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(shù)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(jié)構(gòu)，為了減小LTCC印刷導(dǎo)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(jìn)行加工。濾波器測試結(jié)果表明在頻率86.5GHz～91.5GHz范圍內(nèi)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(jīng)在雷達(dá)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)、毫米波對抗、毫米波通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而濾波器是這些系統(tǒng)中常用的無源器件。在 W 頻段常用的濾波器是波導(dǎo)腔體濾波器，它具有插入損耗小、矩形系數(shù)好、易于通過機(jī)加工實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但該類濾波器最大的缺點(diǎn)是體積比較大，且很難和平面電路進(jìn)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(jìn)行集成，也可以在介質(zhì)基板上采用微帶線或帶狀線設(shè)計(jì)濾波器，它的優(yōu)點(diǎn)是可以和其他的有源器件進(jìn)行系統(tǒng)集成，減小體積，但它的缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)結(jié)合了波導(dǎo)和平面電路的優(yōu)點(diǎn)，其性能介于兩者之間，已經(jīng)成為毫米波濾波器設(shè)計(jì)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(jìn)行W波段帶通濾波器的設(shè)計(jì)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(fù)相材料和高硅玻璃二元復(fù)合的材料系統(tǒng)，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(fù)相材料主要由硅灰石等結(jié)晶相組成，減小了玻璃無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)帶來的毫米波條件下的介電損耗，預(yù)先形成的結(jié)晶相也避免了傳統(tǒng)微晶玻璃在燒結(jié)過程中析晶相受工藝條件的影響而導(dǎo)致的介電常數(shù)波動。析晶抑制劑的加入可以抑制高硅玻璃在LTCC 材料燒結(jié)過程中形成結(jié)晶石英相而帶來的介電常數(shù)變化及力學(xué)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(shù)如表1所示，其介電特性、物理特性和燒結(jié)溫度都滿足 W 波段電路設(shè)計(jì)和現(xiàn)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(shè)計(jì)

W波段濾波器指標(biāo)：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(jù)耦合矩陣?yán)碚摚梢詢?yōu)化得到設(shè)計(jì)該濾波器的耦合矩陣如式(1)所示。外部品質(zhì)因數(shù)：

其頻率響應(yīng)特性如圖(1)所示。

在設(shè)計(jì)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(guān)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(dǎo)寬度、高度和長度，它們和SIW結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)的關(guān)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(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù) K5 材料的介電常數(shù)，可以計(jì)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(dǎo)進(jìn)行激勵，兩個諧振腔之間采用感性耦合窗實(shí)現(xiàn)耦合，耦合系數(shù)通過公式(4)確定。

式(4)中，k 是耦合系數(shù)，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(yīng)與上述兩種情況的單個諧振器的諧振頻率。耦合系數(shù)的大小和耦合窗的寬度相關(guān)，可以通過仿真和式(4)得到耦合系數(shù)和耦合窗的寬度的關(guān)系曲線，從而獲得該濾波器耦合系數(shù)對應(yīng)的耦合窗的寬度。

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

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

圖3 共面波導(dǎo)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(shí)際使用需求的關(guān)鍵指標(biāo)。SIW 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的濾波器的損耗主要包括了輻射損耗、介質(zhì)損耗和金屬導(dǎo)體損耗。實(shí)際建立仿真模型時，SIW 的側(cè)壁通過三排的金屬孔來實(shí)現(xiàn)，如圖 3 所示，這三排金屬孔錯位放置，這樣既可以減小 SIW 側(cè)壁電磁泄露，又能滿足 LTCC 基板加工的要求。介質(zhì)損耗由 LTCC 材料的介質(zhì)損耗角 tanδ決定，本文設(shè)計(jì)的濾波器采用了自主開發(fā)的 K5 LTCC材料的介質(zhì)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(dǎo)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(wǎng)印刷工藝在 LTCC 生瓷上的，金屬漿料內(nèi)摻雜了一些有機(jī)溶劑，在燒結(jié)的過程中有機(jī)溶劑揮發(fā)，導(dǎo)致了金屬導(dǎo)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(guān)鍵因素。為了降低金屬導(dǎo)體的表面粗糙度，在常規(guī) LTCC 工藝的基礎(chǔ)上增加了薄膜工藝流程，LTCC 基板內(nèi)部的電路還采用常規(guī)的絲網(wǎng)印刷工藝，而在 LTCC 基板表面的金屬，也就是 SIW 結(jié)構(gòu)的上下底面金屬采用薄膜工藝進(jìn)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(dǎo)體損耗。另外本文設(shè)計(jì)的濾波器為了能夠用探針進(jìn)行電性能測試，輸入輸出端的共面波導(dǎo)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(wǎng)印刷工藝不能實(shí)現(xiàn)的，而薄膜工藝可以制作相對于印刷工藝更細(xì)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(nèi)。

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(jìn)行了測試，測試設(shè)備包括 Agilent PNA-X N5245A型矢量網(wǎng)絡(luò)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(jié)果和仿真結(jié)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(nèi)測試的插入損耗小于2.7dB，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

圖4 濾波器測試和仿真結(jié)果對比

5、結(jié)論

本文基于自主開發(fā)的 K5LTCC 材料采用 SIW 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǔ)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(nèi)測試插入損耗小于2.7d B，達(dá)到了小于3d B的預(yù)期目標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅