基于LTCC工艺的射频无源器件建模与研究邢孟江

代号分类号学号密级10701TN4公开0817110148题（中、英文）目基于LTCC工艺的射频无源器件建模与研究AModelingandStudyofRFPassiveComponentsBasedonLTCCTechnology作者姓名邢孟江指导教师姓名、职务杨银堂教授学科门类工学提交论文日期二○一二年一月学科、专业微电子与固体电子学西安电子科技大学博士研究生学位论文基于LTCC工艺的射频无源器件建模与研究作者：邢孟江导师：杨银堂教授学科：微电子学与固体电子学中国·西安二○一二年一月ADissertationSubmittedtoXidianUniversityinCandidacyforPh.DDegreeAModelingandStudyofRFpassivecomponentsBasedonLTCCTechnologybyMengJingXingXi’an,P.R.ChinaJanuary2012作者简介邢孟江，浙江嵊州人。2008年毕业于西安电子科技大学获硕士学位。2012年3月获西安电子科技大获工学博士学位。导师为杨银堂教授。主要研究方向：基于LTCC工艺的射频无源器件建模与研究。代表性成果及经历：已在《电子学报》、《西安电子科技大学学报》、《微波学报》、《InternationalConferenceonElectronicPackagingTechnologyandHighDensityPackaging》等权威、核心刊物和国际重要学术会议发表学术论文14篇，发明专利3项。MengjiangXing,wasborninShengZhou,ZheJiangProvince,China,in1981.HereceivedhisM.S.degreeinSchoolofMicroelectronicsfrom2005,XiDianUniversity,andnowhewasstudyingforthePh.D.degreeinSchoolofMicroelectronics,XiDianUniversity,Xi’an,China.HisadvisorwasProfessorYintangYang.HisresearchinterestsincludemodelingandstudyofRFpassivecomponentsbasedonLTCCtechnology.Hehaspublishedover14journalandconferencepapersinActaElectronicaSinica,JournalofXiDianUniversity,InternationalConferenceonElectronicPackagingTechnologyandHighDensityPackaging.西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要低温共烧陶瓷（LTCC,LowTemperatureCo-firedCeramic）技术作为一种新型的封装技术，可将电路中的各种无源器件，如电容、电感、电阻、滤波器、耦合器、双工器等完全掩埋在介质中，以三维多层电路结构的形式实现小型化贴片产品，同时可与有源器件相结合用于研制各种高集成度、低成本的小功率射频与微波功能模块。掩埋在介质基板内的滤波器、耦合器、双工器等三维射频无源器件不同于常规的微带板无源器件，它们更能充分利用三维空间，这给小型化三维射频无源器件的发展开拓了新的研究方向。本文结合科研课题，对低通滤波器、带通滤波器、功率分配器、定向耦合器进行了深入研究，实现了多款不同功能的射频无源器件。作者的主要工作和成果可以概括为以下几点：1.研究了LTCC无源元件建模方法，对LTCC单层电容、多层电容、平面螺旋电感进行建模、仿真和加工验证，分析了单层电容、多层电容、平面螺旋电感等各种结构的无源元件的使用方法和注意事项，通过设立变量的方法建立了传输线、电感、电容、毫米波直流偏置电路等关键无源元件的三维电磁场模型库。2.研究了几种高/低通滤波器三维电磁场仿真模型。建立了五阶并联谐振、七阶并联谐振和九阶串联谐振低通滤波器三维电磁场模型。在分析高阶椭圆函数滤波器模型抑制度不高的情况下，提出了一种具有额外传输零点的并联谐振低通滤波器模型，同时建立了采用不同介电常数介质层的高通滤波器模型。3.研究了具有传输零点SIR谐振带通滤波器和LC谐振带通滤波器的设计与建模方法，提出了一种改进型的SIR谐振带通滤波器和一种具有传输零点的T型带通滤波器，详细给出了基于LTCC技术的SIR谐振带通滤波器的设计方法，同时采用T型带通滤波器结构，设计实现了一款应用于北斗导航通讯系统的双通道带通滤波器。对部分设计实例中的带通滤波器进行了加工验证，测试结果与仿真结果基本一致。4.研究了LTCC小型化功率分配器和定向耦合器三维层叠结构的实现方法，建立了小型化威尔金森功率分配器、90º电桥、90º串联型电桥、180º窄带巴伦、180º宽带巴伦三维电磁场仿真模型。其中功率分配器、90º串联型电桥、180º窄带巴伦器件采用3216的标准封装，可应用于1.616GHz北斗导航通讯系统和2.45GHz无线通讯系统。180º宽带巴伦，可应用于移动电视（CMMB）偶极子天线，解决手机终端内置CMMB天线的问题。关键词：三维射频无源器件、滤波器、功率分配器、定向耦合器、建模ABSTRACTLowTemperatureCo-firedCeramic(LTCC,LowTemperatureCo-firedCeramic)technology,asanewpackagingtechnology,canbeusedtoburyavarietyofpassivecircuitcomponentsinthemedium,suchascapacitors,inductors,resistors,filters,couplers,diplexersetc.Itcanachievetheminiaturizationofchipproductsbyformingthree-dimensionalmulti-layercircuit,andcanbeusedtodeveloptheRFandmicrowavemodulesofhighlyintegrated,low-costandlow-powerbycombiningwithsomeactivedevices.Differentfromtheconventionalpassivedevices,thefilters,couplers,diplexersandotherthree-dimensionalRFpassivecomponentsberriedinthemedium,needtomakefulluseofthree-dimensionalspace,whichgivesusanewresearchdirectionforthedevelopmentofRFpassivecomponents.Takingintoaccountofresearchprojects,thelow-passfilters,band-passfilters,powerdividersanddirectionalcouplersarestudiedinthispaper.Themainworkandresultsoftheauthorcanbesummarizedasfollows:1.BasedontheprocessinglineofmodelingmethodforLTCCpassivecomponentsarestudiedinthispaper.Specifically,thispapermodelsandsimulatesthesingle-layercapacitors,multi-layercapacitors,stubinductors,planarspiralinductorsanddoessomeprocessvalidationtothem.Thenitanalysisoftheusemethodsandnotestothesingle-layercapacitors,multi-layercapacitors,planarspiralinductorsandotherpassivecomponentsofvariablestructures,andafterthatitestablishesaHFSSmodellibraryofsomekeycomponentsthroughsettingupsomevariables,whichcontaintransmissionlines,inductors,capacitors,DCbiascircuitsofmillimeter-wave.2.Somehigh/lowpassfiltersareintroducedinthispaper.Itfirstresearchesthethree-dimensionalelectromagneticdevicemodelsofLTCClowpassfilterswithfive-orderparallelresonant,seven-orderparallelresonantornine-orderseriesresonant.Inthecaseoftheinhibitionofhigh-orderellipticfunctionLTCCfilterisnotenough,thispaperproposesanewLTCClowpassfiltermodelofparallelresonantwithadditionalzeros.What’smore,itdealswithsomeLTCChighpassfiltermodelswithdifferentmediumofdifferentdielectricconstant.3.ThedesignandmodelingmethodsofSIRandLCbandpassfilterarepresentedinthispaper.ItnotonlyputsforwardanimprovedSIRbandpassfilterandaT-typeLCfilerwithtransmissionzeros,butalsogivesandetaildesignmethodofdesigningtheSIRbandpassfilterbasedontheLTCCtechnology.Atthesametime,itdoesprocessvalidationtosomeofthebandpassfiltersinthepreviousdesignexamples,andthetextresultsareconsistentwiththesimu