CN113381719A

CN113381719A - 一种小型化高抑制ltcc低通滤波器

Info

Publication number: CN113381719A
Application number: CN202110736207.5A
Authority: CN
Inventors: 王栋良; 黄勇; 张霄鹏; 王啸
Original assignee: Suzhou Bohai Micro Chain Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Bohai Micro Chain Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2021-06-30
Filing date: 2021-06-30
Publication date: 2021-09-10

Abstract

本发明公开了小型化高抑制LTCC低通滤波器，包括依次串联于输入端和输出端之间的L1、L2、L3、L4以及三个用于增加传输零点的串联谐振结构，构成七阶低通滤波器，所述七阶低通滤波器包括多层介质基板，每层介质基板的表面对应各元器件具有金属层。通过在带外增加传输零点来提高滤波器的带外抑制，电抗元件通过LTCC多层陶瓷技术按照一定的拓扑结构连接起来实现低通滤波器功能。滤波器内部的接地层通过LTCC基板侧面印刷的可焊导体相连，形成滤波器的接地电极。该低通滤波器具有体积小、成本低、带内插损小、带外抑制高，温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

Description

一种小型化高抑制LTCC低通滤波器

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种考虑封装结构的小型化高抑制LTCC低通滤波器。

背景技术

低通滤波器是射频电路中一个重要的无源器件，它的主要功能是使通带内信号低损耗通过的同时，尽可能的减少其它信号的通过。一个好的低通滤波器不仅要求带内低损耗、带外高抑制而且要求有尽可能小的体积。

传统的低通滤波器一般采用切比雪夫低通滤波器原型电路，这种滤波器的带外抑制随着阶数的增加而增大，但阶数增加带来的问题是元器件个数的增加以及滤波器插入损耗的增大。另外微波器件的小型化设计已经成为一种发展趋势，LTCC多层陶瓷技术是实现小型化设计的有效途径，通过该技术可以把电抗元件进行三维集成，从而减小滤波器平面面积。目前1206(3.2mm×1.6m)的尺寸已经成为微波片式器件的一种标准封装尺寸，在这样的尺寸条件下一般可以实现5阶~7阶的低通滤波器，实现更高阶的低通滤波器会增加设计和加工的难度以及带来更高的带内插入损耗，满足不了实际的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术并且考虑1206封装结构的小型化高抑制低通滤波器。

本发明的技术方案是：

一种小型化高抑制LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，包括依次串联于输入端和输出端之间的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4以及三个用于增加传输零点的串联谐振结构，构成七阶低通滤波器，其中：

第一串联谐振结构并联于第一电感L1、第二电感L2之间，包括串联的第五电感L5、第一电容C1；第二串联谐振结构并联于第二电感L2、第三电感L3之间，包括串联的第六电感L6、第二电容C2；第三串联谐振结构并联于第三电感L3、第四电感L4之间，包括串联的第七电感L7、第三电容C3；通过三个调节谐振结构的谐振频率来确定传输零点的位置；

所述七阶低通滤波器包括多层介质基板，每层介质基板的表面对应各元器件具有金属层。

优选的，所述介质基板共17层，叠成长方体外形，长方体滤波器上、下表面各印刷有四个可焊金属面，两个侧面与上、下金属导体面相对应的位置印刷有连通的可焊金属面形成接地电极，两个端头面盖有可焊金属形成输入、输出端。

优选的，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感13、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第七电感L7采用多层螺旋电感，不同介质基板之间形成电感的金属层之间采用通孔实现互连。

优选的，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3通过不同介质基板之间的金属层形成极板。

优选的，第1、3层介质基板上金属层为接地层，并且这两层接地层通过滤波器侧面的可焊金属面连接在一起；第2层介质基板上的金属层分两块，分别是接地的第一电容C1和第三电容C3的一个极板，第4层介质基板上的金属层是接地的第二电容C2的一个极板。

优选的，第11、12、13、14层介质基板上最左侧部分的金属层构成第一电感L1；第11、12、13、14、15、16层介质基板上次左侧部分的金属层构成第二电感L2；第11、12、13、14、15、16层介质基板上次右侧部分的金属层构成第三电感L3；第11、12层介质基板上最右侧部分的金属层构成第四电感L4；第7、8层介质基板上最左侧部分的金属层构成第五电感L5；第6、7、8、9层介质基板上中间部分的金属层构成第六电感L6；第6、7、8、9层介质基板上最右侧部分的金属层构成第七电感L7。

优选的，第11、12、13、14、15、16层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由等宽的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第一电感L1的始端位于14层和输入端相连，第一电感L1的终端和第二电感L2的始端都在第11层并直接相连，第二电感L2的终端和第三电感L3的始端都在第16层并直接相连；第三电感L3的终端和第四电感L4的始端都在第11层并直接相连，第四电感L4的终端位于第12层与输出端相连。

优选的，第6、7、8、9层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的电感，每一层上都是由等宽的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过平直通孔将上下两层微带线连接在一起；第五电感L5的始端位于第8层，通过平直通孔与第一电感L1的终端和第二电感L2的始端相连，第五电感L5的终端位于第7层，通过平直通孔与第一电容C1的极板相连；第六电感L6的始端位于第9层，通过平直通孔与第二电感L2的终端和第三电感L3的始端相连，第六电感L6的终端位于第6层，通过平直通孔与第二电容C2的极板相连；第七电感L7的始端位于第9层，通过平直通孔与第三电感L3的终端和第四电感L4的始端相连，第七电感L7的终端位于第6层，通过平直通孔与第三电容C3的极板相连。

优选的，在第1、2、3、4层介质基板上的金属层去除若干网格状分布的方块。

优选的，第5，6，10，11层介质基板上面没有金属层。

本发明的优点是：

1．本发明高抑制低通滤波器以切比雪夫低通滤波器为原型，通过增加三个传输零点的方法来提高滤波器的带外抑制。这三个传输零点都是串联谐振零点，产生的零点位置可以通过调节这三个谐振电路的谐振频率来调节。这样就可以在不增加滤波器阶数的情况下提高带外抑制。滤波器所有的电抗元件最终通过LTCC叠层结构实现，电感采用平面曲折与垂直螺旋相结合的螺旋电感，然后通过垂直通孔实现不同层之间的互连；电容采用垂直交指电容结构，这种实现方式能够显著减小滤波器尺寸。

2．本发明考虑到滤波器的使用，把滤波器内部的多层地线通过侧面的导体连接起来，并和滤波器的底面接地焊盘相连接，滤波器的输入输出端也通过端头的导体焊盘相连，形成一个独石结构。使用时只需要把滤波器通过这些基板表面的焊盘按照规定的方法焊接在电路板上即可。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是七阶切比雪夫低通滤波器的原型电路图；

图2是本发明的增加三个传输零点的高抑制七阶切比雪夫低通滤波器的电路图；

图3是本发明具体实施方式所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器的封装示意图；

图4是本发明具体实施方式所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器的内部结构示意图；

图5是本发明具体实施方式所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本实施例以一个3dB截止频率为1.05GHz的七阶低通滤波器为例通过增加了三个传输零点提高带外抑制进行说明。

图1所示是一个七阶的切比雪夫低通滤波器的原型电路，包括电感L1、L2、L3、L4和电容C1、C2、C3。为了提高滤波器的带外抑制，本实施例中在这个原型电路的基础上增加三个电抗元件，包括电感L5、L6、L7，形成传输零点，如图2所示。这三个传输零点分别由串联谐振腔电感L5、电容C1，串联谐振腔电感L6、电容C2和串联谐振腔电感L7、电容C3产生，传输零点的位置可以通过谐振腔的电抗元件值来控制。通过传输零点的设计，可以使得滤波器在1.5Wc(Wc为低通滤波器的3dB截止频率)处的抑制达到35dB以上，而且滤波器的通带内插入损耗也不会增加。而如果采用增加滤波器阶数来达到相同的带外抑制要求，需要至少9阶，且滤波器的损耗会增加。本发明的目的是把图2所示的原理电路用LTCC多层陶瓷技术在3.2mm×1.6mm的面积范围内实现，实现该高抑制滤波器的小型化。

图3所示是采用LTCC实现的低通滤波器的封装示意图。整个器件尺寸为3.2m×1.6mm×0.95mm，本实施例中采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.1，共17层，第6、11层介质的厚度为0.1mm，其余的介质层厚度皆为0.05mm，金属导体采用银。滤波器包括了一个LTCC陶瓷基板，在基板的两个侧面印刷了可焊的金属导体条带作为滤波器的接地电极；在基板的两个端头覆盖了可焊金属导体作为滤波器的输入输出电极；使用时只需按照正确的方法通过这些可焊的金属导体把滤波器焊接在电路板上即可。

图4所示是采用LTCC实现图2中所有电抗元件的三维结构图。图中共17层介质基板，为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离，另外侧面以及顶面和底面的焊盘没有画出。图4并不能代表本发明低通滤波器的实际尺寸比例关系，本发明低通滤波器的实际尺寸比例关系、连接关系和封装结构如图2所示。

图4中，第1层金属位于第1层介质基板的上表面，第2层金属位于第2层介质的上表面，依次类推，第17层金属位于第17层介质基板的上表面。第1层到第17层金属都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面，最底下的封装层的金属印制在第1层介质基板的下表面。所有的介质基板都是相同型号的LTCC陶瓷材料。

第1、3层金属为接地层并且这两层接地层通过侧面的金属导体条连接在一起：第2层的金属分别是接地电容C1和C3的极板。第4层的金属为到地电容C2的极板。第7、8层最左侧的金属导体构成螺旋电感L5；第6、7、8、9层中间部分的金属导体层构成螺旋电感L6；第6、7、8、9层最右侧部分的金属导体层构成螺旋电感L7。第5，6，10，11层的介质基板上面没有金属，加入这些无金属介质基板的目的是为了减小各电容、电感和地面之间的寄生效应。

第3层接地层金属和第4层C2极板金属左右两侧边沿开了两个直径为0.4mm的过孔，便于连接L5与C1、L7与C3的直径为0.06mm的通孔。

为了便于加工，提高成品率，在第1、2、3、4层介质的金属上挖掉了6个或9个大小为0.2mm*0.2mm的方块形成网格状。

第2、4层上的电容的极板是矩形金属层，该板极和金属通孔相连。

本实施例中，第2层左侧部分的矩形大小为1.4mm*0.95mm，第2层右侧部分的矩形大小为1.4mm*0.7mm，第4层的矩形大小为1.4mm*1.6mm。

第11、12、13、14、15、16层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由宽度为0.08m的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；螺旋电感L1的始端位于14层和输入端相连，螺旋电感L1的终端和螺旋电感L2的始端都在第11层并直接相连，螺旋电感L2的终端和螺旋电感L3的始端都在第16层并直接相连；螺旋电感L3的终端和螺旋电感L4的始端都在第11层并直接相连，螺旋电感L4的终端位于第12层与输出端相连。

第6、7、8、9层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的电感，每一层上都是由宽度为0.08mm的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过平直通孔将上下两层微带线连接在一起；螺旋电感L5的始端位于第8层，通过平直通孔与螺旋电感L1的终端和螺旋电感L2的始端相连，螺旋电感L5的终端位于第7层，通过平直通孔与第一电容C1的极板相连；螺旋电感L6的始端位于第9层，通过平直通孔与螺旋电感L2的终端和螺旋电感L3的始端相连，螺旋电感L6的终端位于第6层，通过平直通孔与第二电容C2的极板相连；螺旋电感L7的始端位于第9层，通过平直通孔与螺旋电感L3的终端和螺旋电感L4的始端相连，螺旋电感L7的终端位于第6层，通过平直通孔与第三电容C3的极板相连。

所有金属通孔的直径为0.06mm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连时，必须在金属微带线与金属通孔相连的位置加上直径为0.08mm的圆形金属。

本发明高抑制LTCC低通滤波器的测试结果如图5所示。该低通滤波器的通带频率为DC~900MHz，3dB截止频率为1075MHz，通带内插入损耗不大于1.0dB，阻带频率为1275MHz~5100MHz，阻带抑制不小于20dB，通带内驻波比(VSWR)不大于1.3。

滤波器以一个七阶低通滤波器为例，通过在带外增加三个传输零点来提高滤波器带外抑制，而滤波器带内插入损耗也不会增大。低通滤波器的输入输出通过印刷在LTCC基板两个端头的焊盘实现；滤波器内部的接地层通过LTCC基板侧面印刷的可焊导体相连，形成滤波器的接地电极。

综上，本发明提供的考虑封装结构的高抑制LTCC低通滤波器具有体积小、插入损耗小、带外抑制高、温度稳定性好的优点可以进行贴片，方便使用，便于和其他微波元件集成。而且本发明低通滤波器是基于LTCC工艺的，制造成本低，适合批量生产。该低通滤波器可广泛应用于无线通信领城。

需要注意的是上述具体实施仅仅是示例性的，在本发明的上述指导下，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都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，并非用于限制发明，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种小型化高抑制LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，其特征在于，包括依次串联于输入端和输出端之间的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4以及三个用于增加传输零点的串联谐振结构，构成七阶低通滤波器，其中：

2.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，所述介质基板共17层，叠成长方体外形，长方体滤波器上、下表面各印刷有四个可焊金属面，两个侧面与上、下金属导体面相对应的位置印刷有连通的可焊金属面形成接地电极，两个端头面盖有可焊金属形成输入、输出端。

3.根据权利要求2所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感13、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、第七电感L7采用多层螺旋电感，不同介质基板之间形成电感的金属层之间采用通孔实现互连。

4.根据权利要求2所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3通过不同介质基板之间的金属层形成极板。

5.根据权利要求4所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第1、3层介质基板上金属层为接地层，并且这两层接地层通过滤波器侧面的可焊金属面连接在一起；第2层介质基板上的金属层分两块，分别是接地的第一电容C1和第三电容C3的一个极板，第4层介质基板上的金属层是接地的第二电容C2的一个极板。

6.根据权利要求3所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第11、12、13、14层介质基板上最左侧部分的金属层构成第一电感L1；第11、12、13、14、15、16层介质基板上次左侧部分的金属层构成第二电感L2；第11、12、13、14、15、16层介质基板上次右侧部分的金属层构成第三电感L3；第11、12层介质基板上最右侧部分的金属层构成第四电感L4；第7、8层介质基板上最左侧部分的金属层构成第五电感L5；第6、7、8、9层介质基板上中间部分的金属层构成第六电感L6；第6、7、8、9层介质基板上最右侧部分的金属层构成第七电感L7。

7.根据权利要求6所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第11、12、13、14、15、16层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由等宽的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第一电感L1的始端位于14层和输入端相连，第一电感L1的终端和第二电感L2的始端都在第11层并直接相连，第二电感L2的终端和第三电感L3的始端都在第16层并直接相连；第三电感L3的终端和第四电感L4的始端都在第11层并直接相连，第四电感L4的终端位于第12层与输出端相连。

8.根据权利要求6所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第6、7、8、9层介质基板上的金属层构成的电感为平面曲折与垂直螺旋相结合的电感，每一层上都是由等宽的微带线曲折2次或3次形成平面曲折结构，然后通过平直通孔将上下两层微带线连接在一起；第五电感L5的始端位于第8层，通过平直通孔与第一电感L1的终端和第二电感L2的始端相连，第五电感L5的终端位于第7层，通过平直通孔与第一电容C1的极板相连；第六电感L6的始端位于第9层，通过平直通孔与第二电感L2的终端和第三电感L3的始端相连，第六电感L6的终端位于第6层，通过平直通孔与第二电容C2的极板相连；第七电感L7的始端位于第9层，通过平直通孔与第三电感L3的终端和第四电感L4的始端相连，第七电感L7的终端位于第6层，通过平直通孔与第三电容C3的极板相连。

9.根据权利要求5所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，在第1、2、3、4层介质基板上的金属层去除若干网格状分布的方块。

10.根据权利要求2-9任一项所述的小型化高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第5，6，10，11层介质基板上面没有金属层。