基于薄膜工艺的W波段LTCC滤波器的研制

摘要：本文采用自主开发的低介电常数低损耗LTCC材料K5研制了一款W波段带通滤波器。该带通滤波器采用工作在TE104次模的SIW结构，为了减小LTCC印刷导体表面粗糙度大带来的损耗，该滤波器在LTCC上下两个表面的金属采用了薄膜工艺进行加工。滤波器测试结果表明在频率86.5GHz～91.5GHz范围内插入损耗小于2.7d B（驻波<1.6）。

引言

作为大气传播中传播衰减较小的一个频段，W波段已经在雷达、导弹末制导、毫米波对抗、毫米波通信等领域得到了广泛的应用，而滤波器是这些系统中常用的无源器件。在 W 频段常用的滤波器是波导腔体滤波器，它具有插入损耗小、矩形系数好、易于通过机加工实现等优点，但该类滤波器最大的缺点是体积比较大，且很难和平面电路进行集成，另外随着频率的提高，对滤波器的加工精度要求也提高了。为了和平面电路进行集成，也可以在介质基板上采用微带线或带状线设计滤波器，它的优点是可以和其他的有源器件进行系统集成，减小体积，但它的缺点也是很明显的，就是插入损耗比较大，这是由于平面电路本身的特性和所使用的材料决定的。SIW 结构结合了波导和平面电路的优点，其性能介于两者之间，已经成为毫米波滤波器设计的重要发展方向。

1、K5 LTCC材料特性

本文基于自主开发的K5 LTCC陶瓷材料进行W波段带通滤波器的设计和加工。K5 LTCC陶瓷材料是采用多步固相合成的CaO-B2O3-SiO2体系复相材料和高硅玻璃二元复合的材料系统，并添加少量析晶抑制剂来稳定材料的相组成。多步固相合成的CaO-B2O3-SiO2体系复相材料主要由硅灰石等结晶相组成，减小了玻璃无规则网络带来的毫米波条件下的介电损耗，预先形成的结晶相也避免了传统微晶玻璃在烧结过程中析晶相受工艺条件的影响而导致的介电常数波动。析晶抑制剂的加入可以抑制高硅玻璃在LTCC 材料烧结过程中形成结晶石英相而带来的介电常数变化及力学性能等的变化，从而保证LTCC 材料的介电性能精确可控。K5 LTCC 材料的具体性能参数如表1所示，其介电特性、物理特性和烧结温度都满足 W 波段电路设计和现有的 LTCC 加工工艺要求。

表1 K5低介电材料综合性能

2、W波段带通滤波器设计

W 波段滤波器指标：中心频率：89GHz；相对带宽：5%；插入损耗：＜3dB；采用 2 阶 Chebyshev 滤波器形式。

根据耦合矩阵理论，可以优化得到设计该滤波器的耦合矩阵如式(1)所示。外部品质因数：

其频率响应特性如图(1)所示。

在设计该滤波器时采用 TE104模，谐振腔的谐振频率和腔体的物理尺寸关系如式(2)所示。

式(2)中，m,n, p分别是谐振腔宽度、高度和长度方向上的模式，此处m=1，n=0，p=4，Weff，Heff，Leff是等效波导宽度、高度和长度，它们和SIW结构的物理参数的关系如式(3)所示。

图 1 基于耦合矩阵的 W 波段滤波器特性

式(3)中，W, L, d,s 分别为SIW谐振腔的宽度、长度、通孔的直径以及通孔间的间距，如图(2)所示。

图2 SIW谐振腔结构及尺寸

根据 K5 材料的介电常数，可以计算出 TE104 模在 89.0GHz 频率谐振时的物理尺寸：W=1.5mm，H=0.6mm，L=3.25mm，滤波器输入输出端采用共面波导进行激励，两个谐振腔之间采用感性耦合窗实现耦合，耦合系数通过公式(4)确定。

式(4)中，k 是耦合系数，fp1，fp2表示相互耦合的两谐振器等效电路的对称面上分别是理想电壁或理想磁壁将两个谐振器隔开时对应与上述两种情况的单个谐振器的谐振频率。耦合系数的大小和耦合窗的宽度相关，可以通过仿真和式(4)得到耦合系数和耦合窗的宽度的关系曲线，从而获得该滤波器耦合系数对应的耦合窗的宽度。

对于该模型的外部品质因数的提取，需建立其单端口模型，对其进行全波仿真，得到单端口群时延大小，通过公式(5)计算得出其外部品质因数大小。

根据上面的仿真和计算结果建立如图 3 所示的滤波器仿真模型，在此基础上进行优化，可以得到满足指标要求的滤波器的最终物理尺寸。

图3 共面波导激励的二阶 SIW 滤波器仿真模型

3、W 波段带通滤波器的制作

在 W 频段基于常规 LTCC 工艺的滤波器损耗特性是它能否满足实际使用需求的关键指标。SIW 结构设计的滤波器的损耗主要包括了辐射损耗、介质损耗和金属导体损耗。实际建立仿真模型时，SIW 的侧壁通过三排的金属孔来实现，如图 3 所示，这三排金属孔错位放置，这样既可以减小 SIW 侧壁电磁泄露，又能满足 LTCC 基板加工的要求。介质损耗由 LTCC 材料的介质损耗角 tanδ决定，本文设计的滤波器采用了自主开发的 K5 LTCC材料的介质损耗角为0.0012，属于损耗比较低的 LTCC 材料；金属损耗主要取决于所使用的金属，在LTCC 工艺中通常采用银或者是金，这两种材料导电率都比较高，但在常规的LTCC 工艺中，金属是以金属浆料的形式通过丝网印刷工艺在 LTCC 生瓷上的，金属浆料内掺杂了一些有机溶剂，在烧结的过程中有机溶剂挥发，导致了金属导体的表面粗糙度变得非常差（2-3μm），随着频率的升高，金属表面粗糙度将成为影响器件损耗的关键因素。为了降低金属导体的表面粗糙度，在常规 LTCC 工艺的基础上增加了薄膜工艺流程，LTCC 基板内部的电路还采用常规的丝网印刷工艺，而在 LTCC 基板表面的金属，也就是 SIW 结构的上下底面金属采用薄膜工艺进行制作，工艺过程包括基板的抛光、金属溅射、电镀金等流程，最终可以使金属的表面粗糙度降到 0.2μm，能有效降低滤波器的导体损耗。另外本文设计的滤波器为了能够用探针进行电性能测试，输入输出端的共面波导信号线的线条宽度为75μm，信号线和地之间的间距为 25μm，这是常规的 LTCC 丝网印刷工艺不能实现的，而薄膜工艺可以制作相对于印刷工艺更细的线条和线条间距，而且可以把金属线条以及线条之间间距的精度控制在 1μm以内。

4、W 波段带通滤波器的测试

采用探针对制作的 LTCC 滤波器的性能进行了测试，测试设备包括 Agilent PNA-X N5245A型矢量网络分析仪和一对OMLWR-10(75GHz～100GHz)括频模块以及CASCADE 的 S-GSG100 探针。滤波器的测试结果和仿真结果对比如图 4 所示，两者吻合较好，滤波器在 86.5GHz～91.5GHz 频率范围内测试的插入损耗小于2.7dB，满足设计目标要求。

图4 滤波器测试和仿真结果对比

5、结论

本文基于自主开发的 K5LTCC 材料采用 SIW 结构设计了一款 2 阶 W 波段带通滤波器，在常规的 LTCC 基板制作工艺基础上增加了薄膜工艺以降低滤波器表面金属的粗糙度，从而改善滤波器的损耗特性，制作的滤波器样品的中心频率为89GHz，在5%的相对带宽内测试插入损耗小于2.7d B，达到了小于3d B的预期目标。

审核编辑：汤梓红