射频前端中基于低温共烧陶瓷（LTCC）的无源集成的兴起

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射频前端中基于低温共烧陶瓷（LTCC）的无源集成的兴起：趋势与工程影响
基于低温共烧陶瓷（LTCC）的无源集成加速了射频设计的发展，为 5G、雷达和物联网提供了紧凑、高性能的解决方案，同时改善了热稳定性和频率稳定性。随着射频系统进一步向毫米波频段和多频段操作迈进，围绕集成、信号完整性和外形尺寸的挑战日益加剧。有一种技术正挺身而出应对这些需求，那就是低温共烧陶瓷（LTCC）。这是一个成熟但仍在快速发展的平台，如今在无源射频元件设计领域正迎来新的复兴。这一发展趋势突显了行业内一个持续的潮流：将多种无源射频功能（滤波器、巴伦、耦合器和匹配网络）集成到单个小型化陶瓷基板中，在复杂的前端架构中大幅提升了性能、一致性和尺寸效率。在这里，我们将探讨这对射频设计师意味着什么，评估低温共烧陶瓷（LTCC）集成的关键优势和局限性，并展望这项技术在 2025 年至 2026 年设计周期中的发展方向。

为何低温共烧陶瓷（LTCC）在射频系统中势头渐盛
根据 PRFI 的说法，低温共烧陶瓷（LTCC）技术因其出色的尺寸稳定性、多层结构能力以及在微波频段的低介电损耗，长期以来一直应用于高频模块。但最近的技术进步使其应用范围不再局限于离散的滤波器或耦合器，为完全集成的射频前端子组件铺平了道路。推动这一趋势的因素如下：
1、5G-Advanced 和 6G 系统：据 Mini-Circuits 称，更高的频段（尤其是 FR2 频段：24.25-52.6 GHz）需要更紧密的集成，以便在减小尺寸的同时保持信号保真度。
2、汽车雷达：77-81 GHz 的系统需要紧凑、热稳定性强且具有高重复性的无源元件。
3、物联网和超宽带（UWB）设备：根据 Cadence 的观点，在宽频段范围内运行且尺寸受限的系统，能从紧凑的多功能无源元件中受益。
低温共烧陶瓷（LTCC）基板允许将多层高品质因数（Q 值）的电感器、电容器、传输线，甚至谐振器共烧到一个固态模块中。与传统的基于印刷电路板（PCB）或表面贴装技术（SMT）的方法相比，这消除了组装过程中的寄生效应，并实现了更好的阻抗控制和屏蔽效果。

低温共烧陶瓷（LTCC）无源集成的工程优势
下面我们来详细分析一下低温共烧陶瓷（LTCC）为射频系统工程师带来的切实好处：
1、小型化：低温共烧陶瓷（LTCC）可提供多达 20 层或更多的陶瓷基板层，实现了三维无源集成。这显著节省了电路板空间，这在封装天线（AiP）和系统级封装（SiP）设计中尤为关键。
2、卓越的热稳定性和环境稳定性：与有机基板相比，低温共烧陶瓷（LTCC）结构具有低热膨胀系数（TCE）和出色的热导率。这使其成为高功率或高温应用（如雷达收发器或户外小型基站）的理想选择。
3、改善射频性能：低温共烧陶瓷（LTCC）固有的低介电损耗正切值（tanδ 约为 0.001-0.005）有助于实现高品质因数（Q 值）的结构。设计师可以实现陡峭的滤波器滚降特性、精确的耦合器平衡以及稳定的匹配网络，并且每个单元都能保证一致的性能。
降低组装复杂度：通过将无源元件嵌入到单个共烧器件中，低温共烧陶瓷（LTCC）减少了对多个焊点、过孔和互连的需求，提高了成品率和可靠性，同时降低了物料清单（BOM）成本。
4、电磁干扰（EMI）屏蔽和隔离：内置的接地层以及层间的隔离腔可以减轻串扰，在密集的射频前端中实现信号路径之间更好的隔离，这一点越来越受到关注。

设计考量与局限性
尽管低温共烧陶瓷（LTCC）有诸多优点，但工程师们也应留意其存在的一些权衡因素：
1、成本和交付周期：低温共烧陶瓷（LTCC）元件的非经常性工程成本（NRE）可能较高，制造周期也较长，特别是对于定制设计而言。在大批量应用中使用时，其成本效益最为显著。
2、设计灵活性：一旦烧制完成，设计就固定下来了。与可以快速迭代的印刷电路板（PCB）布局不同，低温共烧陶瓷（LTCC）模块需要在前期进行仔细的建模和仿真。这就要求在设计阶段与供应商密切合作。
3、材料选择与兼容性：低温共烧陶瓷（LTCC）有多种配方可供选择，其材料常数（相对介电常数 εr、介电损耗正切值 tanδ、热膨胀系数 CTE）可能会有所不同。设计师必须确保射频模型与供应商的堆叠结构和介电特性精确匹配。

低温共烧陶瓷（LTCC）集成表现出色的应用领域
基于市场需求和性能要求，以下是几个在 2025 年低温共烧陶瓷（LTCC）无源集成正在蓬勃发展的领域：
1、毫米波 5G/6G 小型基站：具有多频段滤波功能的紧凑型前端模块。
2、汽车雷达（77-81 GHz）：具有强大环境耐受性的微型、高品质因数（Q 值）滤波器。
3、国防和航空航天通信：用于相控阵和卫星通信的坚固、可靠的模块。
4、可穿戴设备和物联网设备：具有出色电屏蔽性能的薄型集成无源元件。
5、太赫兹以下频段的原型设计：低温共烧陶瓷（LTCC）的尺寸稳定性使其适用于 60 GHz 以上的实验性滤波器和耦合器。

展望未来：2026 年及以后的低温共烧陶瓷（LTCC）
随着系统级封装技术的不断发展，低温共烧陶瓷（LTCC）将成为射频前端集成的关键推动因素，特别是在尺寸、频率和环境因素相互制约的应用场景中。预计将会出现以下发展趋势：
1、更多地使用由人工智能驱动的协同设计工具，以优化低温共烧陶瓷（LTCC）的布局。
2、出现具有更低相对介电常数（εr）和介电损耗正切值（tanδ）的新型材料，从而实现更好的高频性能。
3、实现低温共烧陶瓷（LTCC）与半导体的混合集成，将无源元件和单片微波集成电路（MMIC）集成在单个堆叠结构中。
4、开发可持续且可回收的陶瓷材料，以满足日益增长的环境设计要求。

在 2025 年，基于低温共烧陶瓷（LTCC）的无源集成已不再是小众技术，它正成为高性能射频模块设计的基石。随着各公司对下一代低温共烧陶瓷（LTCC）平台的投入，射频工程师们拥有了强大的工具，能够在毫米波频段及更高频段构建更小、更快、更可靠的系统。无论你是在为 5G 小型基站、汽车雷达还是下一代可穿戴设备进行设计，在你的无源集成策略中，低温共烧陶瓷（LTCC）都值得认真考虑。

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