基于ltcc技术滤波器的优化设计

摘要随着无线通信的迅速发展，无线产品特别是射频、微波领域越来越需要高性能、高可靠性、低成本及良好的温度特性，小、轻、薄已经成为电子产品的发展趋势。这势必对IC集成及高密度封装技术提出更高的要求，传统的电路印刷PCB技术由于自身的特点大大限制了贴片分离元器件的小型化，LTCC技术作为一门新兴技术很好的解决了这个问题,另外鉴于滤波器在无线通信特别是在无线通信设备的射频前端占有重要的地位，本文就围绕着基于LTCC技术滤波器的优化设计展开，对LTCC技术相关内容加以分析和讨论。本文第一部分首先就LTCC技术相对于传统的集成封装技术的优点、LTCC材料及基于LTCC技术产品的国内外发展现状及动态的介绍，以便于把握LTCC技术的发展动态；给出了LTCC技术工艺流程，并对每一工艺流程中的关键问题加以介绍；并对LTCC技术部分设计原则及应用软件加以介绍，以便为后面的三维电路建模提供了设计依据和设计手段。本文第二部分首先通过对基于LTCC技术内埋置电感、电容三维建模及电磁场仿真得到几种常见电感、电容三维结构模型比较结果，从中得到HELICAL、VIC分别为LTCC内埋置电感、电容最佳模型选择；列举出影响内埋置电感、电容性能的各种因素，并给出结论分析及理论解释；得出修正T模型应用频宽远远大于传统的PI模型。第二部分的另外一个主要内容是LTCC滤波器优化设计，针对同一滤波器技术指标给出了两种结构单零点和双零点。后者是在前者的基础上改进的。两种结构均可以满足给定的技术指标要求，后者在高频带外抑制要优于前者。关键词LTCC技术，阶跃阻抗谐振器，HELICAL，滤波器ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATION,THELATESTWIRELESSPRODUCTSDEMANDEVERGREATERFUNCTIONALITY,HIGHERPERFORMANCE,ANDLOWERCOSTINSMALLERANDLIGHTERFORMATSTHATHASBEENSATISFIEDTODATEBYMAJORADVANCESININTEGRATEDCIRCUITICANDHIGHDENSITYPACKAGINGTECHNOLOGIES,EVENTHOUGHTHERFSECTIONSHAVECONTINUEDTODEMANDHIGHPERFORMANCEANDMINIATURIZEDPASSIVECOMPONENTSSUCHASMATCHINGANDFILTERINGCIRCUITRYCONTINUINGREDUCTIONSINSIZEOFDISCRETESURFACEMOUNTEDCOMPONENTSAREHAVINGDIMINISHINGRETURNSBECAUSEOFTHEINCOMPATIBILITYOFTHEPRINTEDCIRCUITBOARDPCBTECHNOLOGY,ASWELLASTHEHIGHCOSTOFASSEMBLYOFTHOSETINYDISCRETECOMPONENTSANDLOWTEMPERATURECOFFEREDCERAMICSLTCCCANMEETTHEDEMANDVERYWELLASWEALLKNOWTHATTHEFILTERISVERYIMPORTANCEINTHERFFRONTENDOFWIRELESSCOMMUNICATIONTHENWESTUDYTHEFILTERBASINGONLTCC,ANDINTRODUCETHECORRELATIONOFLTCCTHEPARTONEINTRODUCESTHEDEVELOPMENTACTUALITY,TRENDSANDTHETECHNOLOGYOFTHELOWTEMPERATURECOFIREDCERAMICSLTCCRESPECTIVELY,ANDINTRODUCESTHETECHNIQUES,THEKEYISSUESANDTHEDESIGNPRINCIPLEOFLTCCCIRCUITSANDTHEDESIGNTOOLS,SUCHASAGILENTADS,ANSOFTHFSSTHEPARTTWO,ATFIRSTGIVETHETHREEDIMENSIONALBUILDINGMODELFORBURIEDINDUCTORANDCAPACITANCEINLTCCANDTHEDESIGNOFLTCCFILTERRESPECTIVELYFINDTHATTHEHELICAL,VICISTHEBETTERMODELSEPARATELYANDGETTHEEQUIVALENTCIRCUITSOFTHEINDUCTORANDCAPACITANCEINLTCC,ANDTHATTHEMODIFIEDTISBETTERTHANTRADITIONPIMODELTHEREARETWOWAYSTOARRIVETHEGOAL,SUCHASTHESINGLEZEROSANDTWOZEROSMODELTHESECONDMODELISBETTERTHANTHEFIRSTONEINTHEHIGHBANDSTOPOFTHEFILTERKEYWORDSTHETECHNOLOGYOFLOWTEMPERATURECOFIREDCERAMICS,STEPPEDIMPEDANCERESONATOR,HELICAL,FILTER目录第一章绪论111研究背景112LTCC技术研究现状及动态2121LTCC材料的现状及动态2122LTCC技术应用的现状及动态313LTCC技术面临问题及未来展望5131LTCC技术面临问题5132LTCC技术未来展望614课题来源及研究意义715本论文的主要内容7第二章LTCC技术821引言822LTCC技术工艺流程1510221LTCC生瓷带制备10222生瓷带打孔前处理工艺12223打孔13224填孔13225导体层印刷14226叠片14227烘巴及等静压14228切割15229排胶152210烧结162211测试1623LTCC技术部分设计原则探讨16231LTCC中导体设计17232通孔19233射频通孔21234电源及接地21235空腔2224LTCC技术仿真及设计软件介绍2325本章小结26第三章基于LTCC技术内埋电感电容的设计与分析2731简介2732LTCC内埋置电感设计与分析28321目前LTCC内埋置电感基本类型28323LTCC埋置电感设计流程32324三种LTCC电感建模及分析比较33325LTCCHELICAL三维电感影响因素分析36326电感等效电路模型理论4733电容设计与分析51331LTCC内埋置电容性能指标及其计算5234本章结论56第四章基于LTCC技术的无源滤波器设计5741引言5742滤波器设计基础57421滤波器技术指标58422滤波器分类59423频率变换6243阶跃阻抗谐振器SIR64431SIR的基本结构64432SIR谐振条件和谐振器的电学长度6544LTCC滤波器设计实例68441实例设计目标指标68442LTCC滤波器设计流程68443实例设计方案及实施6945本章结论80第五章结论82致谢83参考文献84个人简历87第一章绪论11研究背景近年来随着军用电子整机、通讯类电子产品及消费类电子产品迅速向短、小、轻、薄方向发展，手机、PDA、MP3、笔记本电脑等终端系统的功能愈来愈多，体积愈来愈小，电路组装密度愈来愈高。若能将部分无源元件集成到基板中，则不仅有利于系统的小型化，提高电路的组装密度，还有利于提高系统的可靠性。目前的封装集成技术主要有薄膜技术、硅片半导体技术、多层电路板技术13以及低温共烧陶瓷LTCC技术4。其中低温共烧陶瓷LTCC技术是一门新兴的集成封装技术，所谓LTCC技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，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，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基板56，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块78。总之，利用这种技术可以成功地制造出各种高技术LTCC产品。以多层LTCC开发的产品将具有系统面积最小化，高系统整合度，系统功能最佳化，较短的上市时间及低成本等特性，从而具有相当的竞争力。相对于以前的封装集成技术LTCC技术具有如下优点陶瓷材料具有优良的高频高Q特性，使用频率可高达几十GHZ；使用电导率高的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因子；可以制作线宽小于50M的细线结构电路；可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性；具有较好的温度特性，如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数；可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度；能集成的元件种类多、参量范围大，除L、R、C外，还可以将敏感元件、EMI抑制元件、电路保护元件等集成在一起；可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连IC和各种有源器件，实现无源/有源集成；可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境；非连续式的生产工艺，允许对生坯基板进行检查，从而提高成品率，降低生产成本。与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件（MCMC/D）。LTCC技术以其优异的电学、机械、热学及工艺特性，将成为未来电子器件集成化、模块化的首选方式，从技术成熟程度、产业化程度以及应用广泛程度等角度来评价，目前，LTCC技术是无源集成的主流技术。12LTCC技术研究现状及动态121LTCC材料的现状及动态LTCC器件对材料性能的要求包括电性能、热机械性能和工艺性能三方面，介电常数是LTCC材料最关健的性能。由于射频器件的基本单元谐振器的长度与材料的介电常数的平方根成反比，当器件的工作频率较低时如数百兆赫兹，如果用介电常数低的材料，器件尺寸将大得无法使用。因此，最好能使介电常数系列化以适用于不同的工作频率。介电损耗也是射频器件设计时一个重要考虑参数，它直接与器件的损耗相关。理论上希望越小越好。介电常数的温度系数，这是决定射频器件电性能的温度稳定性的重要参数。为了保证LTCC器件的可靠性，在材料选择时还必须考虑到许多热机械性能。其中最关健的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。此外，考虑到加工及以后的应用，LTCC材料还应满足许多机械性能的要求，如弯曲强度、硬度HV、表面平整度、弹性模量E及断裂韧性KIC等等。工艺性能大体可包括如下方面第一，能在900以下的温度下烧结成致密、无气孔的显微结构。第二，致密化温度不能太低，以免阻止银浆料和生带中有机物的排出。第三，加入适当有机材料后可流延成均匀、光滑、有一定强度的生带。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DUPONT，FERRO，HERAEUS，NORTHROP，ELECTROSCIENCELABORATORIES，SWEDISHCERAMICINSTITUTE，KYOCERA，SARNOFF，NATIONALSEMICONDUCTOR，NIKKO，NIPPONELECTRICGLASS，SAMSUNG等。其中有DUPONT、FERRO和HERAEUS三家提供数种介电常数小于10的生带，国内开发LTCC器件的研究所也都在采用这些生带。这些生带存在两个问题首先，介电常数未系列化，不利于设计不同工作频率的器件。第二，这些生带开发商并无实际使用生带进行设计和生产的经验，比较注重生带与银浆料的匹配性和工艺性能，对于设计对生带的要求的掌握并不详尽。HERAEUS目前似乎更着重于银浆和介电粉料的开发，似有退出生带生产之势，不知是否代表一种趋势。国内目前LTCC材料基本有两个来源，一是购买国外生带，二是器件生产厂从原料开发起。这些都不利于快速、低成本的开发出LTCC器件。因为，第一种方式会增加生产成本，第二种方式会延缓器件的开发时间。目前清华大学材料系、上海硅酸盐研究所等单位正在实验室开发LTCC用陶瓷粉料，尚未到批量生产的程度。国内现在亟须开发出系列化的、最好有自主知识产权的LTCC用陶瓷粉料，专业化的生产系列化LTCC用陶瓷生带，为LTCC器件的开发奠定基础。南玻电子公司正在用进口粉料，开发出介电常数为91、180和374的三种生带，厚度从10M到100M，生带厚度系列化，介电常数半系列化，为不同设计、不同工作频率的器件开发奠定了基础。另外我国台湾憬德电子工业股份有限公司也提供LTCC材料。122LTCC技术应用的现状及动态LTCC技术，受到全球产业的曙目，已广泛应用于宇航工业、军事、无线通信、全球定位系统、无线局域网、汽车等产业910。美国、日本等著名的DUPONT、CTS、NS、MURATA、SOSHIN、TDK等大公司力推LTCC技术的应用。利用LTCC技术，既可制造单一功能元件如电阻、电感、天线、双工器、滤波器等，还可以整合前端元件，如天线、开关、滤波器、双工器、LNA、功率放大器等制成RF前端模块，可有效地降低产品重量及体积，达到产品轻、薄、短、小、低功耗的要求。LTCC产品按技术层次划分，可粗略地分为以下四类高精度片式元件如高精度片式电感器、电阻器、片式微波电容器等，以及这些元件的阵列11。无源集成功能器件如片式射频无源集成组件，包括LC滤波器及其阵列、定向耦合器、功分器、功率合成器、BALUN、天线、延迟线、衰减器，共模扼流圈及其阵列，EMI抑制器等12。无源集成基板/封装如蓝牙模块基板、手机前端模块基板、集中参数环行器基板等。功能模块如蓝牙模块、手机前端模块、天线开关模块、功放模块等1314。我们将对这些LTCC产品的发展状况加以介绍高精度片式元件片式元件的尺寸已由1206和0805为主，发展为0603和0402，并进而向0201和01005发展；介质单层厚度由原来的10微米以上减小到5微米、3微米，甚至到1微米；介质层数也由几十层发展到几百层。同样，其他功能陶瓷元器件也正向着片式化和微型化方向发展，如多层压电陶瓷变压器、片式电感类器件、片式压敏电阻、片式多层热敏电阻等。无源集成功能模块近年来，以LTCC技术为基础的多层片式介质天线取得了长足的进步。TENTZERIS等。研究了基于LTCC技术的小型叠层平面天线，采用R56，Q1000的介质材料，通过改变叠层层数来优化带宽特性，在同样的结构参数条件下，叠层天线的带宽是单一平面天线的2倍，可满足蓝牙、WLAN等各种无线通信设备的要求。SIM等采用三维电磁场仿真设计软件简称HFSS，利用LTCC技术，设计出用于移动电话的微型宽带片式多层天线，天线尺寸67MM50MM18MM，驻波比小于2，相对带宽达到33，天线增益为12DBI，其带宽特性优于内呈平面倒F天线及介质谐振天线。KIM和CHOI分别采用R23，QF15000GHZ及R98材料设计成75MM45MM08MM，115MM40MM10MM的片式多层天线。MURATA，ALLGON，TOKOANDRANGESTAR等著名公司已经开发出各种结构类型的用于移动通信设备的片式多层天线，并已面市，如MURATA最近推出了专门用于蓝牙高频模块的LDAGZ型叠层天线，工作频带0824GHZ，尺寸为95MM20MM20MM，在水平360方位内天线增益3DBI，在垂直平面为320DBI，可用于CDMA、PDC、蓝牙技术等电子产品中。在片式多层天线发展的同时，片式多层双工器、滤波器、平衡不平衡转换器也相继研究开发，SHIZAKI等最初采用高介电常数材料，由平面谐振层和藕合电容层设计成叠层带通滤波器，这种叠层滤波器被认为是梳状滤波器的演变，尺寸约/4以中心频率245GHZ计算，尺寸在10CM左右，尺寸过大，难以集成在低介电常数多层陶瓷RF电路模块中。SHEEN等利用DUPONT低介常数材料设计，较好解决了高介电常数难以集成问题，把两个叠层滤波器带通和带阻滤波器集成在RF电路中，组合成双工器，适用于DCS。随后，松村定幸等发明了一种具有叠层结构的双工器，包括并联LC谐振器的第1个三级带通滤波器和具有并联LC谐振器的第2个三级带通滤波器。MURATA最近推出一种超小型0603片式叠层双工器，其尺寸仅为16MM08MM06MM。研制生产用于移动通信的片式叠层LC滤波器品种较多，如中心频率为0910GHZ，外形尺寸32MM25MM165MM的高通滤波器；中心频率覆盖19GHZ58GHZ，外形尺寸45MM32MM16MM、32MM25MM18MM、25MM20MM10MM的带通滤波器；TANG和SHEEN，采用阶梯阻抗模式，利用多层结构、曲折线和多节藕合线设计了片式多层平衡不平衡转换器，多节藕合线具有不同的队杭比，缩小了/4藕合传输线，易于与各种平衡输出阻杭匹配，平衡不平衡输出阻杭为50，在工作频率范围内，插入损耗小于102DB，回波损耗小于145DB，振幅平衡度小于043DB，相平衡度小于123度，可应用于WLAN、BLUETOOTH等通信设备功能模块美国的半导体公司已开发多种LTCC功能模块，其用于无线通信的频率合成模块，有14层陶瓷层，内置谐振电容、反馈电容、级间藕合电容、输出电容、谐振电感及输出匹配电感等无源电子元件，然后在表面上安装IC、压控振荡器、变容二极管，形成一个表面贴装型微波功能模块，体积大大减小。MOTOROLA制作的移动通信接收模块，包括收发开关、四个滤波器、低躁声放大器，阻抗匹配电路、偏置尺寸仅为125MM125MM22MM，元件组装密度达到34个/CM2。另外，对于短距离无线通讯用的蓝牙组件，也可使用LTCC多芯片组件，由于采用内埋式无源元件及倒装焊芯片，从而使整个组件达到了小型化。日本松下公司制作的超小型蓝牙模块，在该模块LTCC基板内置有电容器、滤波器、阻抗变压器及天线，在LTCC基板表面安装有蓝牙射频、基频、快速存储器、晶体振荡器及开关二极管等。13LTCC技术面临问题及未来展望131LTCC技术面临问题虽然与其他封装技术相比LTCC技术有不可取代的优越性，但LTCC技术本身仍然存在收缩率控制和基板散热等问题。1、收缩率的问题LTCC存在许多涉及可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数匹配问题即是其中的一个重要挑战，它关系到多层金属化布线的质量。LTCC共烧时，基板与浆料的烧结特性不匹配主要体现在三个方面A烧结致密化完成温度不一致；B基板与浆料的烧结收缩率不一致；C烧结致密化速度不匹配。这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层。不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。2、散热的问题虽然LTCC基板比传统的PCB板在散热方面已经有了很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。随着微电子技术的进步，器件工作能量密度越来越高，如何把热量及时有效地散发出去，保障器件的稳定工作，是封装所面临的艰巨挑战。采用高导热率的材料及新型的封装涉及是提高封装部件散热效率的常用方法。但对LTCC来说，其明显的不足之处就是基片的导热率低26W/MK，远低于AIN基片的导热率100W/MK，比A12O3基片的导热率1525W/MK也低了不少。这限制了LTCC在大型、高性能计算系统中的应用。132LTCC技术未来展望目前，尽管LTCC技术为多层线路设计带来了巨大的灵活性，但有些相关技术尚未成熟或待开发，也缺乏使用LTCC设计线路的技术标准。以下从几个方面概述了业己成熟或即将发展的有关LTCC关键技术。高电导率介质浆料用以实现高容量。如CU布线技术一直是发达国家重点研究项目之一，现在一般采用的是AG进行金属化。内埋无源元件目前，电阻和电容己经能够内埋于LTCC基板中，但是对于电感的内埋仍有一些问题。内埋有源元件借助该技术可集成那些无需共烧在LTCC基板的有源元件或芯片，加工出一种带有空腔的LTCC载体或基板，装入芯片，加盖并焊接后封闭箱体。顶底球形阵列将同种电路依次安装于各自的顶部，组成高性能器件，并带有许多有源器件。光学元件可使生产带有光学接口的LTCC基板或箱体成为可能。液体或气体接口或导体将实现在LTCC基板中集成传感器或输送冷却液体或气体的管路。零收缩率由于在烧结过程中LTCC生瓷带的不均匀收缩，限制了导体印刷的线宽和线间距。零收缩率生瓷带将带来性能更卓著的多层线路结构。高热传导率随着多层芯片线路集成度的提高，LTCC的2025W/M热传导率已经不能满足数瓦级大功率散热的多芯片模块设计的要求，开发基于LTCC大功率散热材料及技术势在必行。砖箱系统它由LTCC材质的部件载体或盖子组成。这些部件可通过焊接联在一起，组成一个完整的箱体，各部件上都带有电气、光学、液体孔连接结构和接口，用以连接被安装的芯片。14课题来源及研究意义由于信息时代的到来，移动通信、卫星通信、相控阵雷达以及星载电子等方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。设备的高可靠性、微型化、低价格及良好的温度特性，要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时，应尽可能减小电路占用面积。而且超大规模单片集成电路己经达到其集成或微型化的极限，要进一步提高其组装密度和扩展功能，唯一的途径只能是扩展电路的空间自由度和拓扑结构，发展三维集成技术。特别是基于LTCC的三维微波集成电路的研制成功，在很大程度上降低了三维微波集成电路的造价，给三维微波集成电路开拓了更广阔的市场前景。电子科技大学受国家项目支持于2004年引进了一条完整的LTCC生产线，并拟生产出自己的产品，如电感，电容，滤波器，天线及LTCC模块等。本课题主要围绕此生产线展开进行，对LTCC技术工艺、设计加以研究。15本论文的主要内容本论文共分为五章，第一章为绪论，简要概括了LTCC技术的发展背景、现状、动态及面临的问题；第二章主要介绍LTCC工艺、LTCC技术的部分设计原则及LTCC设计的仿真、设计软件；第三章介绍了基于LTCC技术的电感、电容元件三维建模及仿真优化设计，并对其影响因素作了分析；第四章介绍基于LTCC技术滤波器设计实例，主要包括滤波器设计基础、阶跃阻抗谐振器、滤波器设计实例。第五章则为本论文的总结部分。第二章LTCC技术21引言最近几年以来，随着电子系统的广泛使用，微波装置尤其是无线电通讯设备的应用有了迅猛的增长。高密度、良好温度特性及小尺寸的新型电子系统已日益成为电子系统发展的必然趋势。这些应用都需要高性能的包装材料特别是对于微波损耗来说，高容量，低成本的生产能力。过去这些装置常采用有机聚合物材料作为包装材料，因为这些材料能满足生产和成本要求。但这些材料性能和耐用性有限，尤其是在目前技术所需的更高的频率范围内使用时，更是如此。正是由于这个原因，制造商一直致力于寻求新型材料，以提高无线通讯设备的性能。LTCC非常适用于这些应用。这种材料具有高可靠性，并带来了设计上的灵活性，从而真正实现三维结构采用聚合物和传统陶瓷材料无法获得这种结构，并将电容性和电阻性元件和这种气密结构相结合。且LTCC基板的集成密度高、RF性能好、数字响应快，成本低、生产周期快、批量大、产品生命周期短、生产灵活、自动化程度高。正因为LTCC技术具有如此众多的优点，所以它正逐渐取代传统的印刷电路板PCB板。因为应用LTCC集成技术的电路就是将芯片和其余无源器件集成在一个模块上，因此也被称为无源集成电路或改良专用集成电路。目前世界上提供LTCC材料的生产厂家有DUPONT，FERRO，HERAEUS，NORTHROP，ELECTROSCIENCELABORATORIES，SWEDISHCERAMICINSTITUTE，KYOCERA，SARNOFF，NATIONALSEMICONDUCTOR，NIKKO，NIPPONELECTRICGLASS，SAMSUNG，台湾憬德电子工业股份有限公司，国内有深圳南玻集团、电子工业部43研究所等。表21,22分别给出了几种常见LTCC生瓷带介质材料及与之相对应的部分导体材料。本章主要内容首先介绍了LTCC工艺流程，并给出其中的关键问题。其次对基于LTCC技术部分设计原则加以简单的介绍，该设计原则在LTCC技术设计中占有非常重要的地位。最后对LTCC技术电路仿真软件ANSOFTHFSS及AGILENTADS加以介绍，通过这些软件的使用，可以大大的缩短我们研发设计及生产周期，有效的降低了研发及生产的成本。表21几种常用LTCC生瓷带介质材料特性性质DP951DP943FERROA6SHERAEUSCT2000厚度951C250UM951PT14UM951P265UM951PX254UM943C250UM943P5127UM943PX254UM0094MM0187MM177MIL345MIL烧结收缩率（X,Y）1270395031550311503烧结收缩率（Z）15051030525031405介电常数7810MHZ7415GHZ5910MHZ9110MHZ介质损耗000210MHZ0000910MHZ0001510MHZ000210MHZ绝缘电阻1012100VDC1012100VDC1014100VDC1013100VDC击穿电压1000V/25UM1000V/25UM1000V/25UM1000V/25UM热导率3W/MK44W/MK3W/MK43W/MK热膨胀系数58PPM/K45PPM/K9PPM/K85PPM/K烧结密度31G/CM232G/CM231G/CM225G/CM2抗折强度320MPA230MPA130MPA130MPA表22与LTCC生瓷带相对应的部分导体材料导体特性陶瓷材料系统DUPONT951陶瓷材料系统FERROA6S导体类型内层AG，AU外层AG，AU，PDAG内层AG，AU外层AG，AU，PDAG顶层导体膜厚UM103103内层导体膜厚UM7TO1527TO152电阻M/顶层10UMAUW1，的范围内衰减为，称为阻带。W表示角频率，W1称为截止频率。显然，这种理想的滤波特性，用有限个元件的电抗网络是无法实现的，因为有限元件数的电抗网络的衰减特性一定是连续函数，不可能在某一频率上突跳。实际的滤波器只能逼近理想滤波器的衰减特性，因此，在综合设计滤波器时，首先要确定一个逼近理想衰减特性的衰减函数LAW，然后再根据这个逼近函数综合具体的电路结构来。由于在后面LTCC滤波器设计中多采用最平坦型逼近响应、切比雪夫型逼近响应、椭圆函数型逼近响应，因此下面我们将对这几种响应作一简单的介绍。4221最平坦低通原型滤波器最平坦响应的数学表达式为分贝45210LOGNALW其中46/47ARL由于45式中括号内的量，在时，具有最大可能数目的零导数，故有“最平坦”之称。通常情况下取常数1，则在1时，即/W10LOG2AL截止频率点上的插入损耗为3DB。图44给出了滤波器几种阶数的插入损耗。插入损耗归一化频率图44最平坦低通滤波器设计4222切比雪夫低通原型滤波器图43C给出了切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性，其数学表达式为4812110LOGCSOAWLWN49H其中410/10ARL411W式中是通带内衰减最大值。查阅相关文献可知，切比雪夫响应的选择性好，ARL因此一般都选用它作为低通原型。但同时，若滤波器的电抗元件有较大的损耗，任何一种滤波器的通带响应形状，都会与无损耗时大不一样，而切比雪夫滤波器的这种响应特别明显。图45给出了切比雪夫低通滤波器损耗因数、插入损耗与频率的关系。3DB波纹归一化频率插入损耗A损耗因数0归一化频率3DB波纹B图45切比雪夫低通滤波器损耗因数、插入损耗与频率的关系4223椭圆函数低通原型滤波器BUTTERWORTH响应特性在通带和阻带中部是最平坦形式的，而CHEBYSHEV响应特性在通带呈现等波纹形式，在阻带为最平坦形式。而另有一种通带和阻带都具有等波纹型特性的滤波器，因为这种滤波器是用椭圆函数来实现，故称为椭圆函数型滤波器，也称为“考尔CAUER滤波器”。图43D给出这种滤被器的频率响应。由图可见，由于这种滤波器的阻带衰减极点不全在无限远处，因而用这种滤波器可得到很陡的截止频率。是通带最大衰减，是阻带最小衰减，是ARLASL1W通带带边频率，是阻带带边频率，椭圆函数低通滤波器的阻带最小衰减，可近SW似表示为分贝412/101010LOGLOG2ARLASLNQK4132246456KQ式中4141SK4151W423频率变换我们可以根据不同的滤波器特性和其他滤波器要求的相应的低通滤波器原型，高通、带通、带阻滤波器的设计可以从低通滤波器原型中转换过来，表41给出相应的推导结果，推导过程可以参考相关的文献36。另外，对于椭圆函数低通原型滤波器来说还需要注意的是它的响应中除了通带带边频率外，还有阻带带边频率，因此，必须对上述各变换式的符号意CWSW义作新的阐述，才能进一步满足这一新的情况。对于有低通到高通的变换式，416CC417CSW式中W是搞通滤波器的频率变量，是高通滤波器的通带带边频率，是CSW高通滤波器的阻带带边频率。是低通原型的阻带带边频率的归一化值，也是S高通滤波器的选择性因数，越大，选择性陡度越小。S表41频率变换及元件换算表滤波器类型变换变换式元件变换元件值的换算关系低通到高通1/W低通带边频率高通带边频率1CL1/CWL低通到带通10/WW2上带边频带下带边频带1CPSLCL10/SWL10/PC低通到带阻10/WWCSPLCL10/SW10/PL对于由低通道带通的变换式41801CW419210C42002121CSWW42121SC是带通滤波器的相对带宽，是通带中心频率，是通带上带边频率，是02C1CW通带下带边频率，是上阻带带边频率，是下阻带带边频率，是带通滤波2SW1SWS器的选择性因数。对于由低通到带阻的变换式42201C423210CW42402121CS42521CSSW其中是带阻滤波器的相对带宽，是通带中心频率，、是通带带边频率，01CW2、是阻带带边频率，是带阻滤波器的选择性因数。1SW2SS43阶跃阻抗谐振器SIRSIRSTEPPEDIMPEDANCERESONATOR在不减小无载Q的情况下可缩短谐振器长度的能力,因此SIR在滤波器设计中占有重要的地位，后面章节将给出有关利用SIR滤波器设计的例子。在此我们将介绍一下SIR的基本结构和性能37。431SIR的基本结构12图46SIR的基本结构A1/4波长型；B半波长型；C全波长型SIR是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。图46给出采用带状线结构的典型例子，图中A、B、C分别是/4、/2和谐振器。虽然以带状线结构作为例子说明，但同样的，GGG横向电磁场和准横向电磁场模式的谐振器也可采用同轴或共平面线结构。同样，图B中半波长SIR采用的是开放端点结构，短路结构也是可用的。在图46中，