基于LTCC小功率分配器设计与实现
唐超+赵明莉
摘 要： 利用一套合成滤波器的分析方法，给出了电路元件的各个数值，用电路与电磁仿真软件合成出具有良好性能的滤波器，并且使用ADS 2009及HFSS 13.0软件设计了通频带为2 225～2 700 MHz的二端口功率分配器。通过原理分析、设计仿真，总结并得出为了让滤波器性能表现良好，只需要预先设定好两个反射零点与两个匹配品质因子，就能有效地合成出各个器件的数值。设计具有一定的灵活性，也可以根据不同的滤波器规格设定不同的参数，在无线系统中有很好的实用价值。
关键词： LTCC技术； 功率分配器； 合成滤波器； 数值合成
中图分类号： TN626?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0167?03
Abstract： The analysis method of a synthetic filter is adopted to give the each value of the circuit elements. The circuit and electromagnetic simulation software are used to synthesize a filter with perfect performance. The ADS2009 and HFSS13.0 softwares are employed to design the two?port power divider whose passband is 2 225～2 700 MHz. The principle analysis and design simulation results show that， in order to make the filter performance better， so long as two reflection zeros and two matching quality factors are preset， the numerical value of each device can be synthesized effectively. The design has certain flexibility， and can set different parameters according to the specification of different filters， which has a high practical value in wireless systems.
Keywords： LTCC technology； power divider； synthetic filter； numerical value synthesis
LTCC（Low Temperature Cofired Ceramic）[1]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，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900 ℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，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IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通信组件[2]。
1 LTCC工艺流程
LTCC主要的工艺流程如图1所示。图中，印刷工序为主要工序，成型为关键工序。功率分配器中的电感、电容图案是在印刷工序完成的。印刷的厚度、宽度与模型设计偏差较大，将会影响产品的性能[3]。而在成型工序，产品的特性将固定，该工序主要是要控制层与层之间的偏位。若偏差较大，将会影响功率分配器内部的电感量、电容量，从而影响整个产品的性能，且是不可逆的。
2 功率分配器原理分析
2.1 基本原理
功率分配器将功率按一定的比例分成两路。其有多种形式，最常用的是λg/4功率分配器。这种功率分配器称为威尔金森（Wilkinson）功率分配器。功率分配器是个三端口电路结构（3 Port network），如图2所示，其输出端口之间的相移为零[4]。
这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式應用。其信号输入端的输入功率为P1，而其他两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒定律[5]可知P1=P2+P3。
若P2=P3并以dBm来表示三端口网络功率间的关系，则可写成，P2（dBm）=P3（dBm）=Pin（dBm）-3 dB。当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况最常被使用于实际电路中。因此，功率分配器大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=P3）两种类型。图3是微带三端口功分器原理图，它是在微带T形接头的基础上发展起来的，其结构较简单。信号由端口“1”输入（所接传输线的特性阻抗为Z0）分别经特性阻抗为Z02，Z03的两分支微带线从端口“2”，“3”输出，负载电阻分别为R2，R3。两分支间无耦合，各自在中心频率时的电长度均为θ=
功率分配器应满足下列条件：
（1） 端口“2”与端口“3”的输出功率比可为任意指定值；
（2） 输入端口“1”无反射；
（3） 端口“2”与端口“3”的输出电压等幅、同相。
由这些条件可确定Z02，Z03，及R2，R3的值。端口“2”，“3”的输出功率与输出电压的关系为：
由于等幅、同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻，并不会影响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等于R2，R3时，来自负载的反射波功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为一功率合成器。为使“2”，“3”两端口彼此隔离，须在其间加一吸收电阻，起隔离作用。隔离电阻r的数值，可由图4所示的等效电路分析求得。
当两路功分器工作在中心频率时，它的特性是理想的，一旦频率偏移，不论是隔离度还是输入驻波比都将变差，故工作频带较窄。
2.2 主要技术指标
功率分配器的技术指标主要包括频率范围、每个端口的电压驻波比或反射系数、两支路的公分比、输入/输出间的传输损耗、支路端口间的隔离度和功率分配器承受功率的的能力等。
频率范围是各种射频和微波电路工作的前提，功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率密切相关，必须首先明确功率分配器的工作频率，才能进行具体的设计工作[6]。
端口电压驻波比或反射系数是射频和微波电路的一个重要指标，它反映了端口的匹配情况。端口“1”、端口“2”和端口“3”的电压驻波比或反射系数，分别由散射参量S11，S22和S33决定。其中端口1的电压驻波比为：
用分贝表示的端口“1”的反射系数为：
同理可求出端口“2”和端口“3”的电压驻波比和反射系数。功率分配器3个端口的理想工作状态是匹配，故每个端口的电压驻波比越小越好（min=1），每个端口的反射系数模值越小越好（min=0，若用dB表示，最小值为-∞）。输入/输出间的传输损耗是由于传输线的介质或导体不理想等因数引起的，介质的损耗角正切和导体的电导率是形成损耗的原因。端口“2”和端口“3”为相互隔离端口，在理想的情况下，隔离端口间应没有相互输出功率，但由于设计及制作精度的限制，使隔离端口间尚有一些功率输出。端口“2”到端口“3”的隔离度定义为：
当两个支路的结构完全对称时，散射参量S23=S32。
承受功率是指在大功率时，功率分配器中电路元件所能承受的最大功率。
3 功率分配器在ADS2009与HFSS 13.0中的仿真
功率分配器指标如下，频率范围2 225～2 700 MHz；传输损耗为3.5～4.0 dB；回波损耗≥18 dB；隔离度≥15 dB。
3.1 在ADS2009中进行参数仿真
该功分器原理图如图5所示。
其中，电感、电容、电阻从分立元件库调取，考虑L1与L2之间存在耦合，在仿真中需加耦合控件，通过优化仿真确立对应元件参数。
该功分器在ADS中仿真的S参数如图6所示，从仿真结果来看，达到了设计要求。
3.2 在HFSS 13.0中建模及仿真分析
（1） 建立模型。选择陶瓷材料，介电常数为9.1，内电极材料为银。同时，考虑标准化、简易等要求，选择6脚引脚封装，图7为功率分配器三维模型图。
（2） 仿真结果及分析。如图8所示，从S参数仿真的结果来看，满足设计要求，能够支持进一步工艺控制程序。
4 结 语
本文简要介绍了LTCC的发展趋势及LTCC常用工艺流程，利用ADS与HFSS软件进行理论仿真及建模仿真，实现了小功率分配器设计。同时，在用HFSS建模仿真时需考虑产品SPEC、电路设計、材料、工艺选择、模型设计、设计转化等；但理论仿真与实际生产存在工艺偏差，要想理论仿真结果更接近于实际结果，在仿真时需要了解产线实际的工艺水平，并引入相对应的误差，并进行修正。
参考文献
[1] 闫安.LTCC（低温基板陶瓷）的细线条丝印[J].网印工业，2009（2）：26?28.
[2] 王悦辉，杨正文，王婷，等.低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[C]//中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集.西宁：中国电子学会元件分会，2006.
[3] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[4] 杨邦朝，付贤民，胡永达.低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[J].电子元件与材料，2008，27（6）：1?5.
[5] 韩振宇，马莒生，徐忠华，等.低温共烧陶瓷基板制备技术研究进展[J].电子元件与材料，2000，19（6）：31?33.
[6] 胡兴军.低温共烧陶瓷技术前景[J].现代技术陶瓷，2005，27（3）：41?42.
摘 要： 利用一套合成滤波器的分析方法，给出了电路元件的各个数值，用电路与电磁仿真软件合成出具有良好性能的滤波器，并且使用ADS 2009及HFSS 13.0软件设计了通频带为2 225～2 700 MHz的二端口功率分配器。通过原理分析、设计仿真，总结并得出为了让滤波器性能表现良好，只需要预先设定好两个反射零点与两个匹配品质因子，就能有效地合成出各个器件的数值。设计具有一定的灵活性，也可以根据不同的滤波器规格设定不同的参数，在无线系统中有很好的实用价值。
关键词： LTCC技术； 功率分配器； 合成滤波器； 数值合成
中图分类号： TN626?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0167?03
Abstract： The analysis method of a synthetic filter is adopted to give the each value of the circuit elements. The circuit and electromagnetic simulation software are used to synthesize a filter with perfect performance. The ADS2009 and HFSS13.0 softwares are employed to design the two?port power divider whose passband is 2 225～2 700 MHz. The principle analysis and design simulation results show that， in order to make the filter performance better， so long as two reflection zeros and two matching quality factors are preset， the numerical value of each device can be synthesized effectively. The design has certain flexibility， and can set different parameters according to the specification of different filters， which has a high practical value in wireless systems.
Keywords： LTCC technology； power divider； synthetic filter； numerical value synthesis
LTCC（Low Temperature Cofired Ceramic）[1]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，并将多个被动组件（如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等）埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900 ℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，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IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通信组件[2]。
1 LTCC工艺流程
LTCC主要的工艺流程如图1所示。图中，印刷工序为主要工序，成型为关键工序。功率分配器中的电感、电容图案是在印刷工序完成的。印刷的厚度、宽度与模型设计偏差较大，将会影响产品的性能[3]。而在成型工序，产品的特性将固定，该工序主要是要控制层与层之间的偏位。若偏差较大，将会影响功率分配器内部的电感量、电容量，从而影响整个产品的性能，且是不可逆的。
2 功率分配器原理分析
2.1 基本原理
功率分配器将功率按一定的比例分成两路。其有多种形式，最常用的是λg/4功率分配器。这种功率分配器称为威尔金森（Wilkinson）功率分配器。功率分配器是个三端口电路结构（3 Port network），如图2所示，其输出端口之间的相移为零[4]。
这种三端口装置是可逆的，它既能以功率分配的形式又能以功率合成的形式應用。其信号输入端的输入功率为P1，而其他两个输出端的输出功率分别为P2及P3。理论上，由能量守恒定律[5]可知P1=P2+P3。
若P2=P3并以dBm来表示三端口网络功率间的关系，则可写成，P2（dBm）=P3（dBm）=Pin（dBm）-3 dB。当然P2并不一定要等于P3，只是相等的情况最常被使用于实际电路中。因此，功率分配器大致上可分为等分型（P2=P3）及比例型（P2=P3）两种类型。图3是微带三端口功分器原理图，它是在微带T形接头的基础上发展起来的，其结构较简单。信号由端口“1”输入（所接传输线的特性阻抗为Z0）分别经特性阻抗为Z02，Z03的两分支微带线从端口“2”，“3”输出，负载电阻分别为R2，R3。两分支间无耦合，各自在中心频率时的电长度均为θ=
功率分配器应满足下列条件：
（1） 端口“2”与端口“3”的输出功率比可为任意指定值；
（2） 输入端口“1”无反射；
（3） 端口“2”与端口“3”的输出电压等幅、同相。
由这些条件可确定Z02，Z03，及R2，R3的值。端口“2”，“3”的输出功率与输出电压的关系为：
由于等幅、同相，故在端口“2”，“3”间跨接一电阻，并不会影响功分器的性能。但当“2”，“3”两端口外接负载不等于R2，R3时，来自负载的反射波功率便分别由“2”，“3”两端口输入，此时该三端口网络变为一功率合成器。为使“2”，“3”两端口彼此隔离，须在其间加一吸收电阻，起隔离作用。隔离电阻r的数值，可由图4所示的等效电路分析求得。
当两路功分器工作在中心频率时，它的特性是理想的，一旦频率偏移，不论是隔离度还是输入驻波比都将变差，故工作频带较窄。
2.2 主要技术指标
功率分配器的技术指标主要包括频率范围、每个端口的电压驻波比或反射系数、两支路的公分比、输入/输出间的传输损耗、支路端口间的隔离度和功率分配器承受功率的的能力等。
频率范围是各种射频和微波电路工作的前提，功率分配器的设计结构和尺寸大小与工作频率密切相关，必须首先明确功率分配器的工作频率，才能进行具体的设计工作[6]。
端口电压驻波比或反射系数是射频和微波电路的一个重要指标，它反映了端口的匹配情况。端口“1”、端口“2”和端口“3”的电压驻波比或反射系数，分别由散射参量S11，S22和S33决定。其中端口1的电压驻波比为：
用分贝表示的端口“1”的反射系数为：
同理可求出端口“2”和端口“3”的电压驻波比和反射系数。功率分配器3个端口的理想工作状态是匹配，故每个端口的电压驻波比越小越好（min=1），每个端口的反射系数模值越小越好（min=0，若用dB表示，最小值为-∞）。输入/输出间的传输损耗是由于传输线的介质或导体不理想等因数引起的，介质的损耗角正切和导体的电导率是形成损耗的原因。端口“2”和端口“3”为相互隔离端口，在理想的情况下，隔离端口间应没有相互输出功率，但由于设计及制作精度的限制，使隔离端口间尚有一些功率输出。端口“2”到端口“3”的隔离度定义为：
当两个支路的结构完全对称时，散射参量S23=S32。
承受功率是指在大功率时，功率分配器中电路元件所能承受的最大功率。
3 功率分配器在ADS2009与HFSS 13.0中的仿真
功率分配器指标如下，频率范围2 225～2 700 MHz；传输损耗为3.5～4.0 dB；回波损耗≥18 dB；隔离度≥15 dB。
3.1 在ADS2009中进行参数仿真
该功分器原理图如图5所示。
其中，电感、电容、电阻从分立元件库调取，考虑L1与L2之间存在耦合，在仿真中需加耦合控件，通过优化仿真确立对应元件参数。
该功分器在ADS中仿真的S参数如图6所示，从仿真结果来看，达到了设计要求。
3.2 在HFSS 13.0中建模及仿真分析
（1） 建立模型。选择陶瓷材料，介电常数为9.1，内电极材料为银。同时，考虑标准化、简易等要求，选择6脚引脚封装，图7为功率分配器三维模型图。
（2） 仿真结果及分析。如图8所示，从S参数仿真的结果来看，满足设计要求，能够支持进一步工艺控制程序。
4 结 语
本文简要介绍了LTCC的发展趋势及LTCC常用工艺流程，利用ADS与HFSS软件进行理论仿真及建模仿真，实现了小功率分配器设计。同时，在用HFSS建模仿真时需考虑产品SPEC、电路设計、材料、工艺选择、模型设计、设计转化等；但理论仿真与实际生产存在工艺偏差，要想理论仿真结果更接近于实际结果，在仿真时需要了解产线实际的工艺水平，并引入相对应的误差，并进行修正。
参考文献
[1] 闫安.LTCC（低温基板陶瓷）的细线条丝印[J].网印工业，2009（2）：26?28.
[2] 王悦辉，杨正文，王婷，等.低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[C]//中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集.西宁：中国电子学会元件分会，2006.
[3] 黄玉兰.ADS射频电路设计基础与典型应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.
[4] 杨邦朝，付贤民，胡永达.低温共烧陶瓷（LTCC）技术新进展[J].电子元件与材料，2008，27（6）：1?5.
[5] 韩振宇，马莒生，徐忠华，等.低温共烧陶瓷基板制备技术研究进展[J].电子元件与材料，2000，19（6）：31?33.
[6] 胡兴军.低温共烧陶瓷技术前景[J].现代技术陶瓷，2005，27（3）：41?42.
