在現代通信技術不斷演進的背景下，對射頻前端器件的性能要求日益嚴苛。濾波器作為射頻前端的核心部件，其性能直接關乎整個通信系統的質量。低溫共燒陶瓷（LTCC）技術憑借其獨特優勢，在濾波器設計與制造領域嶄露頭角。通過 LTCC 技術制備的濾波器，具備體積小巧、集成度高、性能卓越等特性，高度契合當下通信設備小型化、高性能化的發展趨勢。而在 LTCC 濾波器的研發進程中，仿真技術發揮著舉足輕重的作用，它能夠在設計階段對濾波器的性能進行精準預測與優化，有效縮短研發周期，降低研發成本。
LTCC 技術是將低溫燒結陶瓷粉制成厚度適宜的生瓷帶，通過激光打孔、金屬漿料印刷、疊層等工藝，實現無源元件（如電容、電感）與電路的集成，最后在相對較低的溫度（一般在 850°C 左右）下共燒，使陶瓷致密化，同時確保金屬導體與陶瓷之間形成良好的結合。這一工藝過程融合了陶瓷材料的優良性能與多層布線技術，為實現高度集成的微波電路提供了可能。
LTCC 材料的介電常數、損耗角正切、熱膨脹系數等特性對濾波器性能影響深遠。介電常數決定了濾波器的尺寸和頻率響應，較高的介電常數可實現濾波器的小型化，但可能會引入較大的損耗；損耗角正切直接關系到濾波器的插入損耗，低損耗角正切的材料能有效降低信號傳輸過程中的能量損失；熱膨脹系數則影響著濾波器在不同溫度環境下的穩定性，與金屬導體熱膨脹系數匹配的陶瓷材料，可減少因溫度變化產生的應力，避免器件性能劣化。
LTCC 濾波器的電磁仿真基于麥克斯韋方程組，通過數值計算方法求解電場和磁場在濾波器結構中的分布，進而預測濾波器的性能參數，如插入損耗、回波損耗、帶外抑制等。目前，常用的電磁仿真軟件有 HFSS、CST 等。HFSS 采用有限元法，能夠精確處理復雜結構的電磁問題；CST 則運用時域有限積分法，在處理寬帶問題和瞬態響應時具有優勢。這些軟件為 LTCC 濾波器的仿真提供了強大的工具支持。
在進行仿真前，需根據設計要求構建 LTCC 濾波器的三維模型。模型應精確反映濾波器的物理結構，包括陶瓷基板的層數、厚度，金屬導體的形狀、尺寸以及無源元件的布局等。同時，合理設置材料參數，如 LTCC 材料的介電常數、損耗角正切，金屬導體的電導率等。此外，還需定義邊界條件，如端口激勵、輻射邊界等，以模擬濾波器在實際工作中的電磁環境。準確的模型建立和參數設置是獲得可靠仿真結果的基礎。
在實際應用中，LTCC 濾波器不僅涉及電磁現象，還會受到熱、機械等物理場的影響。例如，濾波器工作時產生的熱量會導致材料性能變化，進而影響其電磁性能；機械應力可能引發陶瓷基板開裂或金屬導體變形，破壞濾波器的結構完整性。因此，多物理場耦合仿真成為提升 LTCC 濾波器仿真精度的關鍵技術。通過將電磁、熱、機械等物理場的方程聯立求解，全面分析各物理場之間的相互作用，可更準確地預測濾波器在復雜工作條件下的性能。
LTCC 濾波器中不可避免地存在寄生電容、寄生電感等寄生參數，這些參數會對濾波器的性能產生負面影響，如導致通帶內波紋增大、帶外抑制變差等。在仿真過程中，需對寄生參數進行深入分析，找出其產生的根源。通過優化濾波器的結構設計，如合理調整金屬導體的間距、形狀，優化過孔布局等，可以有效減小寄生參數的影響，提升濾波器的性能。同時，利用仿真軟件的參數掃描功能，對關鍵結構參數進行優化，可進一步降低寄生參數，實現濾波器性能的最大化。
以一款應用于 5G 基站的 LTCC 帶通濾波器為例，該濾波器要求在 3.5GHz 頻段實現良好的帶通性能，插入損耗小于 1dB，回波損耗大于 15dB，帶外抑制大于 30dB。通過仿真，旨在驗證設計方案的可行性，優化濾波器結構，使其滿足性能指標要求。
利用 HFSS 軟件對該濾波器進行仿真，得到其 S 參數曲線。從仿真結果來看，在 3.5GHz 中心頻率處，插入損耗為 0.8dB，回波損耗為 18dB，帶外抑制在目標頻段內均大于 30dB，滿足設計要求。進一步分析電場和磁場分布，發現濾波器內部電場主要集中在電容區域，磁場主要分布在電感周圍，通過調整電容、電感的結構參數，可對濾波器的性能進行微調。與實際測試結果對比，將仿真優化后的濾波器進行實際制作與測試。測試結果顯示，濾波器的中心頻率與仿真結果基本一致，插入損耗為 0.9dB，回波損耗為 17dB，帶外抑制略低于仿真值，但仍滿足設計指標。通過對比發現，實際測試結果與仿真結果存在一定差異，主要原因在于實際制作過程中的工藝偏差，如陶瓷基板厚度的微小變化、金屬導體的粗糙度等。這也表明，在 LTCC 濾波器的設計中，需充分考慮工藝因素對性能的影響，通過仿真與實際測試相結合，不斷優化設計方案。
LTCC 濾波器仿真技術在現代通信領域具有重要意義。通過電磁仿真軟件，結合多物理場耦合仿真、寄生參數分析與優化等關鍵技術，能夠在設計階段對 LTCC 濾波器的性能進行全面、準確的預測與優化。仿真結果為濾波器的結構設計、材料選擇以及工藝改進提供了有力依據，有效提高了濾波器的研發效率和性能水平。
隨著通信技術向更高頻率、更大帶寬、更小型化方向發展，LTCC 濾波器仿真技術面臨著新的機遇與挑戰。未來，一方面需要進一步提升仿真精度，考慮更多復雜因素，如材料的非線性特性、高頻下的趨膚效應等；另一方面，要加強與先進制造技術的融合，實現仿真設計與實際制造的無縫對接，提高濾波器的生產一致性和可靠性。同時，隨著人工智能技術的發展，將其引入 LTCC 濾波器仿真領域，有望實現智能化的設計優化，進一步推動 LTCC 濾波器技術的創新與發展。
文章始發于公眾號合康電子：從原理到實踐：LTCC 濾波器仿真全解析
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄左側“微信群”，申請加入交流群。
