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基于低温共烧陶瓷技术的微带滤波器和巴仑模块设计方法 研究 摘要 多芯片组件( m c m ) 是一种为了适应电子装备小型化、高性能、 高可靠要求，从2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的电子封装技术，其核 心技术就是实现多个芯片之间高密度互连。低温共烧陶瓷( l 1 c ) 技术由于其特有的技术特点己突显它在m c m 制造中的优越性。 本文重点研究了如何实现两个l t c c 无源器件的互连问题，以 2 4 5 g h z i t c c 多层微带滤波器和无源元件巴仑的设计及互连为例， 应用快速多级子算法( f m m ) 结合等效电路并通过宽边耦合理论设计 出小尺寸的l t c c 带通滤波器；提出了利用耦合器设计理论并通过蛇 行线方式成功设计出符合设计指标的l t c c 无源元件巴仑；利用 h f s s 9 0 中的参数扫描功能对互连结构( 通孔或毛纽扣) 的关键参数 进行优化分析；最后在前述基础上将l t c c 微带滤波器和巴仑通过通 孔进行连接，设计出满足j o h n s o nt e c h n o l o g y 公司产品指标的l t c c 微带滤波器和巴仑模块。上面所有结果均通过i - i f s s 9 0 仿真得出。 在上述h f s s 建模中，关键是互连结构的建模。本文作者从分析 理想传输线理论入手，得出理想状态下互连线的模型，然后再提取出 对器件性能影响最大的三个参数并对其进行了分析，使用h f s s 9 0 里的参数扫描功能将三个参数优化，得出最佳设计尺寸。仿真结果表 明此设计方法有较高的精度，并且此方法也可用于其它微波无源器件 的互连分析。 关键词：多芯片组件，低温共烧陶瓷，通孔，毛纽扣 s t u d y0 ft h ed e s i g nm 匣t h o d0 fm i c r o s t r i p f i i e r sa n db a l u nm o d u l eb a s e do nl t c c t e c h n o l o g y a b s t r a c t m c m ( m u l t i c h i pm o d u l e ) i sa ne l e c t r o n i cp a c k a g i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p e d f r o m19 8 0 si no r d e rt o a d a p t t h e r e q u i r e m e n t o ft h e m i n i a t u r i z a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t s ，i nw h i c h t h es t i c k i n g p o i n t i st h eh i g h d e n s i t yo ft h e m u l t i c h i p s l t c c ( l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) t e c h n o l o g y i s v e r ys u i t a b l et ob eu s e di nm c mm a n u f a c t u r ed u et oi t sh i g hp e r f o r m a n c e i nm i c r o w a v es u c ha sl o wm e d i u ml o s s ，h i g he ，e t c i nt h i st h e s i s ，t h ev e r t i c a li n t e r c o n n e c to ft w ol t c cp a s s i v em o d e l s i ss u m m a r i z e df i r s t l y a n dt h e nt h ed e s i g na n di n t e r c o n n e c t i o no fl t c c m u l t i l a y e rm i c r o s t r i pf i l t e ra n db a l u na r ei n t r o d u c e d as m a l ls i z el t c c b a n d r a s sf i l t e rw i t hc e n t e rf r e q u e n c eo f2 4 5 g h zi ss i m u l a t e dw i t ht h e a p p l i c a t i o no ff a s tm u l t i p o l em e t h o d ( f m m ) ，e q u i v a l e n tc i r c u i t sa n d b r o a d s i d ec o u p l i n g ；u s i n gt h et h e o r yo fc o u p l e ra n dm e a n d e rl i n e ，a p a s s i v e dl t c cb a l u ni ss i m u l a t e dt h r o u g hh f s s 9 o ；i ti sd i s c u s s e dh o w l l t od e s i g nt h ei n t e r c o n n e c ts t r u c t u r eo f t w om o d e l s t h r o u g ht h ef u n c t i o no f p a r a m e t e rs c a n n i n gi nh f s s9 0 a tl a s tw eg e ta2 4 5 g h zb a l u n f i l t e r c o m b i n a t i o nm o d e lf i t st h er e q u e s t so f j o h a n s o n t e c h n o l o g y i n c t h ee m p h a s i so ft h ep r o b l e mi sh o wt og e tt h em o d e lo fi n t e r c o n n e c t s t r u c t u r ei nh f s s f i r s t l y , t h et h e o r yo ft r a n s m i s s i o nl i n ei sd i s c u s s e d w i t ht h ea n a l y s i sa b o v e ，t h r e ei m p o r t a n c ep a r a m e t e r si se x t r a c t e da n d a n a l y s e d t h e na no p t i m i z e dr e s u l ti sg o t a tl a s t ，ag e n e r a lm e a s u r eo f t h ei n t e r c o n n e c ts t r u c t u r ed e s i g ni sg i v e no nt h eb a s eo ft h em e t h o d sa n d d e s i g nm o d e l sd i s c u s s e da b o v e k e y w o r d s ：m u l t i - c h i pm o d u l e ，l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ，v i a ， f u z zb u t t o n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 蚀 日期：加茹年妇；f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。木人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 储虢么 导师签名：c j _ ；r - o 日期：扫。g 年r 月；日 日期：神年g - 月3 j 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 多芯片模块( m c m ) 技术的研究背景 多芯片组件( m c m ：m u l t i c h i pm o d u l e ) 是继2 0 世9 8 0 年代被誉为“电子组装 技术革命”的表面安装技术( s m t ) 之后，9 0 年代在微电子领域兴起并得到迅速发 展的一项最引入瞩目的新技术【l 】。多芯片组件技术是在混合微电路薄、厚膜技术 基础上发展起来的高密度立体组装技术，它是将多个l s i 、v l s i 的裸芯片，高密 度贴装互连在多层布线的p c b 、多层陶瓷( 厚膜) 基板或薄膜多层布线的基板上， 然后再整体封装起来构成能完成多功能、高性能的电子部件、整机、子系统乃至 系统所需功能的一种新型微电子组件。m c m 的出现为电子系统实现小型化、模 块化、低功耗、高可靠性提供了更有效的技术保障。 用低温共烧多层陶瓷( l t c c ) 技术生产的器件由于其体积小、插损小、耐高 温高湿、较好的温度特性、集成的元件种类多、参量范围大等优点，己成为m c m 的关键技术，被广泛应用在计算机、通信、军事、航空航天和汽车等领域。自 9 0 年代后期，随着l t c c 器件在通信等领域的广泛使用，有越来越多的研究人 员和工程师加入到m c m 技术的研究中 2 1 。 随着m c m 技术的不断发展，当前普遍采用的2 d m c m 的组装效率己达到 8 5 以上，基本接近二维组装的极限密度。为了进一步提高组装密度，实现更小 的体积和更多的功能，发展3 d m c m 技术势在必行。3 d m c m 是一种利用三维 结构形式对i c 芯片和元件进行三维集成的技术，其组装效率己达2 0 0 。 3 d m c m 设计技术在m c m 研制过程中起着举足轻重的作用，它与工艺条件一 起，直接决定了最终产品的性能【j l 。 根据所采用的制造工艺不同，m c m 可分为三大类，即m c m u 叠层多芯片 组件) 、m c m c ( 共烧陶瓷多芯片组件) 与m c m d ( 沉淀多芯片组件) 。 m c m c ( m u l t i c h i pm o d u l e c e r a m i c ) 称为c 型( 即厚膜陶瓷型) 多芯片组件， 是采用高密度多层厚膜布线陶瓷基板制成的一种先进的m c m 。m c m c 采用陶 瓷多层基板，分为厚膜多层( t f m ) 基板、高温共烧陶瓷( h t c c ，h i g ht e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c ) 多层基板和低温共烧陶瓷( l t c c ，l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e d c e r a m i c ) 多层基板三种悼j 。 低温共烧多层陶瓷的共烧温度在8 0 0 9 5 0 。c 之间。相比于h t c c 的1 6 0 0 1 8 0 0 的烧结温度，由于烧结温度低，可用电阻率低的金属诸如金、银、铜等作为多 层布线的导体材料，提供实际的三维微波内联的基片。l t c c 技术可以将四种无 源器件( 电感l 、电阻r 、变压器t 、电容c ) 和有源器件( 晶体管、i c 电路模块、功 率m o s ) 集成在一起。根据l t c c 的特性，开展l t c c 多层基片的布线及内埋置无 浙江工业大学硕士学位论文 源元件的研究具有巨大的实用价值，同时必将有需要解决的理论问题。 m c m 系统的结构如下图所示： 图1 - 1m c m 系统结构图 1 2 本文的研究内容、目的及意义 本文设计了一个中，心频率为2 4 5 g h z 的l t c c 无源微带带通滤波器和一个 l t c c 无源元件巴仑，在此基础上将两个元件集成在一个l t c c 模块内，分析对 滤波器和巴仑的幅频特性的影响。 此项研究工作的目的是：在对其进行分析后得出可实际操作的改动方案，得 出满足要求的模型并给出一个比较通用的改动指导方法，最后给出l t c c 无源模 块的设计方法。 上述的设计结果均通过a n s o f t 公司的高频仿真软件h f s s 得出。最后模型 的各项指标将和j o h a n s o nt e c h n o l o g y 公司的产品指标进行对比。 随着通信技术的进一步发展，随着无线局域网技术和蓝牙技术普及时代的到 来，今后对于3 d m c m 的需求将进一步增加，因此对其进行理论研究对实际工 程设计有直接的指导价值。 1 3 本文的内容安排 本文的研究内容是：设计一个中心频率为2 4 5 g h z 的l t c c 无源微带带通滤 波器和巴仑模块，并对基于l t c c 技术的模块之间的互连进行研究。具体的安排 如下： 第一章概述了本课题的背景、研究内容、目的及意义。 第二章叙述了低温共烧陶瓷多层基板( l t c c ) 技术的概况。 第三章详细论述了l t c c 无源微带带通滤波器的设计理论，并通过h f s s 设计 出中心频率为2 4 5 g h z 的l t c c 带通滤波器。 浙江工业大学硕士学位论文 第四章论述了l t c c 无源元件巴仑的设计理论，应用微带耦合器的设计理论 并通过蛇行线的形式在h e s s 里仿真出工作频率为2 4 5 g h z 的l t c c 微带巴仑。 第五章研究了l t c c 无源微带带通滤波器和巴仑模块的设计方法，针对 l t c c 的技术特点提出用通过通孔和毛纽扣两种方法实现互连的一般模型，并从 模型中得出三个关键参量加以分析研究，最后得出适用于无源微波模块互连的一 般性方法。 第六章给出了本文的结论，同时提出了如何针对本研究内容开展进一步研究 工作的展望。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术 随着电子系统的广泛应用，高密度、良好温度特性及小尺寸的新型电子系统 成为发展的必然趋势，这就对传统的封装技术和工艺提出了挑战【。将多个不同 类型、不同性能的无源元件集成在一个封装内有多种方法，主要有低温共烧陶瓷 ( l t c c ，l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) 技术、薄膜技术、硅片半导体技术、多 层电路板技术等。低温共烧陶瓷技术因其具有优良的高频特性、小线宽和低阻抗 而得到迅速发展。单片微波系统集成电路己经成功地将一些无源元件集成到i c 中，但整合性越高的i c 其制造成本将急剧增加，再加上受到材料与工艺技术的某 些限制，要做到将所有无源元件集成到i c 中，仍有很多困难。同样的情况也发生 在如汽车电子、宇航电子、传感电路系统等其它的整机和电路系统中。目前，众 多专家及工程技术人员都认为，实现整机或系统集成的最佳选择方式便是采用多 芯片组件( m c m ) 技术，而采用l t c c 技术的m c m 则是研究的重点【l 。 1 9 8 2 年，休斯公司开发了一种新技术，它采用厚膜材料根据共烧陶瓷设计 的结构制造。该方法称为低温共烧陶瓷即l t c c 。它是相对于以往的以氧化铝为主 成份、在1 5 0 0 以上烧成的多层基板高温共烧陶瓷技术( h t c c ，h i g ht e m p e r a t u r e c o f i r e dc e r a m i c ) l 而言的一种新型多层技术陶瓷。l t c c 技术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9 0 0 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，在其表面可以贴装i c 和有源器件，制成无源有源集成 的功能模块。l t c c 陶瓷的烧制温度低于许多良导体材料如金、银、铜的熔点温 度，从而能够提供实际的三维微波内联的基片。 l t c c 内埋置无源元件技术在这一技术领域具备许多其它基板技术所没有的 优点。l t c c 基板可以预留空腔，实现芯片埋置，还可以实现电阻、电容、电感 的埋置，提高组装密度，是实现t r 组件高密度微波多层互连基板的最理想的方 法之一。另外，l t c c 工艺流程有别于厚膜多层基板的顺序：印刷一干燥一烧结 的工艺流程，采用不同层并行打孔、印刷、干燥，对每一层生瓷片进行检查筛选 后，去掉不合格品或进行修正后一并叠压，一次烧结，从而优化了生产，获得高 的成品率，得到了广泛的应用】。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2l t c c 技术的发展进程及概况 发达国家关于低温共烧陶瓷技术的应用研究始于7 0 年代中期。美国、日本 的公司在该项技术的应用方面走在世界的前列。 i b m 针对玻璃一陶瓷c u 布线技术的工艺及相关理论做了大量的工作。鉴于 l t c c 基片的特殊要求，i b m 建议采用有可能满足介电常数小及热膨胀要求的材 料堇青石。美国c o m i n g 公司发展了堇青石玻璃一陶瓷，应用于许多领域。但纯 堇青石不能在1 0 0 0 以下烧结完成，并且烧结时，容易发生由于热应力而引起 的失效问题。i b m 在1 9 7 7 年对c o m i n g 公司的配方进行了改性，增加了m g o 的 成分同时减少了a 1 2 0 3 的成分，并对具体的工艺进行了优化，缩短了生产的周期。 日本公司也在l t c c 技术开发方面投入了大量的人力物力，以期谋求在高性 能系统上的尖端地位，与美国所不同的是，日本大量采用玻璃一陶瓷作为低温共 烧陶瓷材料。在这些系统中，日本采用的方法是在晶化陶瓷中添加玻璃，而不是 烧结时使玻璃晶化以获得玻璃陶瓷。n e c 、m u r a t a 、富士通公司在玻璃+ 陶瓷方 面都做了比较深入的研究，并已制造出性能相当好的l t c c 基片材料“j 。 我国由于集成工艺和材料工艺的相对落后使得在这项技术上与国外存在较 大的差距。在国外l t c c 基板层数最高可达到1 0 3 层( 2 0 0 4 年1 ，而同期国内的水 平为l t c c 基板层数最高4 8 层。发展我国的低温共烧陶瓷技术，对于航天、国 防及民用高科技等领域都具有非常重要和紧迫的现实意义。长期以来发达国家在 高科技领域对我国采取封锁限制性政策，使我国的c 技术长期落后于发达国 家，这也制约了我国电子终端产品的发展。近年来，国内已有数家科研院所和公 司投入l t c c 的研发和生产工作，并取得了显著的进步。 下表是研究和生产l t c c 产品的公司。 表2 1 生产l t c c 产品的公司 浙江正原电气股份有限公司、潮州三环( 集团) 股份 国内 有限公司、景华电子有限责任公9 ( 9 9 9 厂) 、苏州 捷嘉电子有限公司、浙江嘉康电子有限公司、福建 南安讯通电子公司等 美国 d u p o n t 、m c c 、m o t o r o l a 、j o h a n s o n 国外 t e c h n o l o g y 、i b m 等 日本 n e c 、松下、富士通、索尼、m u r a t a 、 夏普、冲电气、新光电气公司等。 德国e p c o s 公司 英国r i s h 公司 浙江工业大学硕士学位论文 l t c c 技术的整个流程所涉及的工艺环节多达几十个，影响因素繁多，并且 相互关联，下面给出适用于多层陶瓷微波滤波器生产的l t c c 低温共烧多层陶瓷 基板工艺流程图f 1 3 】。 图2 - 1l t c c 基板工艺流程图 2 3l t c c 技术的优势与问题 l t c c 技术具有如下优点【1 4 】： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 可以制作线宽小于5 0 l am 的细线结构电路。 ( 3 ) 可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通p c b 电路基板更优良的热传 导性。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 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、e m i 抑制元件、电路保护元件等集成在一起。 ( 7 ) 可以在层数很高的三维电路基板上，用多种方式键连i c 和各种有源器件， 实现无源有源集成。 ( 8 ) 可靠性高，耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境。 ( 9 ) 陶瓷材料具有优良的高频高q 特性，使用频率可高达几十g h z 。 ( 1 0 ) 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。 l t c c 技术也有其局限性，如收缩率控制和基板散热问题都有待解决。 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章滤波器设计 l t c c 技术在国外己经得到了广泛的应用，产品覆盖从低频到高频的一系列 领域，并且不断的向更高频段、更小的体积、更高的性能方向发展。我国已经具 备了生产l t c c 高端产品的条件，但是现在还缺少成熟的产品设计能力。因此， 研制开发l t c c 产品可以明显提升产品的质量品质和技术水平，具有十分广阔的 应用市场和发展前景。 滤波器是由电路元件相互连结构成的一种选频网络。在近代电信设备和各类 控制系统中，滤波器应用极为广泛，滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以， 对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。多层陶瓷微波滤波器由于其在小型化 方面的突出优势现已广泛应用于手机、无绳电话等通信设备中l l ”。 3 2 滤波器的发展历史 滤波器是一种对频率具有选择性的复杂网络，它对某一频率范围内的信号给 以很小的衰减，使这部分信号能够顺利通过，对其他频道的信号给以很大的衰减， 从而尽可能地阻止这部分信号通过。 最早有关滤波器的概念源于德国科学家瓦格纳k w w a g n e r 和美国科学家 坎贝尔g a c a n b e l l 于1 9 1 5 年发明的l c 集总元件滤波器。不久，分布元件同轴 谐振器和波导谐振器成为滤波器研究的新领域。2 0 世纪2 0 年代初，石英晶体谐 振器问世。1 9 3 9 年，p dr i c h t m e g e r 报道了介质谐振器。当时由于材料的温度稳 定性不高而无法得到广泛应用。1 9 6 5 年由于激励和检测s a w 的叉指换能器技术 的突破，为s a w 滤波器的发展开辟了道路。7 0 年代，由于微波介质材料取得实 质性进展，介质滤波器得到了迅速发展。1 9 8 5 年，m s a g a w a 提出了多层陶瓷滤 波器的概念。与此同时，村田公司在1 9 8 4 年至1 9 8 9 年前后突破印刷铜导体线圈、 低温共烧介质材料系统等技术难题，采用无铁氧体印刷电极电感线圈和与之匹配 的在1 2 0 0 。c 以下烧结的介质系统，在高频段获得高q 值的低电感与低电容值， 从而制成了多层陶瓷微波滤波器。1 9 9 4 年，t d k 公司开发出9 6 0 以下烧结的 银电极低温共烧介质系统，研制成功以银作为印刷导体的多层陶瓷微波滤波器。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行”j 。 浙江工业大学硕士学位论文 3 3 滤波器的分类 滤波器有各种不同的分类，一般有如下几种【1 9 】。 ( 1 ) 按处理信号类型分类 按处理信号类型分类，可分为模拟滤波器和数字滤波器两大类。其中模拟滤 波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、 混合三个分类。当然，每个分类又可继续分下去，如图3 1 所示。 图3 - 1 滤波器的分类 ( 2 ) 按选择物理量分类 按选择物理量分类，滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择f 例如p c m 制中的话路信号) 和信息选择( 例如匹配滤波器) 等四类滤波器。 ( 3 ) 按频率通带范围分类 按频率通带范围分类，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通五个类 别。 随着技术和工艺的不断发展，又出现了一些新型的滤波器，如：电控编程 c c d 横向滤波器( f p c c d t f ) 、晶体滤波器、声表面( s a w ) 滤波器、低温共烧陶瓷 ( l t c c ) 滤波器等。 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 滤波器的主要技术指标 在设计模拟电路时，对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰 减处理是十分重要的，微波滤波器就是一种可实现此项功能的微波器件。根据基 本电路理论，滤波器可分为四类：低通、高通、带通、带阻滤波器。 低通滤波器允许低频信号以很小的衰减量从输入端口传输到输出端口，当信 号频率超过特定的截止频率后，信号的衰减量将急剧增大，从而使输出端1 2 1 的信 号幅度下降。高通滤波器的特征恰好相反，此时低频信号分量的衰减很大，即低 频信号分量的输出幅度下降了，当信号频率超过特定的截止频率后，信号则以很 小的衰减量从输入端口传输到输出端口。带通滤波器和带阻滤波器由特定的下边 频和上边频划分出确定的频带，在这个频带内，信号衰减量相对于其他频段有低 ( 带通) 或者高( 带阻) 的衰减量。图3 2 给出了四种滤波器的衰减特性。 低通滤波器 m 高通滤波器 带通滤波器带阻滤波器 图3 2 滤波器的四种衰减特想曲线 ，g h z 在综合分析各种滤波器时，下列参数是至关重要的。 ( 1 1 插入损耗：在理想情况下，射频电路中的理想滤波器不应在其通带内引入任 何功率损耗。然而，在现实中，我们无法消除滤波器固有的、某种程度的功率损 耗。插入损耗定量地描述了功率响应幅度与o d b 基准的差值，其数学表达为： p 儿= 1 0 ，o g 詈= 一l o l o g ( 1 一i l l 2 j( 3 1 ) 1 其中，咒是滤波器向负载输出的功率，匕是滤波器从信号源得到的输入功率， i i 是从信号源向滤波器看去的反射系数。 浙江工业大学硕士学位论文 另一方面，对于两端口网络而言，其插入损耗a 定义为：网络输出端接匹 配负载时，网络输入端的入射功率只和负载吸收功率置之比值。 因为： 爿：孚：击( 3 - 2 ) 兄阮l 2 因此滤波器的插入损耗也可以用s ：。来重新定义： 肚。噜叫g 由= - 1 0 l o g 慨1 2 b s ) ( 2 ) 驻波系数( v s w r ) p 定义为沿线合成电压( 或电流) 的最大值和最小值之比，反 映的是输入端反射波的大小情况。 驻波系数与反射系数刖的关系为： p = 器 p 4 ， 另一方面，当输出端口2 接匹配电阻时，s 。参量与1 端口的反射系数n f 满 足如下关系： s 1 1 = r l( 3 - 5 ) 由此我们可用s 。重新定义1 端1 ：3 的驻波系数p 为 1 + 刚 舻躏 i s , i = 鬲p - 1 ( 3 ) 波纹系数：波纹系数表征的是通带内信号响应的平坦度 大值与最小值之差。 ( 3 - 7 ) 表示响应幅度的最 ( 4 ) 带宽：表示插入损耗、波纹系数、反射系数均满足一定要求的上边频和下边 频的频率差。 ( 5 ) 回波损耗：信号由信号源进入滤波器时，由于没有完全匹配，而有部分信号 反射回去，进入信号源，这就是回波损耗。 ( 6 ) 阻带抑制：滤波器在阻带频段内的信号衰减量。理论上，滤波器在阻带频段 内具有无穷大的衰减量，而实际上，我们只能得到有限衰减量，显然，在某一阻 o 浙江工业大学硕士学位论文 带频率工，衰减愈大，表示阻带的特性愈好。 由上述分析可知，在滤波器设计中，最后可通过两条散射曲线s l 。、，来说 明所有设计参数的具体情况。 3 5 低通原型滤波器理论 在通常设计滤波器时，我们总是通过低通原型滤波器来设计。这是因为设计 低通原型滤波器已有比较成熟的理论，而且在设计低通，带通，带阻，高通滤波 器时，只需进行比较简单的频率变换即可 2 0 l 。 假设滤波器是无耗二端口网络，则网络的插入衰减为： 1 铲裔叫埘) ( 3 - 8 ) 其中i 为电压反射系数，定义为网络中某点反射波电压与入射波电压之比。 对于滤波器l 和r 均为频率的函数，可分别表示为l a ( 缈) 和r 劬) 。由于滤波器 是无耗网络，没有功率放大作用，故入射波功率一定大于负载吸收功率；而且滤 波器的衰减特性一定是频率的偶函数。因此滤波器的衰减特性必须满足： l ( ) 1 ，三。( ) = l a ( 一缈) ( 3 9 ) 理想低通滤波器的衰减特性如图3 3 所示，以截止频率为界，当 。时，l a = o 。是阻带。这种理想特性必须由无限个元 件组成的电抗网络才能实现。实际的滤波器总不能得到理想的衰减特性。在综合 设计滤波器时，总是确定一个逼近衰减特性的函数，然后根据这个逼近函数综合 出具体的结构。 o 缈c 图3 3 理想低通滤波器的衰减特性曲线 浙江工业大学硕士学位论文 常用的逼近函数有两种，相应的滤波器称为最大平坦式滤波器和切比雪夫式 滤波器。它们的衰减特性分别为： 最大平坦式滤波器： l , 4 = 1 0 1 9 ( 1 + 8 0 ) “) ( d b ) ( 3 - 1 0 ) 切比雪夫式滤波器： l a = 1 0 1 9 1 + 朗譬 ) 】( d b )( 3 一1 1 ) 图3 - 3 中的( a ) 和( b ) 分别表示以上两种滤波器的衰减特性。 五矗 钆 三出 0 一一：二文 敛出， 力 ( h ) 心q 图3 - 4 最大平坦式滤波器和切比雪夫式滤波器衰减特性曲线 通带内最大衰减l a ，对应的频率为截止频率珊。，阻带内最小衰减l a ，对应的 频率为阻带的边频，如果l 。，、。、l 。；和，给定，我们就可以用式( 3 1 0 ) ；f n ( 3 1 1 ) 求得待定的s 和n ，其中n 为滤波器的元件数目。 当设计其他滤波器时，可以通过频率变换从原型滤波器中推倒出所需的参 量。所谓频率变换就是将低通原型的衰减特性的频率变量q 变换为实际滤波器的 频率变量。由于介绍这方面的书很多，这里就不再赘述。并且由于本文所涉及的 微波波段的滤波器为多层微带结构，器件的尺寸非常小，此时需要用分布参数加 以分析。层与层之间由通孑l 连接，在大于1 g h z 的情况下，会不可避免地产生耦 合，此时的滤波器很难从经典的低通原型得出叫。但随着计算机技术的飞速发 展，一些专门用于设计这样滤波器的软件陆续出现，带给我们极大的方便。在本 文中，我们选用h f s s 来进行器件的仿真。 浙江工业大学硕士学位论文 3 6 设计软件介绍 由于l t c c 产品中包括多个等效分立元件，互相间的耦合非常复杂，工作频 率往往较高，更多是采用“电磁场”而不是“电路”的概念。用过去的集总参数 电路设计的方法是无法精确地设计l t c c 产品的。 早期采用的一些电磁分析方法，如保角变换求解耦合线，得奇、偶模阻抗，。 现今对于多层或三维电路，均采用三维电磁分析，对此国内、外已发表许多论文。 随着计算机运算速度和内存的提高，业已推出微机操作的3 d e m 仿真软件。这些 软件可预先提供如矢量场等有关信息，有助于提高设计精度。下表列出目前市售 的3 d e m 仿真软件及其常用的3 d 仿真方法；在这些仿真方法外，使用较多的还有： 直线法( m o l ) 、边界元法( b e m ) 、谱域法等1 2 “。 表3 1 常见仿真软件介绍 软件毫h f s se n m l b l e h f s s h p m 锄l 潮e 匐fk l d i t v锄s u l 靶 生产完a n s f l na n a g t e n ia g i l a l l 如【雒d 投h ds 0 1 l n 甜 i i i f j l i -h 赫m 粕 甚m 洲翻f d t dn 辩 v55 v7 任意1 ) v6 。 备眭 y7 多鬟平巍络霭 礁3 0 瀚匀畦臻 出 i p 笈写垒燕。雕麓窘受隧薅珞 m 擎巍终筏 表3 2 常用的3 d 仿真 寅潞剐镪划分离敬单, , i h i 列端阳仿腹城辎璺 罐罄汝髓洲1裘谣 侄踅一泼獭搴瞳然 有限元汝 f f m )熬个体税饪意 故频率 a 8 c 嘲壤有陵羞分汝( f d t d 憋个绺氍ta r 协s 湛n一、n 援时麓 a b c 俺输线燎阵法( t l m 整个体鞭c a r l e s l 3 n ，一n 蔽 时麓a 8 c 国际上以美国为代表的发达国家非常重视m c m 设计技术。研究开发了系统 的设计技术和多种专用设计软件。除专业设计软件公司外，一些大的公司都有自 己的专门的m c m 设计软件。 a n s o f ih f s s ( h i g hf r e q u e n c ys t r u c t u r es i m u l a t o r ) 是美国安捷伦公司开发的 一个优良的结构电磁场仿真器。适用于射频、无线通信、封装及光电子设计的任 意形状三维电磁场仿真。 h f s s 是业界公认的三维电磁场标准仿真软件包，正确使用本软件，可以彻 底摆脱了传统的设计模式，减少研制费用和时间，加快产品进入市场的步伐。 h f s s 提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场求解器，拥有空前电 浙江工业大学硕士学位论文 性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的s 参数和全 波电磁场。 正是由于h f s s 的精确度极高，本文应用h f s s 来设计并优化滤波器巴仑组 件，并对h f s s 的仿真曲线和j o h a n s o n t e c h n o l o g y 公司的产品指标进行对比。 3 7l t c c 滤波器的设计 3 7 1l t c c 滤波器的结构 由于l t c c 可以内埋置电感、电容、电阻等无源元件，制作成三维立体结构， 因此给滤波器的设计带来了很大的灵活性，并且可以充分利用这种三维结构带来 的电磁耦合来优化滤波器的性能。图3 5 为l t c c 滤波器的一般结构图。 图3 - 5l t c c 滤波器的一般结构图 3 7 2 设计l t c c 滤波器的一般步骤 多层陶瓷微波滤波器的设计方法大致有两种：场路结合的设计方法和利用解 电磁场方程来进行直接求解设计。前者的设计过程如下图所示。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 6 场路结合设计方法的设计流程图 由上图可知，场路结合设计方法主要由两部分组成：电路设计和物理尺寸设 计。前者是从路的角度来设计符合指标要求的集中参数形式的滤波器。后者是通 过场的方法来求得满足电路设计中已确定的滤波器等效电路相对应的具体物理 尺寸。 利用解电磁场方程来进行直接求解设计时，只要输入拟设计器件的具体物理 尺寸大小，然后按软件( 如h f s s ) 要求建立一个正确模型，接下来软件经过解电 磁场方程就会给出最后结果，包括幅频响应曲线、s m i t h 圆图等滤波器设计所需 的参数结果。利用解电磁场方法来进行滤波器设计的一个突出优势就是精度很 高。目前，大部分人都采用利用解电磁场方程来进行直接求解的商用软件来设计 多层陶瓷微波滤波器，他们都把研究的重点集中在如何建立不同的物理结构模 型，以满足各种设计需求。至今为止，人们已提出了很多不同结构来实现多层陶 瓷微波滤波器的设计，这些结构大致分两类：带状线结构和l c 结构 1 9 】。 传统带状线结构多层陶瓷微波滤波器是由一段传输线来作为一个谐振单元， 在实际设计中，根据不同的需求，人们对此做了各种不同的改进。如使用阶梯阻 抗型改善阻抗匹配；在两个谐振腔之间增加耦合电容减小器件体积；在输入一输 出极之间增加一条微带线来改变衰减极点( a t t e n u a t i o np o l e ) 的位置等。 浙江工业大学硕士学位论文 兹兰。鬓： 一”谚：”。羽”2 旦。，譬磐” 概燃mn _ “ 霪三篷爱囊三黉： 篱移麓一二 3 7 3l t c c 带通滤波器的设计 # 一自“ 图3 - 8l c 结构滤波器 本文要设计一个外形尺寸为2 5 m i n x 2 o m m x o 5 m m ，中心频率为2 4 5 g h z 的带通滤波器，其具体的参数如下所示。 浙江工业大学硕士学位论文 表3 - 3l t c c 带通滤波器的设计指标 n o i t e m ( 项目) s p e c i f i c a t i o n s ( 特性) lp o r ti m p e d a n c e5 0 q c e n t e rf r e q u e n c y 中心频率 22 4 5 0 0m h z f o 2 5 d b ( a t2 5 c 5 、 3i n s e r t i o nl o s s 插入衰耗 2 8 d b ( a t 一4 0 。c 8 5 ) 4 b a n dw i d t h通带宽度2 4 0 0 2 5 0 0m h z 2 5 ( a t1 5 7 5 m h z ) 2 5 ( 1 7 1 0 1 8 8 0m h z ) 5a t t e n u a t i o n 阻带衰耗 三1 5f 4 8 0 0 5 0 0 0m h z ) 三18 ( 7 2 0 0 7 5 0 0m h z ) 其中介质s ，= 2 7 ，微带采用银带线。 我们先确定滤波器的基本结构，由于该滤波器外形尺寸较小，因此不宜采用 平面结构的形式，因为传统的l 4 或l 2 单根微带线谐振无法实现。可以考虑用 通孔将一根微带线分布在不同的平面内。但是从生产上来讲，由于增加了通孔工 艺，实际生产的难度和成本就会上升。我们这里可以用下图所示的一种强耦合一 一宽边耦合来获得更大的互电容和互电感，这样就弥补了单根微带线物理长度上 的局限所导致的电长度的不足【2 。 图3 - 9 宽边耦合带状线示意图 宽边耦合的微带线可以应用平板传输线理论作近似分析。如下图所示，但要 注意的是两平行板电流需相反，这样才能保证上下平板间存在电位差，以产生互 电感和互电容。 浙江工业大学硕士学位论文 y 图3 1 0 平行板传输线 z ：擘：崆i ：丁i d g , d ：锷_ _ t dc ，仔蚴iih 。ww 、 。 。：号：譬：訾e ：嚣当胁，b 四 矿y ix d l x e d d 、 u “j j 为平板间电压；h y 、e x 分别为平板间y 向磁场强度和x 向电场强度；u 、s 分 2 丽5 葡菰而2 丽2 丽 2 z 、( 云z ) ( 弓d2 刃1 五e vi = 1 j = 1 yi = l归 其中l 、c 为总电感和总电容：，为平板耦合长度；i 为宽边耦合个数。 而滤波器的设计还包含了诸如阻带衰耗、通带波纹、插损等参量，这些可以 通过选择适当的滤波器级数来解决。根据经典的滤波器理论，滤波器级数估算公 式可由下式给出： i n l 2 a ，南 b 嘲 8 浙江工业大学硕士学位论文 其中占= , 1 0 h “o 一1 ，l d ，为通带内波纹； q 1 = t g o , = t g ( ；r c 0 1 1 2 0 9 0 ) = t g ( 顽2 f o ) ，z 为下边频；q 。= 留( 矾2 f o ) ，正是所需 阻带的频率；a = 1 0 m ，l a , 为所需阻带衰减。 先研究滤波器的单级谐振。对于2 4 5 0 m h z 的谐振频率，根据式( 3 1 2 ) ，在取 相同的w 、d 及，的情况下，可以算得l = 3 7 5 m m ，显然超出了器件的最大尺寸， 必须使用多个宽边耦合，这里采用两个宽边耦合即可满足要求。相应的总电容和 总电感就是单个耦合的两倍。 接下来估算所需的级数。本次设计滤波器通带内允许一定的扰动，而阻带要 求较高，选用切比雪夫原型。取切比雪夫波纹厶，= o 5 d b ，l a ，= 3 5 d b ，则由公 式( 3 1 5 ) 可得： 描ln14 6 5 乏1l 在此我们选用的级数为2 。图3 1 1 为滤波器等效电路示意图。该滤波器有 三个谐振回路。同时，各谐振回路之间又有耦合( 耦合谐振) 。级间的耦合对于 滤波器的阻带有直接的影响，通过改变级间距离，移动陷波点的位置，即可拉 深阻带，获得良好的边带性能。为了方便移动滤波器衰减的极点，我们在输入 和输出级之间直接加了一个l c 谐振，这反映在具体的物理模型上就是在输入 和输出之间加了一条微带。 上图中的l 和c 参数我们可以利用前述的公式得出。各参数值如下所示 铡丽 ，1+ 一 h 一 m 浙江工业大学硕士学位论文 c l = o 5 3 x 1 0 一f ，厶= o 1 8 1 0 “日；c z = o 1 8 7 1o - 9 f ，岛= o 1 l 1 0 “日； g = 0 0 9 8 1 0 4 f ，厶= 0 0 7 1 1 0 “h 。 将上述参数转化为实际的物理模型可以用快速多级子算法f m m 提取多层多 导体系统电容电感矩阵得出。这种方法的计算精度较高，但比较