采用 LTCC 技术打造紧凑的高性能、高稳定性射频带通滤波器

现在，随着人们越来越多地依赖无线通信、雷达、卫星和其他射频/微波系统，带通滤波器的重要性也日益凸显，因其能在目标频段内精准筛选有用信号的同时滤除无用信号。基于分立无源电阻、电感、电容 (RLC) 的传统集总元件滤波器实现方案，虽多年来深受业界青睐，但对于千兆赫兹 (GHz) 频段滤波器，设计人员需要一种替代方案，以更好地满足在性能、稳定性、损耗、尺寸、可靠性、批次一致性及成本方面日益严苛的要求。

本文探讨高频系统设计人员所面临的滤波挑战。然后介绍低温共烧陶瓷 (LTCC) 技术，并以 Mini-Circuits 的滤波器为例，说明如何利用此项技术攻克这些挑战。

滤波器的基础知识

无源滤波器理论涵盖多种滤波器拓扑结构及其特性和作用，包括低通、高通、阻带和带通滤波器（图 1）。这类滤波器采用分立式 RLC 元件进行分析。

图 1：所示为四种基本滤波器功能的电路原理图符号（左）和增益 - 频率特性曲线（右）。（图片来源：Learn About Electronics）

四种滤波器的基本衰减 - 频率传递特性如下：

• 低通滤波器 (LPF )：通过特定截止频率以下的频率，衰减高于截止频率的频率
• 高通滤波器 (HPF)：通过特定截止频率以上的频率，衰减低于截止频率的频率
• 带通滤波器 (BPF)：允许特定范围的频率通过，同时衰减该范围之外的频率
• 带阻/陷波滤波器 (BSF)：衰减特定的窄频段，同时允许其他频段的频率通过

滤波器拓扑结构不仅可以按其作用分类，还可按其名称、数学描述符号和方程式分类（其中一些与电子时代之前的数学家有关）。这些分类包括一阶、二阶、π 型、最平坦型、T 型、巴特沃斯、考尔、切比雪夫及贝塞尔滤波器。

虽然定义这些滤波器的基本原理与数学模型依然成立，但当工作频率进入数百兆赫兹 (MHz) 乃至数千兆赫兹 (GHz) 频段时，其集总元件结构将不再适用。基于此类分立元件的滤波器体积过大、成本高昂且批次一致性差，无法满足大规模量产要求。

不可避免的寄生参数会导致滤波器理论与物理实现存在显著差异，且偏差往往较大。随着频率升高，每个滤波器物理实体可能都需要进行调试（通常为人工调试），以补偿寄生参数和元件公差的细微波动。

滤波器的性能可采用多个参数进行规范描述。其中包括：

• 中心频率：带通或陷波（带阻）滤波器的中心频率
• 输出信号功率相对于输入下降一半（3 分贝 (dB)）时的频率，是通带与阻带之间的分界点。
• 通带：以最小衰减通过滤波器的频率范围
• 阻带：明显衰减或阻断的频率范围
• 滚降速率：通带与阻带之间过渡带的陡峭程度，单位为分贝每十倍频程或分贝每倍频程
• 插入损耗：因滤波器插入传输线而造成的信号功率损失，单位为 dB
• 纹波：通带或阻带内增益的微小变化，常见于高阶滤波器中
• 相移/群时延：通过滤波器的信号相对于输入信号的相移，与频率有关
• S 参数（散射参数）：用于射频/微波滤波器，如 S₂₁（增益/损耗）和 S₁₁（回波损耗/反射）

此外，还存在温度引起的漂移、耗散极限和元件老化等实际问题。

突破分立元件技术的局限

带通滤波器广泛应用于有线和无线系统中，用于筛选两侧带有衰减带的较宽目标频段，以及提取对应单个信道的窄带信号。

为克服分立元件滤波器固有的局限性，工程师们开发并完善了一系列替代滤波器技术与制造工艺，各类技术均具备独特的技术特性。其中包括平面传输线滤波器（如微带线、共面波导 (CPW) 和带状线滤波器）、腔体滤波器、低温共烧陶瓷 (LTCC) 滤波器、介质滤波器以及压电滤波器（含声表面波 (SAW) 滤波器和体声波 (BAW) 滤波器）。

其中，LTCC 滤波器尤为突出，它是专为大规模量产、空间受限应用设计的小型化、高可靠性、高性能射频元件，目前已广泛应用于物联网 (IoT)、Wi-Fi 6E/7 及卫星系统。其工作频率覆盖 400MHz 至 40GHz 以上，其特点包括低插入损耗、高选择性、出色的性能一致性以及兼容自动化表面贴装技术 (SMT) 制造工艺。

LTCC 器件采用先进的多层工艺制造（图 2）。陶瓷玻璃“生瓷带”通过印刷导电材料形成所需的无源滤波器元件，随后进行叠层、压合，并在相对较低的温度（低于 900℃）下烧制而成。LTCC 工艺可将 RLC 元件高密度三维集成在高可靠性、小型化且热稳定性优异的封装内，使其非常适合高频射频/微波应用。

图 2：LTCC 工艺包括在陶瓷玻璃基板上堆叠和压制多层无源元件，然后通过烧制，形成一体化单片元件。（图片来源：Everything RF）

通过结合电路拓扑、材料、仿真能力和制造工艺方面的进步，Mini-Circuits 开发出一系列适用于微波和毫米波系统（包括 5G 技术）的 LTCC 滤波器。这些 LTCC 滤波器相比早期技术（如氧化铝基薄膜技术）具有诸多优势，后者占用面积更大、成本更高、对环境更敏感，且在高密度布局中更容易失谐。相比之下，LTCC 滤波器在性能、物理可靠性、尺寸、成本效益和一致性方面实现了完美的平衡。

与其他陶瓷滤波器相比，LTCC 技术的共烧温度更低，因此可以使用铜等低电阻金属作为导体。因此，与传统氧化铝陶瓷相比，它的插入损耗更低，可用于高频封装和模块集成应用。

LTCC 方法的发展

传统上，LTCC 滤波器的阻带抑制能力约为 30 dB 至 90 dB 以上。

然而，选用 GHz 级元件时，其贴装方式与输入输出信号走线同元件本体同等关键；选型不能仅依靠物料清单 (BOM)，PCB 布局与量产工艺同样是重要考虑因素。

问题在于，这类高抑制滤波器通常需要射频能量从带状线、微带线或其他特性阻抗受控传输线“馈入”，才能发挥其全部抑制性能。这给希望将 LTCC 滤波器集成到微带线和共面波导 (CPW) 传输线中的设计人员带来了限制。例如，部分设计可能在底面设有同轴射频馈入结构，需要通过盲孔连接至带状线电路板的导电层。

然而，尽管众多印刷电路板 (PCB) 制造商已具备可靠制造带盲孔的表面贴装 (SMT) 组件的能力，但部分设计人员仍倾向于采用共面波导 (CPW) 布线板，其导电走线与器件端口的连接点暴露于顶层。除解决盲孔相关问题外，CPW 还允许将其他表面贴装元件与信号走线并联或串联焊接，并通过调整走线宽度和特性阻抗实现最佳匹配。

此外，滤波器封装的焊盘图形可能包含底面导电镀层。因此，如果直接将器件焊接至 CPW 板上的裸露走线，会因 PCB 板金属化层与滤波器底面之间发生短路而引发功能故障。

可贴装 LTCC 滤波器

为解决上述问题，Mini-Circuits 开发出适用于贴装式 SMT 平台的 BFHKI 系列 CPW 兼容型滤波器。该系列 LTCC 带通滤波器由包含 LTCC 元件和转接基板的子组件构成，转接基板可将 LTCC 的同轴馈入结构转换为 CPW 接口（图 3，上图）。该转接基板的应用使得 BFHKI 系列 LTCC 带通滤波器能够贴装在微带线和 CPW 走线上（图 3，下图），相比传统 LTCC 滤波器及其他滤波技术具有显著的性能优势。

图 3：BFHKI 系列 LTCC 滤波器在滤波器与 PCB 之间设有转接基板（上图），可便捷适配顶层传输线；该系列 PCB 布局指南（下图）表明其支持器件贴装于微带线和 CPW 走线上。（图片来源：Mini-Circuits）

用两个示例产品说明可实现的性能指标

两个代表性产品说明了 BFHKI 系列 LTCC 滤波器的射频性能。在频谱低频段，BFHKI-5001+（图 4）是一款通带为 4.5 至 5.3 GHz 的带通滤波器，可支持卫星通信链路、航空航天与军工信号调理以及量子计算等应用。该滤波器在 CPW 布局上贴装时，在 13 GHz 以下具有 54 dB（典型值）的高阻带抑制，且在宽频带内插入损耗为 3.6 dB（典型值）。

图 4：BFHKI-5001+ 4.5 至 5.3 GHz 带通滤波器的阻带抑制高达 54 dB (典型值 )，最高可达 13 GHz。（图片来源：Mini-Circuits）

BFHKI-5001+ 采用 0.195" × 0.144" × 0.072" 的紧凑型陶瓷封装，非常适合密集的 PCB 布局。集成式转接基板支持采用自动化制造设备安装。

LTCC 制造工艺可确保射频性能偏差最小化，并使产品适用于高湿、高温等极端环境。屏蔽结构最大限度降低了电磁干扰、对相邻元件的敏感度以及失谐现象，这些都是密集射频布局中的关键影响因素。

在频谱高频段是 BFHKI-3142+，这是一款微型化超高阻带抑制 LTCC 带通滤波器。该型号通带为 28 GHz 至 36 GHz，在 CPW 布局上贴装时，在 67 GHz 以下可实现 30 dB（典型值）的阻带抑制，且在宽频带内的插入损耗为 2.8 dB（典型值）。

与 BFHKI-5001+ 相同，该器件采用 0.195" × 0.144" × 0.072" 小型陶瓷外形封装，并集成转接基板，便于设计导入与生产应用。其他重要性能指标包括宽频带插入损耗与回波损耗（图 5，上图），以及通带内插入损耗与回波损耗（图 5，下图）。

图 5：BFHKI-3142+ 用户需了解整体插入损耗与回波损耗指标（上图），以及通带内的对应指标（下图）。（图片来源：Mini-Circuits）

结语

为满足现代射频和微波系统对性能、可靠性、一致性、尺寸及成本的要求，设计人员需突破由分立电阻、电感、电容构成的传统带通滤波器的局限。如上所述，Mini-Circuits 的 BFHKI 系列 LTCC 滤波器具有出色的性能与必要的特性，其集成的转接基板为设计人员提供了多样化的板级滤波器安装与射频接口方案。