样点。 归一化 xc1 fe 频率 xf1 输出层 隐藏层 输入层 xfn xcn 归一化 … … … R L C 几何参数 W 几何参数 1 … 图3 神经网络结构示意图 (4) 在测试点测试神经网络的可靠性。利用训练 好的神经网络，细模型的响应可以用粗模型在新映 射基点的响应很好的近似。 (5) 利用建好的版图级的细模型，根据设计目标 寻找最优解。 (6) 用细模型进行测试，如果没有达到理想的响 应，根据设计经验进行小范围的调整。 同时，利用建立的几何尺寸与电参数映射，对 于多层电路提取出电参数，使优化可以利用电路仿 增刊 夏 红 等: LTCC 带通滤波器的设计 49 真软件，设计时间显著减少。根据滤波器的性能指 标用等效电路作为中介提取版图的物理尺寸。这种 方法从版图建立尽可能考虑元件寄生效应的单个元 件的电路模型，再组成功能电路。版图物理尺寸可 以从训练好的映射电参数和物理尺寸的神经网络得 到。等效电路作为电磁仿真和电路仿真的接口，用 场仿真软件对每个元件进行仿真建模。采用Agilent ADS软件针对所给滤波器指标进行设计，得到电路 原理图如图4所示。 滤波器介质层材料用ULF140微波介质陶瓷，相 对介电常数εr =14，品质因数Q>2 000，频率温度系 数τf ≈0，内外电极材料用银电极。器件多层结构设 计用微带线构成两级谐振器，耦合电容层C12，输入 输出电容与耦合电容在同一层。 材料介电常数每变化2%，中心频率将移动20～ 30 MHz，由于层间的耦合电容与负载电容随介电常 数的增大而增大，器件中心频率将随介电常数的增 大而降低，中心频率向低频移动，因此，在设计滤 波器时必须在性能上留有余量。 本文利用HFSS对滤波器结构进行了仿真。图5 为一个设计中被广泛采用的带状线结构滤波器，由 三个图案层组成。同时，从图中可知，这是一个两 级谐振滤波器，且两个谐振单元的结构是一样的， 它们之间通过电磁耦合来连接，由于多层陶瓷微波 滤波器使用的是非铁磁性介质，因此，级间耦合主 要靠电容耦合来实现，所以，在讨论耦合情况时， 只考虑电容耦合。 经过实验和分析，该滤波器谐振单元的电感L 由导体N的自电感LN提供，谐振单元的谐振电容由 导体N的自电容CN和导体N与导体R以及导体N与 导体S之间的耦合电容CR、CS提供。谐振单元之间 的耦合电容C12由两谐振单元中对应的N-N、R-R、 S-S之间各自耦合电容的总和组成。这样通过求解图 5中所有导体形成的电容电感矩阵，来得到图4中各 参数的具体数值，进而通过对此等效电路进行电路 分析而得到该滤波器的响应[6]。 LTCC片式滤波器的加工生产须经过流延、打 孔、通孔填充、印刷电极、叠层和等静压、切片、 共烧工艺过程。能否控制好工艺精度是生产合格器 件的保证。实际生产出来的LTCC片式滤波器，尺寸 为2.05 mm×1.26 mm×0.81mm。仿真的电性能参数和 实际生产出来的样品电性能参数如表1所示。样品测 试所用仪器为Agilent E8363B矢量网络分析仪。 Z 50 W L1 L2 Z 50 W C1 C2 C3 50 W Z C2 C5 C6 C7 C8 C9 输入输出端口 图4 LTCC多层片式滤波器原理图 图5 LTCC带通滤波器三维模型图 表1 样品仿真值与实际测试值比较 指标 仿真值 测试值 中心频率/GHz 5.85 5.95 通带插损/dB ≤2 ≤2.2 带宽/MHz 1.2 1.05 驻波比 ≤2 ≤2.1 ≥25(4 GHz) ≥21(4 GHz) 阻带损耗/dB ≥25(8 GHz) ≥20(8 GHz) 从表中可以看出，仿真值与实际值接近，但是 存在一定的差异。导致器件性能变差的因素很多， 如流延出来的介质基片的厚度不一致、印刷叠层和 热压造成的错位、切片时的偏差和器件变形及共烧 时的收缩不均匀等[7-8]。解决这些问题除了提高工艺 水平外，前期优良的设计也是解决的途径之一。如 在设计中尽量避免耦合间距过小，层数过多等。同 时应多采用简洁的电路结构，减少不必要的工艺 过程。 4 结 论 利用智能方法对叠层LTCC滤波器的建模与优 化，采用低温共烧陶瓷技术制备出多层结构的LTCC 滤波器。该结构滤波器的尺寸显著减小，从而有利 于实现电路的小型化。 (下转第136页)