CN113922027A - 一种高抑制介质滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抑制介质滤波器。该介质滤波器是采用谐振器耦合结构的微波滤波器，每个谐振器能够等效成并联电感和电容。该高抑制介质滤波器包括多层介质基板、介质本体、介质表面接地导电层、介质表面输入/输出端子、介质内部谐振器、谐振器间耦合装置、输入输出抽头等部件。谐振器由金属通孔和到地的平板电容组成，相邻谐振器之间的距离的远近可以控制耦合的强弱，非相邻谐振器之间可以通过引入交叉耦合装置来增加传输零点，从而提高滤波器的带外抑制，通带信号通过谐振器之间的耦合进行传递从而实现介质滤波器的功能。本发明实施例提供的介质滤波器具有结构简单、带内插损小、带外抑制高，温度稳定性好、方便使用等优点。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电子技术领域，尤其涉及一种高抑制介质滤波器，并具体涉及一种低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC，LTCC)介质滤波器。
背景技术
介质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。一个好的介质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。
传统的滤波器一般采用切比雪夫滤波器原型电路，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。实现更高阶的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，本发明提供一种高抑制介质滤波器，以实现在不增加滤波器阶数的情况下提高带外抑制。
本实施例提供的一种高阶介质滤波器包括：
多层介质基板，以及设置在每层介质基板上的金属层，所述介质基板均采用LTCC陶瓷材料；
介质本体、介质表面接地导电层、介质表面输入端子、介质表面输出端子、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、输入抽头以及输出抽头；
所述介质表面输入端子和所述介质表面输出端子设置在所述介质表面接地导电层上；
所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器以及第四谐振器依次并排设置在所述介质本体的内部，所述输入抽头连接所述第一谐振器、所述输出抽头连接所述第四谐振器；
所述介质表面输入端子通过所述输入抽头与所述第一谐振器相连，所述介质表面输出端子通过所述输出抽头与所述第四谐振器相连。
可选的，各谐振器由介质基板上到地的金属通孔以及该金属通孔顶端连接的金属平板组成，该金属通孔贯通多层介质基板。
可选的，组成所述谐振器的金属平板与介质基板表面的金属导电层构成所述谐振器对应的第一电容C1，第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4。
可选的，所述输入抽头和所述输出抽头分别为设置在介质基板两侧的导电条带，所述输入抽头的一端与所述第一谐振器对应的金属通孔连接，所述输入抽头的另一端与所述介质表面输入端子连接；
所述输出抽头的一端与所述第四谐振器对应的金属通孔连接，所述输出抽头的另一端与所述介质表面输出端子连接。
可选的，所述介质滤波器还包括：电耦合结构和磁耦合结构；所述电耦合结构设置在所述第一谐振器和所述第三谐振器之间，所述磁耦合结构设置在第一谐振器和第四谐振器之间。
可选的，所述电耦合结构为位于所述第一电容C1以及所述第三电容C3下方的金属导体，该金属导体作为所述电耦合结构的一个极板，与所述第一电容C1、所述第三电容C3的相邻极板相互作用实现所述第一谐振器和所述第三谐振器之间的电耦合。
可选的，所述磁耦合结构通过设置在介质基板上的金属导体和垂直相连于介质基板上的金属通孔组成。
可选的，所述介质表面接地导电层处于所述介质本体的下表面，该下表面的两端对应的位置印刷有可焊金属面，形成输出电极和输出电极。
本发明所达到的有益效果：
(1)本发明低插损高抑制介质滤波器采用高Q值的谐振腔模式，通过谐振器之间的耦合来传递信号从而降低插损，为减小尺寸，在谐振器金属通孔的上端连接一个电容。
(2)本发明通过在低频端增加了两个传输零点来提高带外抑制。这两个传输零点是通过非相邻谐振器之间的交叉耦合来产生的，产生的零点位置可以通过调节非相邻谐振器之间的电耦合和磁耦合的强弱来调节。这样就可以在不增加滤波器阶数的情况下提高带外抑制。并且本发明中的介质滤波器所有的电抗元件最终通过LTCC叠层结构实现，组成谐振器的大孔径金属通孔、给第一、四谐振器之间提供磁耦合的小孔径金属通孔、连接电极和抽头的小孔径金属通孔都是通过垂直通孔实现；电容则通过印刷在两个不同介质层的相对金属平板实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的介质滤波器的等效电路图；
图2是本发明实施例提供的增加两个传输零点的介质滤波器的等效电路图；
图3a是本发明实施例提供的LTCC介质滤波器顶部在上的封装示意图；
图3b是本发明实施例提供的LTCC介质滤波器低部在上的封装示意图；
图4是本发明实施例提供的LTCC高抑制介质滤波器的内部结构示意图；
图5a是本发明具体实施例提供的LTCC高抑制介质滤波器的测试结果图；
图5b是本发明具体实施例提供的LTCC高抑制介质滤波器的又一测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
参见图1-图4，本发明实施例提供了一种高抑制介质滤波器。该滤波器包括：
多层介质基板，以及设置在每层介质基板上的金属层，所述介质基板均采用LTCC陶瓷材料；具体的，该介质滤波器包括14层介质基板，图4中示出了其中的第1、第6、第10、第12、第13以及第14层。
介质本体100、介质表面接地导电层200、介质表面输入端子300、介质表面输出端子400、第一谐振器501、第二谐振器502、第三谐振器503、第四谐振器504、输入抽头601以及输出抽头602；
所述介质表面输入端子和所述介质表面输出端子设置在所述介质表面接地导电层上；
所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器以及第四谐振器依次并排设置在所述介质本体的内部，所述输入抽头连接所述第一谐振器、所述输出抽头连接所述第四谐振器；
所述介质表面输入端子通过所述输入抽头与所述第一谐振器相连，所述介质表面输出端子通过所述输出抽头与所述第四谐振器相连。
其中，本实施例中的各谐振器由介质基板上到地的金属通孔700以及该金属通孔顶端连接的金属平板800组成，该金属通孔贯通多层介质基板。组成所述谐振器的金属平板与介质基板表面的金属导电层构成所述谐振器对应的第一电容C1，第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4。
所述输入抽头和所述输出抽头分别为设置在介质基板两侧的导电条带，所述输入抽头的一端与所述第一谐振器对应的金属通孔连接，所述输入抽头的另一端与所述介质表面输入端子连接；
所述输出抽头的一端与所述第四谐振器对应的金属通孔连接，所述输出抽头的另一端与所述介质表面输出端子连接。
所述介质滤波器还包括：电耦合结构901和磁耦合结构902；所述电耦合结构设置在所述第一谐振器和所述第三谐振器之间，所述磁耦合结构设置在第一谐振器和第四谐振器之间。
所述电耦合结构为位于所述第一电容C1以及所述第三电容C3下方的金属导体，该金属导体作为所述电耦合结构的一个极板，与所述第一电容C1、所述第三电容C3的相邻极板相互作用实现所述第一谐振器和所述第三谐振器之间的电耦合。
所述磁耦合结构通过设置在介质基板上的金属导体903和垂直相连于介质基板上的金属通孔904组成。即本实施例中第一谐振器和第四谐振器之间的磁耦合结构由U型导电图形构成，垂直部分采用与谐振器并排的通孔实现，水平部分采用金属条带实现。通孔的高度及其与谐振器的距离与耦合度相关。
进一步的，所述介质表面接地导电层处于所述介质本体的下表面，该下表面的两端对应的位置印刷有可焊金属面，形成输出电极和输出电极。为防止短路两个电极周围及侧面不覆盖金属，表面其余部分由密闭的金属导体面包裹。此处的输入/输出电极对应上述提到的介质表面输入/输出端子。
进一步的，本实施例介质基板是多层压合的，图4中为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离。图4并不能代表本发明介质滤波器的实际尺寸比例关系，本发明介质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。
进一步的，图1所示是介质滤波器的等效电路，为了提高滤波器的带外抑制，本实施例中在这个原型电路基础上，在第一、三谐振器和第一、四谐振器之间分别增加了电耦合(等效为电容)和磁耦合(等效为电感)。其中，第一、三谐振器之间的电耦合结构是通过印刷在第12层介质两侧的金属导体，与印刷在第13层介质上的第一、三谐振器的电容C1、C3的极板形成一、三谐振器之间的交叉耦合来实现的；第一、四谐振器之间的磁耦合是通过两根靠近第一、四谐振器且相互连接的到地金属通孔及连接通孔的条带来实现的，等效原理图如图2所示。传输零点的位置可以通过调节的电磁耦合的强弱来控制。通过传输零点的设计，可以使得滤波器在5.75GHz处的抑制达到40dB以上，而且由于介质滤波器的Q值比较高使得通带内插入损耗也不会太大。、
进一步参见图3，图3为采用LTCC实现的介质滤波器的封装示意图。整个器件尺寸为2mX7mmX1.5mm，本实施例中采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.4，共14层，介质的厚度为0.1mm，采用银作为金属导体。该介质滤波器包括了一个LTCC陶瓷基板，在基板底部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；在基板底部的两个端头之间覆盖了可焊金属导体作为滤波器的接地电极；使用时只需娶按照正确的方法通过这些可焊的金属把滤波器焊接在电路板上即可。
进一步参见图4，本实施例中，第6层金属层位于第6层介质基板的上表面，第10层金属位于第10层介质的上表面，依次类推，第14层金属位于第14层介质基板的上表面。第1层到第14层金属都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面，最底下第0层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。
其中，第6层介质基板上的金属导体和靠近介质基板长边的垂直相连于第1～6层介质基板上的小孔径金属通孔组成第一、四谐振器之间的磁耦合结构，所述第6层的金属导体线宽为0.1mm；所述第1～6层小孔径金属通孔孔径为0.25mm，与孔径为0.5mm的第一、四谐振器的大孔径金属通孔沿窄边并排而立。
第10层介质基板两侧的金属导体分别是输入输出抽头，抽头宽为0.25mm，抽头一端连接第一、四谐振器的大孔径金属通孔，另一端通过垂直导通第1～10层的小孔径输入输出金属通孔连接到器件底部的输入输出电极，输入输出金属通孔孔径为0.25mm。
第12层介质基板两侧的金属导体是电耦合结构的一个极板，与位于第13层介质的C1、C3的一个极板相互作用实现第一、三谐振器之间的电耦合。
第13层介质基板上的金属导体从左往右分别是组成四个谐振器的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4的一个极板，该板极是矩形金属层和谐振器的金属通孔相连。
本实施例中，金属通孔分为大孔径金属和小孔径金属通孔，组成谐振器的4个金属通孔是大孔径金属通孔，孔径为0.5mm；磁耦合结构的4个金属通孔和输入输出结构的2个金属通孔为小孔径金属通孔，孔径为0.25mm。
进一步参见图5，本发明高抑制LTCC介质滤波器的测试结果如图5所示。该介质滤波器的通带频率为6095～7125MHz，3dB截止频率为6025MHz，通带内插入损耗不大于2dB，阻带频率为1000MHz～5100MHz、5100～5735MHz，1000MHz～5100MHz阻带抑制不小于25dB，5100MHz～5735MHz阻带抑制不小于40dB，通带内驻波比(VSWR)不大于1.3。
本实施例中的滤波器以一个介质滤波器为例，通过在带外增加两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。介质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。
综上，本发明提供的考虑封装结构的高抑制LTCC介质滤波器具有结构简单、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。而且本发明介质滤波器是基于LTCC工艺的，制造成本低，适合批量生产。该介质滤波器可广泛应用于无线通信领城。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (8)
1.一种高抑制介质滤波器，其特征在于，包括：
多层介质基板，以及设置在每层介质基板上的金属层，所述介质基板均采用LTCC陶瓷材料；
介质本体、介质表面接地导电层、介质表面输入端子、介质表面输出端子、第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、输入抽头以及输出抽头；
所述介质表面输入端子和所述介质表面输出端子设置在所述介质表面接地导电层上；
所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器以及第四谐振器依次并排设置在所述介质本体的内部，所述输入抽头连接所述第一谐振器、所述输出抽头连接所述第四谐振器；
所述介质表面输入端子通过所述输入抽头与所述第一谐振器相连，所述介质表面输出端子通过所述输出抽头与所述第四谐振器相连。
2.根据权利要求1所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，各谐振器由介质基板上到地的金属通孔以及该金属通孔顶端连接的金属平板组成，该金属通孔贯通多层介质基板。
3.根据权利要求2所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，组成所述谐振器的金属平板与介质基板表面的金属导电层构成所述谐振器对应的第一电容C1，第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4。
4.根据权利要求1所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，所述输入抽头和所述输出抽头分别为设置在介质基板两侧的导电条带，所述输入抽头的一端与所述第一谐振器对应的金属通孔连接，所述输入抽头的另一端与所述介质表面输入端子连接；
所述输出抽头的一端与所述第四谐振器对应的金属通孔连接，所述输出抽头的另一端与所述介质表面输出端子连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，所述介质滤波器还包括：电耦合结构和磁耦合结构；所述电耦合结构设置在所述第一谐振器和所述第三谐振器之间，所述磁耦合结构设置在第一谐振器和第四谐振器之间。
6.根据权利要求5所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，所述电耦合结构为位于所述第一电容C1以及所述第三电容C3下方的金属导体，该金属导体作为所述电耦合结构的一个极板，与所述第一电容C1、所述第三电容C3的相邻极板相互作用实现所述第一谐振器和所述第三谐振器之间的电耦合。
7.根据权利要求5所述的高抑制介质滤波器，其特征在于，所述磁耦合结构通过设置在介质基板上的金属导体和垂直相连于介质基板上的金属通孔组成。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质表面接地导电层处于所述介质本体的下表面，该下表面的两端对应的位置印刷有可焊金属面，形成输出电极和输出电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220111 |