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(gè)表面的金屬采用了薄膜工藝進(jìn)行加工。濾波器測(cè)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(gè)頻段，W波段已經(jīng)在雷達(dá)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)、毫米波對(duì)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(duì)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(dòng)。

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。

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(duì)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?，可以?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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)度，它們和SIW結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)的關(guān)系如式（3）所示。

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

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(shí)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(lì)，兩個(gè)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(duì)稱面上分別是理想電壁或理想磁壁將兩個(gè)諧振器隔開時(shí)對(duì)應(yīng)與上述兩種情況的單個(gè)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(duì)應(yīng)的耦合窗的寬度。

對(duì)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(duì)其進(jìn)行全波仿真，得到單端口群時(shí)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。

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(shí)，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(cuò)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(cè)試，輸入輸出端的共面波導(dǎo)信號(hào)線的線條寬度為75μm，信號(hào)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(duì)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(cè)試

采用探針對(duì)制作的 LTCC 濾波器的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試設(shè)備包括 Agilent PNA-X N5245A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和一對(duì)OMLWR-10（75GHz～100GHz）括頻模塊以及CASCADE 的 S-GSG100 探針。

濾波器的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比，兩者吻合較好，濾波器在 86.5GHz～91.5GHz 頻率范圍內(nèi)測(cè)試的插入損耗小于2.7dB，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

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(duì)帶寬內(nèi)測(cè)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)。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《2020年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（下冊(cè)）》2021年9月，版權(quán)歸《2020年全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集（下冊(cè)）》編輯部所有。

賀彪，林巍，高亮，汪杰，劉峰，劉志甫

華東光電集成器件研究所，蘇州博海創(chuàng)業(yè)微系統(tǒng)有限公司，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

編輯：jq