LTCC 与 5G 相遇：高级滤波器设计实现真正的毫米波性能

石榴姐

LTCC 与 5G 相遇：高级滤波器设计实现真正的毫米波性能 [复制链接]

低温共烧陶瓷 (LTCC) 衬底技术是 Mini-Circuits 研发投资的主要领域之一。凭借在材料、制造工艺、仿真和测试能力、新型电路拓扑研究以及世界一流的工程人才方面的长期投资，公司开发了支持毫米波的基于LTCC技术的新系列滤波器。波 (mmWave) 5G 市场，占地面积小、成本低且性能优于竞争产品和技术。这包括新开发的专为 5G FR2 n257、n258、n260 和 n261 带宽设计的带通滤波器，支持从 DC 到 30 GHz 及更高带宽的低通滤波器，以及通带截止频率高达 36 GHz 的高通滤波器撰写本文的时间。

这些滤波器不仅代表了 Mini-Circuits 产品组合能力的革命性进步，而且代表了最先进的 LTCC 技术。LTCC 的传统实现将工作频率限制在 10 GHz 及以下。凭借二十多年积累的知识和设计经验，Mini-Circuits 结合了材料科学、电路拓扑和制造工艺方面的创新，完全重新定义了 LTCC 基板上射频组件的可能性。Mini-Circuits 现在提供世界上最广泛的毫米波 LTCC 组件产品组合，为从事高频应用的系统设计人员提供许多宝贵的好处。

LTCC 技术优势

目前，表面贴装毫米波滤波器通常使用氧化铝薄膜技术设计。薄膜在所需的通带中实现了良好的性能，但尺寸比 LTCC 大得多且价格更高。氧化铝过滤器上的典型薄膜可能具有四分之一平方英寸的占地面积，对于离散功能而言，电路板空间的显着牺牲。薄膜滤波器通常也对其周围环境非常敏感，这使得它们一旦组装到通道化电路板布局上就很容易失谐，这在 5G 小基站架构中很常见。

相比之下，LTCC 滤波器尺寸非常小、成本低且坚固耐用，而不会因环境因素而导致性能偏差的类似风险。Mini-Circuits 的 LTCC 技术在滤波器内具有专有的内部屏蔽结构，可防止组装后滤波器失谐，无需额外屏蔽。这些产品还采用专有导电膏和分布式滤波器拓扑结构，以实现与薄膜工艺相当的更高频率的可重复性。

直到最近，LTCC 的优势还仅限于较低频率的应用，通常低于 10 GHz。这种看法在很大程度上仍然存在于市场中，从而导致对用于毫米波系统的小型、价格合理、坚固的表面贴装滤波器的需求未得到满足。Mini-Circuits 通过多项创新解决了这一需求。首先，设计团队开发了专有材料系统，可实现更光滑的表面基板，从而减少高频下的损耗和不规则阻抗转变。此外，与传统丝网印刷技术相比，用于在 LTCC 基板上印刷导体的光刻工艺具有更严格的线宽公差。这使得在更小尺寸的 LTCC 基板上实现更精细和更复杂的结构。

此外，Mini-Circuits 开发了一种专有外壳样式，有助于实现更好的性能并防止失谐，尤其是在较高频率下。封装滤波器还支持标准共面发射，从而最大限度地减少频率上的过渡不连续性。这些进步使 LTCC 能够从性能的角度与氧化铝基板技术竞争，同时在尺寸、成本和可制造性方面提供独特的优势。Mini-Circuits 毫米波 5G 带通滤波器和低滤波器的表面贴装 (SMT) 封装选项如图 1 所示。 Mini-Circuits 已应用基于 MIL 规范的质量标准来鉴定这些 5G 滤波器，以保证高质量和可靠性各种恶劣的操作条件。

微型电路毫米波 LTCC 滤波器产品

Mini-Circuits 正在根据对支持 5G FR2 带宽的毫米波通带的需求开发其 LTCC 滤波器产品组合。表 1 显示了这些频段目前有库存的型号。其他型号目前正在开发中，可根据要求提供针对特殊要求的定制设计。

表 1：Mini-Circuits 用于 5G FR2 频段的 LTCC 带通滤波器。

BFHK-2802+ 带通滤波器的 S 21频率响应显示在图 2 的左侧。该模型非常适合 5G n257 频段。BFHK-2582+ 带通滤波器的 S 21频率响应显示在图 2 的右侧。该模型专为 5G n258 频段设计。BFHK 系列型号具有 1812 (4.5 x 3.2 mm) 外形尺寸，这是拾放装配的标准格式。

图 2：BFHK-2802 和 BFHK-2582+ 毫米波带通滤波器的S 21频率响应，分别适用于 5G n261 和 n258 频段

BFCQ 系列带通滤波器实现了与 BFHK 系列相似的毫米波性能，但采用更小的 1008 封装（2.5 x 2.0 毫米）。BFCQ-3582+ 带通滤波器的 S 21频率响应如图 3 所示。经测量，滤波器的通带插入损耗小于 2 dB。该型号专为 5G n260 频段中的应用而设计。

低通滤波器

除了上述带通滤波器之外，Mini-Circuits 还开发了一系列扩展到毫米波频率的 LTCC 低通滤波器。虽然毫米波带通滤波器通常专注于频率调谐应用，但低通滤波器可用于宽带系统。图 4 显示了低通滤波器系列中 5 个滤波器的 S 21频率响应。根据定义，每个低通滤波器的通带低端是 DC。5 个滤波器的 3 dB 带宽如表 2 所示：

表 2：Mini-Circuits 的毫米波 LTCC 低通滤波器。

Mini-Circuits LTCC 基板集成波导 (SIW) 滤波器产品

上述模型的突破性性能是通过我们提到的所有创新的组合实现的，其中之一是分布式电路拓扑的实现。除了使用平面拓扑在上述模型中取得的进步之外，Mini-Circuits 是业内第一家在 LTCC 基板上开发基板集成波导 (SIW) 滤波器的公司。这种结构导致毫米波频率下的窄带通响应。在插入损耗 (IL) < 2 dB 的毫米波频率下，可以实现小于 10% 的部分带宽。这一特性允许开发用于频谱拥挤区域中高度目标通带的滤波器。

BFCV-2852+ 是一款毫米波带通滤波器，基于 LTCC 上的 SIW 拓扑。S 21随频率变化的图显示在图 5 的左侧。右侧图是通带中S 21频率响应的特写，显示通带中的插入损耗 < 2 dB。这种 LTCC 滤波器性能也是在低成本、超紧凑的 1210 SMT 封装中实现的。

微型电路滤波器应用

对于毫米波 5G、回程和军事应用，Mini-Circuits LTCC 滤波器可用作解决空间、成本和性能严格限制的解决方案。例如，图 4 所示的是一个带有支持毫米波收发器电子设备的小型 2 X 2 天线阵列。所示应用是半双工，其中发射和接收频带相同。应该注意的是，对于此类应用，滤波器的插入损耗对收发器的整体噪声系数 (NF) 和链路预算有直接影响。

封装是此应用的一项特殊挑战。在进入收发器电子设备之前，天线阵列必须连接到一个小的滤波器组，而不会占用太多的区域。随着数组大小的增加，这个问题变得更加困难。或者，如果 2 X 2 阵列需要全双工操作，并且发射和接收通道在不同的频段工作，则该示例将成为一个更加复杂和困难的滤波问题。这就是 Mini-Circuits 的 LTCC 设计采用小型紧凑型滤波器的地方，这些滤波器可以在不影响隔离性能的情况下进行通道化。对于军用相控阵雷达应用，阵列大小可以包含数千个元件，带通和低通滤波器可以提供低成本和小尺寸的解决方案，而不会影响性能。这些滤波器还可用于典型的毫米波收发器系列，与竞争的连接器滤波器相比，可提供更小的通道尺寸。在给定的体积受限的解决方案中，更小的占用空间转化为更多的通道。这开辟了一个以前不可能考虑的解决方案空间。

这些相同的优势适用于 5G 小型蜂窝架构，其中大规模 MIMO 天线阵列和收发器 IC 之间需要滤波器，从而可以在不影响性能的情况下减小整体电路板尺寸。

结论

Mini-Circuits 为毫米波应用开发了一种独特的 LTCC 技术，该技术具有一系列功能，可实现具有低成本、小尺寸和最先进滤波器频率响应的滤波器产品线，而无需进行调谐。这些过滤器将启用以前由于大小限制而无法实现的应用程序。Mini-Circuits 将继续开发和增强 LTCC 技术和新产品，以用于超出此处显示的未来高频应用。未来的 LTCC 滤波器产品将包括带有集成巴伦的单片结构，用于射频采样数据转换器和模拟/混合信号应用。在未来几个月内寻找这些新产品发布。