CN103985931A - 一种宽带带通滤波器结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种宽带带通滤波器结构，本发明基于可控传输零点的变形切比雪夫滤波器原型，设计出的上下边带传输零点，很好的改善了带外抑制性能。采用集总参数元件实现该结构，最终提出了一种结构简单、尺寸小、紧密性好、通带内插入损耗小和带外抑制度高的新型宽带带通滤波器结构。

Description

一种宽带带通滤波器结构

技术领域

本发明属于微波领域，具体涉及一种小型化并且滤波性能优异的新型结构。 

背景技术

带通滤波器是射频微波电路中非常重要的一种元件，带通滤波器的主要功能是为频谱中选取出所需频段的信号，除此之外并针对通带外的干扰信号提供适当的衰减量。在系统之中，滤波器的位置通常在天线之后，且在低噪声放大器之前，故一个良好的带通滤波器必须具备有在同带内低插入损耗，在通带外则具备足够的衰减量等特性。 

在射频领域，滤波器多利用金属导线制作。由于射频滤波器中的金属导线有时长达数十毫米，若将滤波器仍制作在一个平面上，则其体积将会相当大，不利用滤波器与其它电器元件集成。因此，传统的高频平面滤波器在已经不再实用。近年来，无线通讯领域的快速发展要求射频微波带通滤波器要有更小的体积、更高的性能、更轻的重量和更低的成本。用传统的加工制作方法：首先，带通滤波器很难做到较宽的相对带宽；其次，滤波器占据的面积很大，不能满足射频前端器件小型化的要求；第三，加工成本比较昂贵。因此，人们利用将平面结构立体化的思想，将原本在平面电路占大量面积的元件堆叠在三维立体结构中，从而使滤波器在极小的面积下实现。使用LTCC 技术，可实现电路立体化、三维结构的要求，而且陶瓷元件有良好的特性，可以满足目前市场对小型化、低成本、高性能的要求。 

发明内容

本发明提供一种基于LTCC技术的宽带带通滤波器结构。 

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种宽带带通滤波器结构，该带通滤波器结构整体是一个陶瓷体，周围为金属外壳，金属外壳内部共有五层电介质层，层与层之间均填充陶瓷介质材料；该带通滤波器结构包括第一电感的上层线圈、第一电感的下层线圈、第二电感的上层线圈、第二电感的下层线圈、第三电感的上层线圈、第三电感的下层线圈、第四电感的上层线圈、第四电感的下层线圈、第一电容的上极板、第一电容的下极板、第二电容的上极板、第二电容的下极板、第三电容的上极板、第三电容的下极板、第四电容的上极板、第四电容的下极板、耦合极板、第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔； 

其中第一电感的上层线圈、第一电感的下层线圈、第二电感的上层线圈、第二电感的下层线圈、第三电感的上层线圈、第三电感的下层线圈、第四电感的上层线圈、第四电感的下层线圈均为单层矩形螺旋线圈结构，第一电容的上极板、第一电容的下极板、第二电容的上极板、第二电容的下极板、第三电容的上极板、第三电容的下极板、第四电容的上极板、第四电容的下极板、耦合极板均为单层平板金属结构，第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔均为金属导体柱；

带通滤波器的信号输入端接第一电感的上层线圈，上层线圈通过第一金属通孔连接到第一电感的下层线圈并接地，第一电容的上极板与第一电感的上层线圈相连接，下极板为输出端接地，上述器件构成第一并联谐振单元；

第二电感的下层线圈，通过第二金属通孔连接到第二电感的上层线圈，第二电容的下极板与第二电感的下层线圈相连接，上极板为输出端接地，上述器件构成第二并联谐振单元；

第三电感的上层线圈通过第三金属通孔连接到第三电感的下层线圈，第三电容的上极板与第三电感的上层线圈相连接，下极板为输出端接地，上述器件构成第三并联谐振单元；

第四电感的上层线圈通过金属通孔连接到第四电感的下层线圈，第四电容的上极板与第一电感的上层线圈相连接，下极板为输出端接地，上述器件构成第四并联谐振单元。

第一电感的上层线圈、第一电容的上极板、第四电感的上层线圈、第四电容的上极板位于同一电介质层上；第一电感的下层线圈、第一电容的下极板、第四电感的下层线圈、第四电容的下极板位于同一电介质层上；第二电感的上层线圈、第二电容的上极板、第三电感的上层线圈、第三电容的上极板位于同一电介质层上；第二电感的下层线圈、第二电容的下极板、第三电感的下层线圈、第三电容的下极板位于同一电介质层上。 

所述第一电感的上层线圈和第四电感的上层线圈具有相同的形状、第一电感的下层线圈和第四电感的下层线圈具有相同的形状、第二电感的上层线圈和第三电感的上层线圈具有相同的形状、第二电感的下层线圈和第三电感的下层线圈具有相同的形状、第一电容的上极板和第四电容的上极板具有相同的形状、第一电容的下极板和第四电容的下极板具有相同的形状、第二电容的上极板和第三电容的上极板具有相同的形状、第二电容的下极板和第三电容的下极板具有相同的形状。 

在第二电容的下极板和第三电容的下极板下面是耦合极板，耦合极板位于单独的一个电介质层上。 

第一电感的上层线圈、第一电感的下层线圈、第二电感的上层线圈、第二电感的下层线圈、第三电感的上层线圈、第三电感的下层线圈、第四电感的上层线圈、第四电感的下层线圈、第一电容的上极板、第一电容的下极板、第二电容的上极板、第二电容的下极板、第三电容的上极板、第三电容的下极板、第四电容的上极板、第四电容的下极板、耦合极板、第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔、第四金属通孔均为多层低温共烧陶瓷工艺烧制的器件。 

本发明与现有技术相比，其显著优点为：该新型结构通过LTCC叠层结构实现等效集总参数元件，在实现同等技术指标前提下能够显著减小器件尺寸。同时，该带通滤波器带宽很宽，插入损耗小，带外抑制高，频率选择性很好，并且加工成本低，适合批量生产。 

下面结合附图对本发明进行详细描述。 

附图说明

图1是本发明一种具有滤波性能的多层结构体的三维结构主视图。 

图2是本发明一种具有滤波性能的多层结构体的三维结构俯视图。 

图3是本发明一种具有滤波性能的多层结构体的三维结构侧视图。 

图4是本发明一种具有滤波性能的多层结构体的S参数仿真曲线。 

具体实施方式：

结合图1、图2、图3，本发明是一种宽带带通滤波器结构，采用了多层结构实现，具有带通滤波的功能。该滤波器采用四阶切比雪夫带通滤波器原型，并通过LTCC叠层结构实现等效集总电路模型。集总电感采用导线电感，利用通孔实现不同层之间的互连；其中，集总电容采用双层电容，这种实现方式能够显著减小滤波器的尺寸。

一种宽带带通滤波器结构，该带通滤波器结构整体是一个陶瓷体，周围为金属外壳，金属外壳内部共有五层电介质层，层与层之间均填充同一种陶瓷介质材料。包括第一电感的上层线圈L11、第一电感的下层线圈L12、第二电感的上层线圈L21、第二电感的下层线圈L22、第三电感的上层线圈L31、第三电感的下层线圈L32、第四电感的上层线圈L41、第四电感的下层线圈L42、第一电容的上极板C11、第一电容的下极板C12、第二电容的上极板C21、第二电容的下极板C22、第三电容的上极板C31、第三电容的下极板C32、第四电容的上极板C41、第四电容的下极板C42、耦合极板P、第一金属通孔M1、第二金属通孔M2、第三金属通孔M3、第四金属通孔M4； 

其中第一电感的上层线圈L11、第一电感的下层线圈L12、第二电感的上层线圈L21、第二电感的下层线圈L22、第三电感的上层线圈L31、第三电感的下层线圈L32、第四电感的上层线圈L41、第四电感的下层线圈L42均为单层矩形螺旋线圈结构，第一电容的上极板C11、第一电容的下极板C12、第二电容的上极板C21、第二电容的下极板C22、第三电容的上极板C31、第三电容的下极板C32、第四电容的上极板C41、第四电容的下极板C42、耦合极板P均为单层平板金属结构，第一金属通孔M1、第二金属通孔M2、第三金属通孔M3、第四金属通孔M4为金属导体柱；

带通滤波器的信号输入端接第一电感的上层线圈L11，上层线圈L11通过第一金属通孔M1连接到第一电感的下层线圈L12并接地，第一电容的上极板C11与第一电感的上层线圈L11相连接，下极板C12为输出端接地,上述器件构成第一并联谐振单元；

第二电感的下层线圈L22，通过第二金属通孔M2连接到第二电感的上层线圈L21，第二电容的下极板C22与第二电感的下层线圈L22相连接，上极板C11为输出端接地，上述器件构成第二并联谐振单元；

第三电感的上层线圈L31通过第三金属通孔M3连接到第三电感的下层线圈L32，第三电容的上极板C31与第三电感的上层线圈L31相连接，下极板C32为输出端接地，上述器件构成第三并联谐振单元；

第四电感的上层线圈L41通过金属通孔M4连接到第四电感的下层线圈L42，第四电容的上极板C41与第一电感的上层线圈L41相连接，下极板C42为输出端接地，上述器件构成第四并联谐振单元。

所述第一电感的上层线圈L11、第一电容的上极板C11、第四电感的上层线圈L41、第四电容的上极板C41位于同一电介质层上，第一电感的下层线圈L12、第一电容的下极板C12、第四电感的下层线圈L42、第四电容的下极板C42位于同一电介质层上，第二电感的上层线圈L21、第二电容的上极板C21、第三电感的上层线圈L31、第三电容的上极板C31位于同一电介质层上，第二电感的下层线圈L22、第二电容的下极板C22、第三电感的下层线圈L32、第三电容的下极板C32位于同一电介质层上。 

第一电感的上层线圈L11和第四电感的上层线圈L41具有相同的形状、第一电感的下层线圈L12和第四电感的下层线圈L42具有相同的形状、第二电感的上层线圈L21和第三电感的上层线圈L31具有相同的形状、第二电感的下层线圈L22和第三电感的下层线圈L42具有相同的形状、第一电容的上极板C11和第四电容的上极板C41具有相同的形状、第一电容的下极板C12和第四电容的下极板C42具有相同的形状、第二电容的上极板C21和第三电容的上极板C31具有相同的形状、第二电容的下极板C22和第三电容的下极板C32具有相同的形状。 

在第二电容的下极板C22和第三电容的下极板C32下面是耦合极板P，耦合极板P位于单独的一个电介质层上。 

第一电感的上层线圈L11、第一电感的下层线圈L12、第二电感的上层线圈L21、第二电感的下层线圈L22、第三电感的上层线圈L31、第三电感的下层线圈L32、第四电感的上层线圈L41、第四电感的下层线圈L41、第一电容的上极板C11、第一电容的下极板C12、第二电容的上极板C21、第二电容的下极板C22、第三电容的上极板C31、第三电容的下极板C32、第四电容的上极板C41、第四电容的下极板C42、耦合极板P、第一金属通孔M1、第二金属通孔M2、第三金属通孔M3、第四金属通孔M4均为多层低温共烧陶瓷工艺烧制的器件。 

图中总共有六层，最下面和最上面的金属地没有画出，而且为了便于说明连接关系，层与层之间尽量拉开距离。该图并不能代表本发明带通滤波器实际尺寸的比例关系。 

本发明采用了多层结构实现了滤波性能，其中多层结构采用低温共烧陶瓷工艺实现，该技术与其它多层基板技术相比较，更易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性，因此该技术可在实现相同指标的前提下显著减小器件体积，提高器件集成度。 

本发明宽带带通滤波器的整体结构示意图如图1所示，整个器件的体积为4.5mm*3.2mm*1.5mm，采用的LTCC套陶瓷介质的相对介电常数为9.2，介质损耗角正切为0.002，实现多层结构的金属导体采用银，其中每层陶瓷介质基板的厚度为0.01mm，为了提高成品率，层与层之间的距离为0.04mm，连接层与层之间的圆柱通孔高度也为0.04mm。 

本发明宽带带通滤波器的仿真曲线如图4所示：该宽带带通滤波器的中心频率为1.25GHz，通带带宽为0.6GHz。通带内的插入损耗小于3dB，由于在上、下边带各产生了一个传输零点，使得上、下边带非常陡峭，在DC<f<0.85GHz时，带外抑制优于20 dB，1.7GHz<f<2.0 GHz时，带外抑制优于60 dB，可见带宽较宽且带外衰减较好。 

综上，本新型结构提供的带通滤波器具有体积小、性能优良、结构紧凑，可加工为贴片元件易于集成的优点。另外，该带通滤波器基于LTCC工艺，具有批量生产成本低的优势。该带通滤波器可广泛应用于射频无线通讯系统中。 

Claims (5)

1.一种宽带带通滤波器结构，其特征在于，该带通滤波器结构整体是一个陶瓷体，周围为金属外壳，金属外壳内部共有五层电介质层，层与层之间均填充陶瓷介质材料；该宽带带通滤波器结构包括第一电感的上层线圈[L11]、第一电感的下层线圈[L12]、第二电感的上层线圈[L21]、第二电感的下层线圈[L22]、第三电感的上层线圈[L31]、第三电感的下层线圈[L32]、第四电感的上层线圈[L41]、第四电感的下层线圈[L42]、第一电容的上极板[C11]、第一电容的下极板[C12]、第二电容的上极板[C21]、第二电容的下极板[C22]、第三电容的上极板[C31]、第三电容的下极板[C32]、第四电容的上极板[C41]、第四电容的下极板[C42]、耦合极板[P]、第一金属通孔[M1]、第二金属通孔[M2]、第三金属通孔[M3]和第四金属通孔[M4]；

其中第一电感的上层线圈[L11]、第一电感的下层线圈[L12]、第二电感的上层线圈[L21]、第二电感的下层线圈[L22]、第三电感的上层线圈[L31]、第三电感的下层线圈[L32]、第四电感的上层线圈[L41]、第四电感的下层线圈[L42]均为单层矩形螺旋线圈结构，第一电容的上极板[C11]、第一电容的下极板[C12]、第二电容的上极板[C21]、第二电容的下极板[C22]、第三电容的上极板[C31]、第三电容的下极板[C32]、第四电容的上极板[C41]、第四电容的下极板[C42]、耦合极板[P]均为单层平板金属结构，第一金属通孔[M1]、第二金属通孔[M2]、第三金属通孔[M3]、第四金属通孔[M4]均为金属导体柱；

带通滤波器的信号输入端接第一电感的上层线圈[L11]，上层线圈[L11]通过第一金属通孔[M1]连接到第一电感的下层线圈[L12]并接地，第一电容的上极板[C11]与第一电感的上层线圈[L11]相连接，下极板[C12]为输出端接地，上述器件构成第一并联谐振单元；

第二电感的下层线圈[L22]通过第二金属通孔[M2]连接到第二电感的上层线圈[L21]，第二电容的下极板[C22]与第二电感的下层线圈[L22]相连接，上极板[C11]为输出端接地，上述器件构成第二并联谐振单元；

第三电感的上层线圈[L31]通过第三金属通孔[M3]连接到第三电感的下层线圈[L32]，第三电容的上极板[C31]与第三电感的上层线圈[L31]相连接，下极板[C32]为输出端接地，上述器件构成第三并联谐振单元；

第四电感的上层线圈[L41]通过金属通孔[M4]连接到第四电感的下层线圈[L42]，第四电容的上极板[C41]与第一电感的上层线圈[L41]相连接，下极板[C42]为输出端接地，上述器件构成第四并联谐振单元。

2.根据权利要求1所述的宽带带通滤波器结构，其特征在于，第一电感的上层线圈[L11]、第一电容的上极板[C11]、第四电感的上层线圈[L41]、第四电容的上极板[C41]位于同一电介质层上；第一电感的下层线圈[L12]、第一电容的下极板[C12]、第四电感的下层线圈[L42]、第四电容的下极板[C42]位于同一电介质层上；第二电感的上层线圈[L21]、第二电容的上极板[C21]、第三电感的上层线圈[L31]、第三电容的上极板[C31]位于同一电介质层上；第二电感的下层线圈[L22]、第二电容的下极板[C22]、第三电感的下层线圈[L32]、第三电容的下极板[C32]位于同一电介质层上。

3.根据权利要求1所述的宽带带通滤波器结构，其特征在于，所述第一电感的上层线圈[L11]和第四电感的上层线圈[L41]具有相同的形状、第一电感的下层线圈[L12]和第四电感的下层线圈[L42]具有相同的形状、第二电感的上层线圈[L21]和第三电感的上层线圈[L31]具有相同的形状、第二电感的下层线圈[L22]和第三电感的下层线圈[L42]具有相同的形状、第一电容的上极板[C11]和第四电容的上极板[C41]具有相同的形状、第一电容的下极板[C12]和第四电容的下极板[C42]具有相同的形状、第二电容的上极板[C21]和第三电容的上极板[C31]具有相同的形状、第二电容的下极板[C22]和第三电容的下极板[C32]具有相同的形状。

4.根据权利要求1所述的宽带带通滤波器结构，其特征在于，在第二电容的下极板[C22]和第三电容的下极板[C32]下面是耦合极板[P]，耦合极板[P]位于单独的一个电介质层上。

5.根据权利要求1所述的宽带带通滤波器结构，其特征在于，第一电感的上层线圈[L11]、第一电感的下层线圈[L12]、第二电感的上层线圈[L21]、第二电感的下层线圈[L22]、第三电感的上层线圈[L31]、第三电感的下层线圈[L32]、第四电感的上层线圈[L41]、第四电感的下层线圈[L41]、第一电容的上极板[C11]、第一电容的下极板[C12]、第二电容的上极板[C21]、第二电容的下极板[C22]、第三电容的上极板[C31]、第三电容的下极板[C32]、第四电容的上极板[C41]、第四电容的下极板[C42]、耦合极板[P]、第一金属通孔[M1]、第二金属通孔[M2]、第三金属通孔[M3]、第四金属通孔[M4]均为多层低温共烧陶瓷工艺烧制的器件。