CN102354777A - 一种ltcc低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，所述输入端和第一LC并联谐振(L2、C2)的输入端连接，第一对LC并联谐振的输出端与第二对LC并联谐振(L4、C4)的输入端连接，第二对LC并联谐振的输出端与第三对LC并联谐振(L6、C6)的输入端连接，第三对LC并联谐振的输出端与低通滤波器的输出端连接；第一对LC并联谐振与第二对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C3，第二对LC并联谐振与第三对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C5，第三对LC并联谐振与输出端的连接点与地之间具有并联接地电容C7。该滤波器封装结构为标准的封装结构，具有体积小、成本低、选频性能好、温度稳定性好等优点，有利于批量生产。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，它涉及一种低通滤波器，并具体涉及一种考虑封装结构的低温共烧陶瓷(LTCC)低通滤波器。
背景技术
低通滤波器是射频前端部分的一个重要的无源器件。一个好的低通滤波器不仅应该具有带内低损耗和带外高抑制的传输特性，而且应该具有陡峭的频率截止特性和尽可能小的体积，特别是随着电子整机系统向小型化、轻型化方向发展的今天。
传统的低通滤波器只能采用平面结构，占用的芯片面积太大，不能满足射频前端对器件小型化的需求，而且传统的低通滤波器没有考虑封装结构的影响。
为了满足通讯设备器件小型化的需要，最初的努力只是寻找高介电常数εr、高品质因数Q和低的频率温度系数τf的微波介质材料，来减少介质谐振器的尺寸，从而获得较小的单个微波器件。
但仅仅依靠传统的厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷(HTCC)工艺技术仍然没有找到一种有效减小器件尺寸面积的设计方法。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的考虑器件封装结构的低通滤波器，本滤波器采用7阶椭圆滤波器原型，并通过LTCC叠层结构实现等效集总电路模型。集总电感采用垂直螺旋电感，利用通孔实现不同层之间的互连；其中，集总电容采用垂直交指电容(VIC)结构，这种实现方式能够显著减小滤波器尺寸。
此外，考虑到接地质量的好坏影响到其滤波性能，尤其是地面与地面的连接方式对带内插入损耗和驻波影响很大，结合生产工艺，采用侧面封装的方式实现地面的互连和输入输出端口的互连。
本发明所采用的技术方案是：
一种LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，所述输入端和第一LC并联谐振(L2、C2)的输入端连接，第一对LC并联谐振的输出端与第二对LC并联谐振(L4、C4)的输入端连接，第二对LC并联谐振的输出端与第三对LC并联谐振(L6、C6)的输入端连接，第三对LC并联谐振的输出端与低通滤波器的输出端连接；第一对LC并联谐振与第二对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C3，第二对LC并联谐振与第三对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C5，第三对LC并联谐振与输出端的连接点与地之间具有并联接地电容C7。
进一步地，所述电感(L2、L4、L6)采取的是垂直螺旋电感，利用通孔实现不同层之间的互连。
进一步地，所述电容(C2、C4、C6)采取的是垂直交指电容结构，其通过不同层之间极板实现。
进一步地，所述LTCC低通滤波器包括多层介质基板，其中，在介质基板上表面处设有金属层；在最底下的封装层的金属印制于基板的下表面。
进一步地，所述第1、3、5金属导体层为金属地面，并且这三层金属地面通过侧壁连接在一起；所述第2金属导体层为接地电容C7的一个极板，C7的另外极板是第1、3层的金属地面，形成垂直交指电容结构。
进一步地，所述第4金属导体层为接地电容C3、C5的一个极板，另外极板是第3、5层的金属地面。
进一步地，所述第6、11、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，这些层的陶瓷板上面没有金属层。
进一步地，所述第7、8、9、10金属导体层构成垂直螺旋电感L2、L4、L6，从左至右依次为L2、L4、L6；所述第14、15、16、17金属导体层构成电容C2、C4、C6，C2为两层极板构成的MIM结构，C4、C6为三层极板构成的VIC结构。
进一步地，所述第7、8、9、10层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为100μm的微带线绕成1/2矩形或3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；其中，左边的螺旋电感为L2，中间的螺旋电感为L4，右边的螺旋电感为L6，L2、L4、L6三个电感的始端都在第10层，L2、L4这两个电感的终端在第8层，而L6的终端在第7层。L2的始端与输入端口连接，L6的终端与输出端口连接，并且L2的终端与L4的始端通过金属通孔连在一起，L4的终端与L6的始端也是通过金属通孔连在一起。
该滤波器封装结构为标准1206(3.2mm×1.6mm)封装结构，具有体积小、成本低、选频性能好、温度稳定性好等优点，有利于批量生产。
本发明的有益效果是：
本发明是通过LTCC叠层结构实现的并考虑封装结构影响的低通滤波器，在实现同等技术指标前提下能够显著的减小器件的尺寸，同时，该低通滤波器能有效的减小带内的插入损耗和增大带外的抑制，并且截止频率处的陡峭度很高，频率选择性很好，能够满足一般的民用要求。
本发明提供的低通滤波器具有体积小、重量轻、性能、温度稳定性高等特点，并且可加工成贴片形式，便于与其他微波组件集成，另外，本发明是基于LTCC工艺，成本低，适合批量生产。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。
图1是本发明LTCC低通滤波器原型的等效电路图；
图2是本发明LTCC低通滤波器的等效电路图；
图3是本发明具体实施方式所述的LTCC低通滤波器的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式所述的LTCC低通滤波器的整体封装示意图；
图5是本发明具体实施方式所述的LTCC低通滤波器的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1和图2所示，本发明是带有三个传输零点的椭圆低通滤波器，当不考虑封装结构影响的等效电路时没有去掉图1中的C1，但如果考虑到封装结构对本低通滤波器的影响时必须去掉C1才能实现三个传输零点，带外的抑制度才能满足要求。具体的连接方式已经在发明内容中有了详细描述，在此仅对具体三维实现方式描述如下：
如图3所示，图3中总共画了17层，最底下和最上面的封装层没有画出，而且为了便于说明连接关系，层与层之间尽量拉开距离。图3并不能代表本发明低通滤波器实际尺寸的比例关系，详细的尺寸比例关系和连接关系如图4所示。
图3中，第1层金属位于第1层的介质基板上面，第2层金属导体位于第2、3层介质基板中间，第3层金属位于第3、4层基板中间，以此类推，第17层金属位于第17层介质基板上面。第1层到第18层中每一层的金属都采用LTCC印刷工艺印制于介质基板的上表面，而最底下的封装层的金属印制于基板的下表面，所有的介质基板材料都为LTCC陶瓷。
第1、3、5金属导体层为金属地面，并且这三层金属地面通过侧壁连接在一起。第2金属导体层为接地电容C7的一个极板，C7的另外极板是第1、3层的金属地面，形成垂直交指电容(VIC)结构。同C7一样，第4金属导体层为接地电容C3、C5的一个极板，另外极板是第3、5层的金属地面。第6、11、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，这些层的陶瓷板上面没有金属层，加入这些没有金属层的陶瓷板的目的是为了减小电感与电容或电感与地面之间的寄生效应。第7、8、9、10金属导体层构成垂直螺旋电感L2、L4、L6，从左至右依次为L2、L4、L6。第14、15、16、17金属导体层构成电容C2、C4、C6，C2为两层极板构成的MIM结构，C4、C6为三层极板构成的VIC结构，由于C4和C6的电容值比较大，如果只用两层极板实现的话，每层金属极板的面积就会过大，因此采用VIC结构实现。
第1、3、5层金属地面由于覆盖介质基板面积比较大，因此将金属地面四个角剪掉一块300μm×150μm面积的矩形块，便于封装时金属地面与输入输出端口隔离开，此外，第5层金属地面要开两个直径为350μm的过孔，便于让两个直径为125μm的金属柱穿过。
第2、14、16层的电容极板为矩形金属层，第2层右端与第14层右端和第16层左右两端的矩形金属极板用宽度为100微米的金属微带线分别与左右两个输入输出端口连接(两个端口在图3中没有显示，在图4中有显示)，另外，所有与输入输出端口连接的金属微带线都要在这一层的靠近端口的边缘加一层宽度为100μm垂直于连向端口的金属微带线的金属线，如图3中第2、7、10、14、16层所示，目的是为了封装时端口与器件的接触良好。第16层中间的电容极板通过宽度为100μm的金属微带线与垂直通孔连在一起。
第7、8、9、10层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为100μm的微带线绕成1/2矩形或3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起。左边的螺旋电感为L2，中间的螺旋电感为L4，右边的螺旋电感为L6，L2、L4、L6三个电感的始端都在第10层，L2、L4这两个电感的终端在第8层，而L6的终端在第7层。L2的始端与输入端口连接，L6的终端与输出端口连接，并且L2的终端与L4的始端通过金属通孔连在一起，L4的终端与L6的始端也是通过金属通孔连在一起。
第4、15、17层的电容极板为矩形金属层，其中第4层的金属电容极板与金属通孔直接相连，而第15、17层的金属电容极板通过宽度为100μm的微带线连到金属通孔上。
考虑到加工工艺，所有金属通孔的直径都为125μm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连的话，必须在金属微带线与通孔相连的这一层金属层的位置加上直径为150μm的金属托盘，金属托盘的厚底与金属层的厚度一致，都为10μm。
第4层电容C3的金属极板与第8层电感L2的终端、第10层电感L4的始端和第15层电容C2、C4的极板和第17层电容C4的极板通过垂直通孔连在一起；第4层电容C5的金属极板与第8层电感L4的终端、第10层电感L6的始端和第15层电容C6的极板、第16层电容C4的极板通过垂直通孔连在一起。
本发明低通滤波器的整体封装结构示意图如图4所示，最左端为输入端口，最右端为输出端口，前后封装侧壁为端口地。整个器件尺寸为3.2mm×1.6mm×0.95mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数εr为7.8，介质的损耗角正切tanδ为0.002，金属导体采用银，每层陶瓷介质的厚度为40μm，每层金属厚度为10μm。如果一层陶瓷介质和一层金属的总厚度算作一层，则器件的总厚度共计19层。
仿真结果如图5所示：
该低通滤波器截止频率为1.73GHz，阻带有三个传输零点，分别位于1.94GHz、2.27GHz、3.18GHz。通带内插入损耗小于3dB。阻带内，在1.88GHz到2.16GHz范围内抑制大于33dB，在2.16GHz到6GHz范围内抑制大于40dB。通带内驻波比(VSWR)小于1.8。通带到阻带的矩形系数为1.1左右。
综上，本发明提供的考虑封装结构的LTCC低通滤波器具有体积小、结构紧凑、选频性能好、可加工成贴片元件形式，便于与其他微波元件集成。而且本发明低通滤波器是基于LTCC工艺，制造成本低，适合批量生产。该低通滤波器可广泛用于手机、蓝牙模块、GPS、PDA、WLAN等射频无线通讯领域中。
需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。
本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，其特征在于，所述输入端和第一对LC并联谐振(L2、C2)的输入端连接，第一对LC并联谐振的输出端与第二对LC并联谐振(L4、C4)的输入端连接，第二对LC并联谐振的输出端与第三对LC并联谐振(L6、C6)的输入端连接，第三对LC并联谐振的输出端与低通滤波器的输出端连接；第一对LC并联谐振与第二对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C3，第二对LC并联谐振与第三对LC并联谐振的连接点与地之间具有并联接地电容C5，第三对LC并联谐振与输出端的连接点与地之间具有并联接地电容C7。
2.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述电感(L2、L4、L6)采取的是垂直螺旋电感，利用通孔实现不同层之间的互连。
3.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述电容(C2、C4、C6)采取的是垂直交指电容结构，其通过不同层之间极板实现。
4.根据权利要求1-3任一所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述LTCC低通滤波器包括多层介质基板，其中，在介质基板上表面处设有金属层；在最底下的封装层的金属印制于基板的下表面。
5.根据权利要求4所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第1、3、5金属导体层为金属地面，并且这三层金属地面通过侧壁连接在一起；所述第2金属导体层为接地电容C7的一个极板，C7的另外极板是第1、3层的金属地面，形成垂直交指电容结构。
6.根据权利要求4所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第4金属导体层为接地电容C3、C5的一个极板，另外极板是第3、5层的金属地面。
7.根据权利要求4所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第6、11、12、13层为50μm厚度的LTCC陶瓷板，这些层的陶瓷板上面没有金属层。
8.根据权利要求4所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第7、8、9、10金属导体层构成垂直螺旋电感L2、L4、L6，从左至右依次为L2、L4、L6；所述第14、15、16、17金属导体层构成电容C2、C4、C6，C2为两层极板构成的MIM结构，C4、C6为三层极板构成的VIC结构。
9.根据权利要求4所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第7、8、9、10层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为100μm的微带线绕成1/2矩形或3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；其中，左边的螺旋电感为L2，中间的螺旋电感为L4，右边的螺旋电感为L6，L2、L4、L6三个电感的始端都在第10层，L2、L4这两个电感的终端在第8层，而L6的终端在第7层。L2的始端与输入端口连接，L6的终端与输出端口连接，并且L2的终端与L4的始端通过金属通孔连在一起，L4的终端与L6的始端也是通过金属通孔连在一起。
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| PB01 | Publication | ||
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Application publication date: 20120215 |