基于薄膜工藝的W波段LTCC濾波器的研制

摘要：本文采用自主開發(fā)的低介電常數低損耗LTCC材料K5研制了一款W波段帶通濾波器。該帶通濾波器采用工作在TE104次模的SIW結構，為了減小LTCC印刷導體表面粗糙度大帶來的損耗，該濾波器在LTCC上下兩個表面的金屬采用了薄膜工藝進行加工。濾波器測試結果表明在頻率86.5GHz～91.5GHz范圍內插入損耗小于2.7d B（駐波<1.6）。

引言

作為大氣傳播中傳播衰減較小的一個頻段，W波段已經在雷達、導彈末制導、毫米波對抗、毫米波通信等領域得到了廣泛的應用，而濾波器是這些系統中常用的無源器件。在 W 頻段常用的濾波器是波導腔體濾波器，它具有插入損耗小、矩形系數好、易于通過機加工實現等優(yōu)點，但該類濾波器最大的缺點是體積比較大，且很難和平面電路進行集成，另外隨著頻率的提高，對濾波器的加工精度要求也提高了。為了和平面電路進行集成，也可以在介質基板上采用微帶線或帶狀線設計濾波器，它的優(yōu)點是可以和其他的有源器件進行系統集成，減小體積，但它的缺點也是很明顯的，就是插入損耗比較大，這是由于平面電路本身的特性和所使用的材料決定的。SIW 結構結合了波導和平面電路的優(yōu)點，其性能介于兩者之間，已經成為毫米波濾波器設計的重要發(fā)展方向。

1、K5 LTCC材料特性

本文基于自主開發(fā)的K5 LTCC陶瓷材料進行W波段帶通濾波器的設計和加工。K5 LTCC陶瓷材料是采用多步固相合成的CaO-B2O3-SiO2體系復相材料和高硅玻璃二元復合的材料系統，并添加少量析晶抑制劑來穩(wěn)定材料的相組成。多步固相合成的CaO-B2O3-SiO2體系復相材料主要由硅灰石等結晶相組成，減小了玻璃無規(guī)則網絡帶來的毫米波條件下的介電損耗，預先形成的結晶相也避免了傳統微晶玻璃在燒結過程中析晶相受工藝條件的影響而導致的介電常數波動。析晶抑制劑的加入可以抑制高硅玻璃在LTCC 材料燒結過程中形成結晶石英相而帶來的介電常數變化及力學性能等的變化，從而保證LTCC 材料的介電性能精確可控。K5 LTCC 材料的具體性能參數如表1所示，其介電特性、物理特性和燒結溫度都滿足 W 波段電路設計和現有的 LTCC 加工工藝要求。

表1 K5低介電材料綜合性能

2、W波段帶通濾波器設計

W波段濾波器指標：中心頻率：89GHz；相對帶寬：5%；插入損耗：＜3dB；采用 2 階 Chebyshev 濾波器形式。

根據耦合矩陣理論，可以優(yōu)化得到設計該濾波器的耦合矩陣如式(1)所示。外部品質因數：

其頻率響應特性如圖(1)所示。

在設計該濾波器時采用 TE104模，諧振腔的諧振頻率和腔體的物理尺寸關系如式(2)所示。

式(2)中，m,n, p分別是諧振腔寬度、高度和長度方向上的模式，此處m=1，n=0，p=4，Weff，Heff，Leff是等效波導寬度、高度和長度，它們和SIW結構的物理參數的關系如式(3)所示。

圖 1 基于耦合矩陣的 W 波段濾波器特性

式(3)中，W, L, d,s 分別為SIW諧振腔的寬度、長度、通孔的直徑以及通孔間的間距，如圖(2)所示。

圖2 SIW諧振腔結構及尺寸

根據 K5 材料的介電常數，可以計算出 TE104 模在 89.0GHz 頻率諧振時的物理尺寸：W=1.5mm，H=0.6mm，L=3.25mm，濾波器輸入輸出端采用共面波導進行激勵，兩個諧振腔之間采用感性耦合窗實現耦合，耦合系數通過公式(4)確定。

式(4)中，k 是耦合系數，fp1，fp2表示相互耦合的兩諧振器等效電路的對稱面上分別是理想電壁或理想磁壁將兩個諧振器隔開時對應與上述兩種情況的單個諧振器的諧振頻率。耦合系數的大小和耦合窗的寬度相關，可以通過仿真和式(4)得到耦合系數和耦合窗的寬度的關系曲線，從而獲得該濾波器耦合系數對應的耦合窗的寬度。

對于該模型的外部品質因數的提取，需建立其單端口模型，對其進行全波仿真，得到單端口群時延大小，通過公式(5)計算得出其外部品質因數大小。

根據上面的仿真和計算結果建立如圖 3 所示的濾波器仿真模型，在此基礎上進行優(yōu)化，可以得到滿足指標要求的濾波器的最終物理尺寸。

圖3 共面波導激勵的二階 SIW 濾波器仿真模型

3、W 波段帶通濾波器的制作

在 W 頻段基于常規(guī) LTCC 工藝的濾波器損耗特性是它能否滿足實際使用需求的關鍵指標。SIW 結構設計的濾波器的損耗主要包括了輻射損耗、介質損耗和金屬導體損耗。實際建立仿真模型時，SIW 的側壁通過三排的金屬孔來實現，如圖 3 所示，這三排金屬孔錯位放置，這樣既可以減小 SIW 側壁電磁泄露，又能滿足 LTCC 基板加工的要求。介質損耗由 LTCC 材料的介質損耗角 tanδ決定，本文設計的濾波器采用了自主開發(fā)的 K5 LTCC材料的介質損耗角為0.0012，屬于損耗比較低的 LTCC 材料；金屬損耗主要取決于所使用的金屬，在LTCC 工藝中通常采用銀或者是金，這兩種材料導電率都比較高，但在常規(guī)的LTCC 工藝中，金屬是以金屬漿料的形式通過絲網印刷工藝在 LTCC 生瓷上的，金屬漿料內摻雜了一些有機溶劑，在燒結的過程中有機溶劑揮發(fā)，導致了金屬導體的表面粗糙度變得非常差（2-3μm），隨著頻率的升高，金屬表面粗糙度將成為影響器件損耗的關鍵因素。為了降低金屬導體的表面粗糙度，在常規(guī) LTCC 工藝的基礎上增加了薄膜工藝流程，LTCC 基板內部的電路還采用常規(guī)的絲網印刷工藝，而在 LTCC 基板表面的金屬，也就是 SIW 結構的上下底面金屬采用薄膜工藝進行制作，工藝過程包括基板的拋光、金屬濺射、電鍍金等流程，最終可以使金屬的表面粗糙度降到 0.2μm，能有效降低濾波器的導體損耗。另外本文設計的濾波器為了能夠用探針進行電性能測試，輸入輸出端的共面波導信號線的線條寬度為75μm，信號線和地之間的間距為 25μm，這是常規(guī)的 LTCC 絲網印刷工藝不能實現的，而薄膜工藝可以制作相對于印刷工藝更細的線條和線條間距，而且可以把金屬線條以及線條之間間距的精度控制在 1μm以內。

4、W 波段帶通濾波器的測試

采用探針對制作的 LTCC 濾波器的性能進行了測試，測試設備包括 Agilent PNA-X N5245A型矢量網絡分析儀和一對OMLWR-10(75GHz～100GHz)括頻模塊以及CASCADE 的 S-GSG100 探針。濾波器的測試結果和仿真結果對比如圖 4 所示，兩者吻合較好，濾波器在 86.5GHz～91.5GHz 頻率范圍內測試的插入損耗小于2.7dB，滿足設計目標要求。

圖4 濾波器測試和仿真結果對比

5、結論

本文基于自主開發(fā)的 K5LTCC 材料采用 SIW 結構設計了一款 2 階 W 波段帶通濾波器，在常規(guī)的 LTCC 基板制作工藝基礎上增加了薄膜工藝以降低濾波器表面金屬的粗糙度，從而改善濾波器的損耗特性，制作的濾波器樣品的中心頻率為89GHz，在5%的相對帶寬內測試插入損耗小于2.7d B，達到了小于3d B的預期目標。

審核編輯：湯梓紅