趙妤婕，朱永忠，趙賀鋒，宋曉鷗

(中國人民武裝警察部隊工程大學，西安 710086)

0 引言

微波濾波器作為無線通信系統(tǒng)射頻前端中的重要元件，基站與手機終端都需要射頻前端，可以較大衰減高頻電子設備所產(chǎn)生的干擾信號。隨著Sub-6 GHz與毫米波合力促進5G落地，我國進入5G商用元年，射頻通道數(shù)成倍增長為64通道甚至128通道，5G射頻濾波器數(shù)量隨之增長。濾波器工作頻率較高時，與射頻前端器件之間的連接損耗也會加大，同時也對射頻器件的安裝調試及基站負荷帶來不便。因此，小型化、低插損、低成本，適用于高頻段的5G通信濾波器既是一個研究熱點，也是推進5G無線通信系統(tǒng)發(fā)展必須克服的挑戰(zhàn)。

隨著5G頻譜的提升，濾波器在類型、技術和材料方向上都發(fā)生了相應的轉變?；贚TCC集成技術的陶瓷介質濾波器，因其低成本、低損耗、小尺寸的特性，成為5G時代的主流方案。新材料LCP的薄壁性、低介電損耗性在確保高頻高速傳輸?shù)耐瑫r，也有利于器件的輕薄化、小型化。文章將從適用于5G的LTCC集成技術和LCP新材料兩個方面進行總結。首先歸納了單個諧振腔的小型化方法；其次針對基于LTCC集成技術的介質濾波器，介紹了技術本身的小型化優(yōu)勢、對比分析了陶瓷材料介電性能對器件尺寸的影響以及在不同的結構上相比傳統(tǒng)濾波器的尺寸改進；針對LCP新型材料的濾波器，闡述了其研究進展，分析了LCP柔性性能并指出其對可穿戴式無線通信應用的意義，并歸納了LCP多層結構的應用及多層基板異面互連方法。文中從濾波器的結構設計、尺寸優(yōu)化角度分析了基于各種技術、材料的濾波器性能及參數(shù)。最后對兩種多層技術的聯(lián)系和區(qū)別進行了總結。

1 單個諧振腔的小型化

5G時代，面對大容量、高速率的通信需求，基站需要更多的濾波器數(shù)量，手機終端需要實現(xiàn)輕薄化。單個諧振腔及內部導體的布局形狀影響著整個濾波器性能和結構大小。單個諧振腔的小型化技術主要有腔體折疊技術、集總元件技術、傳輸線彎折技術、一腔多模技術、多層分置技術等。

1.1 腔體折疊技術

腔體折疊型濾波器通過對系統(tǒng)空間合理利用，用較少的諧振器達到同樣的頻率選擇性，縮減了濾波器占用的空間。腔體結構更加緊湊的同時，插入損耗降低，帶外抑制能力增大。形式上可以有雙重折疊、四重折疊，如圖1所示。文獻[1]中將原來的左右對稱的五腔濾波器通過折疊，形成四腔模型，中心頻率都是3.5 GHz，但帶寬更寬，帶外抑制能力更好。文獻[2]設計了三階雙重折疊諧振腔，面積減小至約原腔體的7%。

(a) 四腔折疊波導濾波器 (b) 雙重折疊集成波導濾波器

1.2 集總元件技術

微波電路中，常用傳輸線結構模擬集總元件電感和電容[3]，這類濾波器制備方便、設計靈活，體積通常較小，且不易產(chǎn)生寄生通帶，可用LTCC多層封裝技術來實現(xiàn)內埋式集總元件[4]。但由于集總電感元件品質因數(shù)Q低，插損較大，帶寬較寬，在有低插損、窄帶要求時，不常用。

1)垂直電容--VIC結構

一般的電容結構是MIM(metal insulator metal)類型，采用LTCC 集成技術時，很容易在電路基板上實現(xiàn)，但對于較大電容來說，尺寸較大。VIC(vertically iterdigitated capacitor)電容形式，可以將多個MIM電容進行并聯(lián)，可以實現(xiàn)較大電容值的同時，一定程度上縮小了基板面積。同時VIC電容結構品質因數(shù)更高，在需要較大電容且對器件高度要求不高時，可采用VIC電容結構，如圖2所示。

圖2 垂直電容結構

2)多維螺旋電感

電感往往是采用線條或者繞線來形成。傳統(tǒng)的平面電感結構分散、復雜，占用較多的電路面積，而垂直螺旋結構，可以結合LTCC集成技術內埋于多層空間中，不僅具備較高的品質因數(shù)，而且充分發(fā)揮了LTCC三維集成的特點，設計簡單、參數(shù)提取容易，有效地節(jié)省空間，缺點是只適用于窄頻。如圖3所示。

圖3 多維螺旋電感

1.3 傳輸線彎折技術

通信系統(tǒng)中，常選擇增加級數(shù)來改善帶外抑制，獲得高性能、小型化的濾波器。而級聯(lián)單元的重復會導致電路結構上冗長分散，增大插入損耗。傳輸線彎折技術可縮小單個諧振腔面積，在保證高性能的條件下，減小濾波器尺寸，常見有梳妝線、發(fā)夾線、交指型耦合方式。

梳妝線濾波器因其高品質因素、容易調諧、尺寸緊湊，是通信濾波器常用的一種，由平行耦合線排列組成；2019年， Abramowicz設計的交叉耦合梳狀濾波器[5]，插入損耗低于0.3 dB，回波損耗優(yōu)于24 dB。發(fā)夾線濾波器則是由兩端彎折的平行耦合線構成，成U或S型；2018年， Ahmed等設計了頻率在3.05 GHz～3.96 GHz之間的發(fā)夾線濾波器[6]，是經(jīng)典的小型化微帶線濾波器，濾波器的性能與發(fā)夾線邊緣的寬度與間距有關，邊緣間距為15 mm時，損耗小于11 dB。交指型濾波器由互相平行的導體交叉形成[7]，采用抽頭式輸入輸出； Jiang等利用交指型結構[8]，傳輸零點增加，改進了帶通濾波器，阻帶部分衰減迅速增大。傳輸線折彎方式如圖4所示。

(a)梳妝線型 (b)發(fā)夾線型 (c) 交指型

1.4 一腔多模技術

一腔多模技術采用多模諧振器調節(jié)諧振電路，控制其諧振頻率，單個腔體的物理空間可以實現(xiàn)多個單模諧振器的物理功能，在確保高性能的情況下縮減了尺寸。濾波器功能集中，諧振單元減少，結構更加緊湊。文獻[9]作者在諧振器主體兩側增加枝節(jié)，實現(xiàn)了一種四模諧振結構，插入損耗小于1.2 dB。如圖5所示。

圖5 四模諧振器

1.5 多層分置技術

基于LTCC技術可以進行多層電路布局，將諧振器分置多層電路，實現(xiàn)無源器件電路結構由平面到三維立體布局，進而大大減小器件體積；基于MEMS微機電系統(tǒng)，應用微加工工藝，把不同功能的器件集成于一個公共底層，實現(xiàn)集成化和小型化，使濾波器結構更加緊湊；基于LCP的多層電路結構，可以垂直布局，減小諧振腔橫向面積，并且由于單個器件的減少，制作成本降低。

2 5G LTCC通信濾波器

2.1 LTCC技術

LTCC技術可進行多層陶瓷基板疊片燒結，提供了靈活布局的三維集成能力[10]?；?LTCC 技術的濾波器可以實現(xiàn)多層陶瓷介質的無源器件，具備小尺寸、集成化、大帶寬和低成本的特點，適合用于 5G 通信微基站和終端設備。

圖6 LTCC多層電路結構

相比其他種類的電路基板，對于5G通信濾波器來說，LTCC技術實現(xiàn)的三維電路基板具有如下優(yōu)勢：一是相比傳統(tǒng)的PCB電路基板，采用陶瓷材料，具有良好的高頻特性，同時陶瓷材料配料的多樣使得頻率特性多樣，提高了電路的靈活性；陶瓷材料的良好的熱穩(wěn)定性、熱阻和耐熱沖擊特性，可以適應各種使用環(huán)境，保證信號的高速傳輸。二是相比高溫陶瓷共燒技術，低溫可以使金、銀等良導體作為導帶，降低傳輸損耗，提升濾波器性能。三是LTCC可以實現(xiàn)多層電路結構，如圖6中多種元器件的內埋，降低了組件封裝的成本，減小了體積和重量，形成了高度集成的物理結構。

2.2 LTCC陶瓷材料的介電性能比較

LTCC技術以微波介質陶瓷材料為作為基板，陶瓷介質濾波器可覆蓋更廣的頻段范圍，承受更高的功率，適合5G大容量通信。陶瓷材料的介電常數(shù)高低影響介質陶瓷濾波器制備的尺寸，且合適的陶瓷材料有利于提高濾波器的Q值，當介電常數(shù)越高時，所需的基板越小。因此，低損耗、低成本、適宜低溫共燒技術、有利于小型化的微波介質材料對于5G通信濾波器的性能大有裨益。

此前，國內外對陶瓷材料進行了相應的研究并基于所研究的材料設計濾波器進行性能檢驗。文獻[11]中劉相果等改善的鉛基鈣鈦礦陶瓷介電損耗低、溫度穩(wěn)定性好，屬于高介電材料，適用于移動衛(wèi)星通訊。文獻[12]中作者在1 360 ℃下燒結的鈣鈦礦合成陶瓷材料屬于中介電常數(shù)材料，微波介電性能優(yōu)越。低介電陶瓷材料有兩種體系，文獻[13]中Zhong等加入Li2O-B2O3-Bi2O3-SiO2，形成的微晶玻璃陶瓷復合材料經(jīng)900 ℃燒結的介電性能最優(yōu)，適合成為低溫共燒陶瓷材料。文獻[15]中劉劍等制備了在 880 ℃～ 900 ℃燒結致密的玻璃/陶瓷復合材料，其tanδ=0.001 0～0.001 3，σ>300 MPa，優(yōu)異的綜合性能滿足LTCC濾波器集成化、小型化和高可靠性的制作要求。如表1所列。

表1 陶瓷材料性能對比

2.3 LTCC濾波器的不同結構

對于微帶濾波器而言，文獻[16]中設計的帶通濾波器運用內埋螺旋電感和垂直電容結構，經(jīng)過不斷調試電容電感，基于LTCC集成技術實現(xiàn)；文獻[6,17-19]是通過彎折傳輸線，基于LTCC三維電路基板實現(xiàn)，相比相同結構的其他電路基板而言，集成度較高，尺寸較小。

對于集成波導結構，文獻[20]中是在毫米波段利用LTCC工藝實現(xiàn)四階堆疊諧振腔，腔體在多維空間上堆疊，占用底層面積較小，頻率選擇性和阻帶抑制高。集成波導結構，也可用折疊腔體的方式來縮減體積。尺寸對比如表2所列。

表2 基于LTCC濾波器性能及尺寸對比

3 5G LCP通信濾波器

LTCC通信濾波器以高頻率的傳輸特性、較強的封裝能力，在射頻前端系統(tǒng)集成中大量應用，是5G小型化濾波器的熱門選擇。但是LTCC材料介電常數(shù)較高，燒結溫度雖已降至900 ℃左右，仍需耗費較高的制備成本，且燒結時會出現(xiàn)基板卷翹、變形，對此，一種新型聚合物材料LCP漸漸走進人們的視野。

LCP可作為集成電路封裝材料，材料來源廣泛，其多層結構主要是通過LCP基板和低熔點粘合薄膜熱壓形成，溫度可以低到285 ℃，熱穩(wěn)定性好，生產(chǎn)成本低。對于5G中高頻段信號傳輸，其良好的輕薄性，較低的介電常數(shù)和損耗，有利于無線通信系統(tǒng)組成部件的小型化；同時，基于樹脂材料的柔性，可彎曲成適宜的形狀，制成柔性電路，增大空間利用率[21]。LCP是繼LTCC后的下一代微波毫米波的基板材料。

LCP 加工工藝流程圖如圖7所示，就單層 LCP 基板制作而言，需要經(jīng)過雙面覆銅、光刻、電鍍、去膠和腐蝕銅完成，多層LCP基板需要進一步疊片熱壓、鉆孔等步驟完成。LCP的相對介電常數(shù)在2.9～3.16 之間，相比LTCC小，而且介電常數(shù)會隨著溫度的升高而減小。

圖7 LCP加工工藝流程圖

3.1 研究現(xiàn)狀

上世紀九十年代，基于LCP材料的輕薄性，科研人員就試圖把LCP用于微波電路基底。然而，早期的LCP薄膜因均勻性達不到要求，難以加工，容易撕裂，同時還無法在LCP中形成有效的金屬化通孔，使其在微波電路中難以應用。直到2001年和2003年帶有單層和雙層金屬銅敷層的LCP薄膜的出現(xiàn)，LCP在高頻電磁波領域的應用成為可能。目前，LCP的無源器件庫正逐漸豐富起來，基于LCP基板的傳輸線、共面波導，都顯示出了良好的性能。學者們已開展基于LCP基底的多類型濾波器的研究。例如：2009年，Zhang等用超細導體跡線設計的工作在22 GHz～29 GHz的緊湊型超寬帶帶通濾波器[22]；Zhang等設計工作在50 GHz～70 GHz的平面微帶帶通濾波器[23]；文獻[24-25]對LCP雙模傳輸?shù)膸V波器分別進行改進，實現(xiàn)了雙模超寬帶和小型化寬帶；文獻[26]運用集總參數(shù)實現(xiàn)了低通濾波器，并利用50 μm的LCP多層基板進行結構的優(yōu)化并驗證；文獻[27]實現(xiàn)了LCP基板上的SIW濾波器設計，中心頻率為94 GHz，插損為2.6 dB，測量與仿真參數(shù)吻合；文獻[28-29]對濾波器的柔性進行了研究，并對比了基板不同彎折程度下LCP濾波器的性能，驗證了LCP能適應不同電路，靈活利用空間仍然性能良好的優(yōu)異特性。液晶聚合物是適用于毫米波的材料之一，使用聚酰胺(PI)在微波頻率下微帶線損耗與LCP基本相同，但在毫米波頻率下，損耗卻比LCP高的多[30]。

表3 基于LCP的濾波器類型及性能對比

從表3可以看出，超薄LCP基板同樣擁有良好的高頻傳輸特性，回波損耗小于-10 dB，且能實現(xiàn)高帶外抑制。

3.2 柔性性能

對于可穿戴的小型無線設備有很大的需求，例如可穿戴醫(yī)療和電子產(chǎn)品能夠在微波和毫米波頻率上實現(xiàn)無線通信的可植入。而結構緊湊、性能良好的濾波器是這些無線應用的關鍵組件。LCP基板材料由于其良好的柔性成為理想的候選材料。

2015年，Senior等在低損耗LCP基板材料上實現(xiàn)了可用于穿戴無線應用的緊湊型毫米波帶通濾波器[34]，插入損耗小于1.7 dB；如圖8，Lan等在LCP基板上設計了一款中心頻率為9.4 GHz的叉指式帶通濾波器[35]，并進行了柔性測試，測試表明，不同彎曲半徑下，彎曲效果幾乎不會降低濾波器性能；2018年，西安郵電大學團隊對LCP基板上0.12 mm寬的微帶線結構進行S參數(shù)測試，平坦和柔性彎曲狀態(tài)下的曲線幾乎重合；同年，LAN等對LCP基板柔性進行彎曲極限測試，LCP彎曲極限半徑為1 mm～0.75 mm[36]，對未來LCP高頻柔性濾波器的性能評估有著重要的參考意義。

(a)實物圖

(b)平坦和彎曲狀態(tài)下濾波器S參數(shù)

3.3 多層結構

多層結構的濾波器對于5G時代，可以有效滿足多天線設計的復雜要求，對多個器件進行有效整合，減少空間占用。LCP有極低的損耗正切角，易于壓制成多層結構。文獻[37]中，作者就利用折疊阻結構結合LCP多層布局設計了發(fā)夾型濾波器。

2012年，Qian等提出了五層金屬LCP結構[38]。2014年，Cervera等用多層LCP技術實現(xiàn)了雙頻濾波器結構[39]，如圖9所示，兩個雙模諧振器鏡像放置，通過頂層共面波導連接到外部環(huán)境。2015年，Cervera等利用LCP多層技術設計一款高抑制低通濾波器[40]，如圖10所示，優(yōu)于40 dB，器件極為輕巧。2016年，Cho等使用LCP-SOP封裝技術，制作了多層噴墨印刷帶通濾波器[41]；同樣地，2018年，Chang等也利用噴墨印刷技術在液晶聚合物(LCP)上采用層壓粘合工藝設計了一種多層叉指式帶通濾波器，中心頻率為11.5 GHz[42]，無論是采用SOP系統(tǒng)封裝還是直接用基板層壓技術，都通過LCP基板形成了三維集成電路，濾波器結構更加緊湊，成本也更加低廉。2019年，Aligab等提出多層液晶聚合物LCP粘合PCB電路板自封裝技術，LCP作為介電層，重量輕且輕薄，實現(xiàn)了阻抗變換功能的同時，也解決了寬帶巴倫濾波器大尺寸約束問題[43]；用同樣的方法，他們也設計了一種新的小型化超寬帶多層平衡帶通濾波器[44]，將二維的PCB基板濾波器轉換到三維上。

圖9 自包裝雙層濾波器多層結構

圖10 高抑制LCP濾波器

多層 LCP 基板主要是利用粘合板對LCP基板進行層層熱壓，在制備過程中，多層基板之間的粘合層互連造成的損耗是亟待解決的難點。一般來說，主要通過穿孔互連或耦合兩種方法：一是用于LCP系統(tǒng)集成技術的新型垂直互連工藝，通過在上層基板底部和底部基板金屬表層制作焊盤，在粘合層中利用銅漿注入通孔，實現(xiàn)了LCP不同基板之間信號互連[45-46]。二是利用耦合窗，信號從L1層發(fā)出，經(jīng)L2層電磁耦合，在L3層過渡到達L4層，文中作者通過添加電磁屏蔽孔改善該結構通帶內的射頻傳輸性能，最終電磁耦合能在不同層電路之間實現(xiàn)[47]。

圖11 垂直互連工藝

圖12 電磁耦合過渡結構

4 結論

5G通信標準的確立激增了射頻前端濾波器的需求，LTCC和LCP兩者都可實現(xiàn)良好的高頻傳輸特性，且對于尺寸優(yōu)化、性能優(yōu)化和成本降低都是極富潛力的應用，LCP更是被譽為繼LTCC的下一代基板材料。

兩種技術各有其優(yōu)勢，一是LTCC基板是陶瓷材料，介電常數(shù)隨陶瓷配料不同而變化，可靈活適應不同電路要求的濾波器設計；LCP是一種液晶高分子聚合物，因其良好的柔性性能有很大的機械靈活性，適用于可穿戴式設備。二是LTCC熱導率是LCP的10倍，但是LCP熱膨脹系數(shù)可控制在0～40 ppm/℃之間，與各種系統(tǒng)組件能更好的兼容[48]。三是LTCC比LCP介電常數(shù)大很多，與厚LCP相比，單位面積上LTCC提供的電容更大，濾波器尺寸更??；但如果使用超薄LCP疊層，LCP單位面積上電容更高，系統(tǒng)可變得更緊湊。四是LTCC單位面積上電感更高，超薄LCP電感具有最小的電感。如此，LCP基板厚層和薄層兩者因其厚度大小，與相應性能成反比，而LTCC可在小尺寸下也擁有良好的性能。