爱华网某种意义上微电子学近几十年的历史就是器件逐渐小型化的历史，当前微波电路与系统正向高性能、低成本、高集成和小型化方向快速发展，但是系统中需要的高Q无源元件，如滤波器、谐振器和双工器等却在微波单片内难以实现，于是发展起了介质集成波导（SIW：Substrate Integrated Waveguide）技术。利用周期性通孔结构，SIW可以在任意的介质上实现上述微波元件，而且SIW元件具有Q值高、可承受功率大、加工成本低、易于系统集成的优点。 国外在SIW技术方面起步较早，1995年，K.A.Zaki首次应用金属通孔实现了滤波器（图1）；1998年，J.Hirokawa和M.Ando利用金属通孔馈电，将SIW技术用于天线设计（图2）；2000年，H.J.Hsu等利用金属通孔在介质基板上形成MBG或EBG结构实现了SIW谐振腔。发展到目前，SIW已广泛应用于谐振器、滤波器、双工器、天线等元件中。 图1. SIW滤波器示意图 图2. SIW天线示意图 近年来LTCC因其布线密度高、可集成无源元件、微波性能好、热膨胀系数(TCE)与硅和砷化镓接近等优点，在微波电路中得到了越来越广泛的应用。目前已有很多微波/毫米波MCM模块采用了LTCC作为电路基板。LTCC可以多层布线以及采用贵金属作为电极，很适合于SIW这种三维结构较复杂，Q值对内导体损耗较敏感的无源元件。目前国外研究SIW元件在LTCC上应用的报道较多，国内研究工作开展的也比较多，但是实用化方面存在一定的问题，主要是设计和工艺不能很好地结合，本文结合五十五所拥有的八英寸LTCC标准工艺线的特点，开展了设计和工艺研究工作。 一、MCM模块中集成SIW滤波器设计 设计的滤波器指标为中心频率10.2GHz，相对带宽1%，带内反射小于-20dB、阻带大于16dB。滤波器采用了三级交叉耦合拓扑（图3），为使腔的插入损耗最小，上下两腔之间采用磁耦合，第一层两腔之间采用膜片耦合，即磁场耦合。这种拓扑结构只能产生一个传输零点，且位于通带右侧。根据拓扑结构利用网络综合法求出归一化传输零点和归一化传输极点，优化后得到耦合矩阵（图4）。 图3. 三腔SIW滤波器拓扑 图4. 三腔滤波器耦合矩阵 按照LTCC材料参数，利用耦合谐振对电磁模型获得设计参数与结构尺寸的关系，最后对整个滤波器进行调谐，得到滤波器的结构及仿真结果如图5和图6。 图5. 三腔SIW滤波器结构图 图6.三腔SIW滤波器仿真结果 为了验证该SIW滤波器集成于LTCC基板时的性能，同时也设计了一个RF接收前端MCM模块，由一个低噪声放大器、一个SIW滤波器和一个混频器所构成。其原理框图和设计指标如下（图7）：
图7. RF接收前端原理框图与指标 接收前端实现从射频到中频的频率转换，其中滤波器的功能主要是实现对镜像信号的抑制，同时提高系统的抗带外干扰能力。为满足指标要求，在镜像频率处抑制度需要在40dB以上，可以很好地对所设计SIW滤波器起到验证作用。 二、基于LTCC的SIW滤波器与MCM模块基板加工 采用了8英寸的LTCC工艺线进行了加工，其工艺流程如图8 图8. LTCC工艺流程 滤波器和接收前端MCM模块的基板使用了10层Ferro A6M生瓷带，样品在加工过程中解决了以下工艺难点： 高密度金属化通孔阵列（孔径为0.5mm，最小孔间距为0.72mm）：按照通用LTCC设计规则，要求孔间距≥3倍孔径，这是由于孔间距越小，相邻孔间应力分布就越大，在LTCC烧结时易出现裂纹和翘曲现象。在LTCC微波元件中，高密度阵列通孔正是实现电磁屏蔽的关键，理论上阵列孔越密集（间距越小），电磁波越不容易泄露。 SIW结构需要强电磁屏蔽来防止电磁波泄露，因此使用了约1.5倍孔径的孔间距，为了能在工艺上实现，采取了一系列措施，如优化冲孔工艺参数；调整填孔浆料粘度等。加工后的SIW滤波器使用了X光进行透视如图9，金属化通孔形状完整，无裂纹、翘曲现象。 图9. SIW滤波器透视图 大面积金属化图形。在LTCC材料体系中，金属浆料收缩率只能接近于LTCC瓷带收缩率，为保证烧结后的平整度，通用LTCC设计规则中都强调了LTCC的大面积金属化图形建议使用网格，且面积不超过60%。 SIW滤波器的传播特性决定了其金属化图形的形状。针对此情况，在工艺上也采取了一定措施，如减薄金属层印刷厚度；改进等静压工艺参数；优化共烧曲线等。经过这些措施，SIW滤波器表面平整度达到了±0.6μm/mm，使用激光测厚仪扫描结果如图10所示。 图10. SIW滤波器内部图形示意及样品平整度测试结果 厚薄膜混合工艺。SIW滤波器的带通特性来源于腔体对微波信号的耦合，因此图形开槽部分的尺寸精度显得尤为重要。本文设计的SIW滤波器表面图形开槽部分尺寸<0.15mm，且要求边缘整齐，传统印刷工艺很难达到，为此使用了厚薄膜混合工艺。 LTCC基板内部是多层布线且通过金属化孔导通直至顶层，共烧后表面不平整，使得薄膜工艺有着一定难度，为此进行了溅射前LTCC基板的表面预处理。通过合适的抛光和清洗工艺，保证了LTCC基板的表面的“光洁”。 在溅射材料体系，选择了Ti/Pt/Au复合金属体系，通过2次溅射完成。其中Ti 为与LTCC 基板的粘附层，充分利用该类活性金属与基板附着性好的特点，用它来“打底”，保证了溅射金属的附着强度。 采用了干法刻蚀工艺，通过控制刻蚀速率与表面镀金质量，最终在Ferro A6M基板上做出了尺寸精度达到要求的薄膜电路图形。 加工出来的滤波器与接收前端模块基板如下图（图11） 图11. SIW滤波器及接收前端基板样品照片 三、测试与结果分析 加工好的SIW滤波器如图8，使用自制夹具在矢量网络测试仪Agilent E8363B上进行了测试，测试样品和测试结果（图12）如下。 图12. 三腔SIW滤波器样品与测试结果 从测试结果可以看出，该SIW滤波器的中心频率（10.24GHz）与仿真结果（10.2GHz）接近，插损略大于仿真值。SIW滤波器的中心频率是由LTCC基板上的金属化孔阵列的形状和尺寸决定的，经测量样品的尺寸与设计有略微误差（约±20μm），导致测量结果与仿真值产生了约40MHz的偏差。而SIW插损主要是由表面金属的导体损耗造成的，实际上受到LTCC银导体浆料电导率、表面平整度以及SMA接头的影响，使实测值（-3~3.5dB）要略大于仿真结果（-2.5~3dB）。 在加工好的LTCC多层基板上贴装元器件，完成RF前端的制作（图13），最后将组装好的模块用金属盒体封装起来，进行电参数测试。使用了专用的测试架，矢网E8363B和噪声系数测试仪8971C测试了接收增益和噪声系数。其典型参数为增益＞7dB，带宽1GHz，噪声系数3.7dB，1dB压缩点-5dBm，接收前端的增益与输出功率测试结果如下图（图14和图15），全部满足了前文中的设计指标。由此可见以LTCC技术实现SIW滤波器元件是可行的，在模块电路基板中以LTCC实现SIW滤波器集成元件的方案也是可行的。 图13.组装好的RF前端样品 图14. 变频增益曲线 图15. 输出功率曲线 四、结论 通过SIW滤波器和集成该滤波器的RF接收前端的设计加工与测试，验证了在LTCC上集成SIW元件的技术和工艺是可行的。 将SIW技术应用于LTCC可以实现谐振器、滤波器、功分器、天线等无源元件，为LTCC集成微波无源元件提供了一种新的思路。 参考文献 [1] Piloto A, Leahy K, Flanick B, et al. Waveguide filters having a layered dielectric structure[P]．US Patent 5382931. 1995-01-17. [2]Hirokawa J, Ando M. 40 GHz parallel plate slot array fed by single-layer waveguide consisting of posts in a dielectric substrate[C]. IEEE Proceedings on Antennas and Propagation Society International Symposium, June 1998. 3: 1698-1701. [3] Hsu H J, Ziolkowski R W, Papapolymerou J. Simulated and measured results from a Duroid-based planar MBG cavity resonator filter[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, December 2000. 10(12): 528-530. [4] 柯林著．微波工程基础[M]．吕继尧译．北京：人民邮电出版社，1981. [5]Yoshihiko Imanaka，《Multilayered Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) Technology》
