叠层片式LC器件设计与射频等效电路模型研究

摘要

低温共烧陶瓷与铁氧体(LTCC<CF)技术可以满足现代电子系统高频化、小型化、低成本化的发展要求,目前它已经成为实现射频无源元件集成的关键主流技术。本论文主要对无源集成基础技术进行研究,主要围绕LTCC<CF技术中的工艺摸索、无源元件设计与高频模型化这三部分关键共性基础技术展开研究工作。利用Ansoft HFSS软件仿真叠层片式铁氧体电感、陶瓷电感和电容的结构参数对元件性能的影响,得出了一些有设计参考价值的结果。拟合出0805尺寸一定长宽比的螺旋电极条件下叠层片式螺旋铁氧体电感的估算公式。设计制作了0805电感电容元件的丝网并实验制作550nH电感、150nH电感、35pF电容样品,测试结果与理论设计基本相符。通过分析元件的微观结构,发现影响元件参数的关键原因之一在于工艺中的图形对准。利用相同的丝网,进行了基本的无源集成技术研究,设计并制作了截止频率分别为70MHz,120MHz,230MHz无源集成低通π型LC滤波器,并制作测试夹具测量滤波器性能,滤波器的截止频率与设计值相比基本一致,只存在较小的偏差,说明集成模块中的L、C元件值的参数设计是正确的,进一步验证了在低频下对器件参数设计仿真结果的正确性。上述研究结果表明,利用HFSS等相关软件可以有效地实现LTCC<CF中无源元件L、C的准确设计,配合优化的工艺可以制作出与设计值一致的器件。最后,在文献查阅的基础上,重点推导建立了电感元件高频宽带T等效电路模型。采用阻抗为75欧姆,对应电长度π的频率分别为2GHz,50Hz,8GHz的理想无损耗传输线与其T电路模型的对比验证此模型。采用Z矩阵和Y矩阵结合的方法建立了电感元件的高频等效T电路模型,简化了过程,并得到与文献一致的结论。利用典型的螺旋电感来验证此高频等效电路模型,在第一自谐振频率范围内与电磁场仿真结果基本吻合。利用这一思想,可以对任意形状结构的无源元件如电感L、电容C等进行高频等效电路模型化,便于无源集成设计中的ADS分析与元件库的建立。