CN100502238C - 形成在多层基板上的集总组件低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种形成在多层基板上的集总组件低通滤波器。该形成在多层基板上的集总组件低通滤波器包括一第一电感；一第二电感，以其一端电串联于该第一电感，其中该第一电感与该第二电感的形状为螺旋形，以及该第一电感与该第二电感的螺旋旋转方向相反，因而使得该第一电感与该第二电感间的互感为负值并等于一第一预定值；一第一电容，电并联于该第一电感；一第二电容，电并联于该第二电感；以及一第三电容，其第一端电连接于地电位以及其第二端电连接于该第二电感用以连接该第一电感的一端。

Description

形成在多层基板上的集总组件低通滤波器

技术领域

本发明涉及一种集总组件低通滤波器，特别是涉及一种形成在多层基板上的集总组件低通滤波器。

背景技术

在设计各种不同应用的电路时，低通滤波器是非常广泛被使用的一种组件，常被用来过滤讯号的高频谐波或是一些高频噪声。低通滤波器通常以其在通带(passband)的插入损耗(insertion loss)以及在阻带(stopband)的抑制能力(rejection)来表示其效能。滤波器在阻带的抑制能力取决于其阶数(order)，阶数愈高的滤波器在阻带的抑制能力有着愈好的表现。然而，愈高阶的滤波器也需要愈多的组成组件，这会导致阶数愈高的滤波器所占据的电路面积也愈大，并且其插入损耗也较高。请参阅图1。图1为一已知的三阶低通滤波器的典型电路示意图。P11与P12为图1中的滤波器的二端口，L11与L12为二电感，以及C13为一电容。在目前手持无线装置的射频电路设计上，由于对于电路面积大小要求很严，如图1所示的三阶滤波器因其在滤波效能以及电路面积上取得平衡，故最常被采用。

当如图1所示的三阶滤波器在阻带的抑制能力不符合系统设计规格的要求时，椭圆式(elliptic-type)低通滤波器也常被采用。请参阅图2。图2为一已知的三阶椭圆式低通滤波器的典型电路示意图。P21与P22为图2中的滤波器的二端口，L21与L22为二电感，以及C23为一电容；与图1所示的滤波器相较，图2中的三阶椭圆式低通滤波器还包括了二电容C21及C22，其分别与电感L21及L22相并联。电容C21和C22分别与电感L21和L22相并联所形成的平行电感电容电路(parallel LC circuit)会在阻带内形成一插入损耗响应的凹口(notch)；而与图1的滤波器相比较，图2的滤波器会具备较好的阻带抑制能力。

请参阅图3。图3为一已知的三阶低通滤波器以及一已知的三阶椭圆式低通滤波器的频率响应图。在图3中，横轴代表操作频率，而纵轴代表以dB为单位的频率响应的振幅。S211为图1所示的已知的三阶低通滤波器的穿透系数(transmission coefficient)，S212则为图2所示的已知的三阶椭圆式低通滤波器的穿透系数。如图3所示，在三阶椭圆式低通滤波器的阻带中，操作频率为f_c2处，穿透系数S212有一凹口，这表示已知的三阶椭圆式低通滤波器在阻带的抑制能力要比已知的三阶低通滤波器来得好。同时，由图3亦可看出穿透系数S212的曲线在跃迁带(transition band)陡降的程度较穿透系数S211的曲线来得剧烈，而这在低通滤波器的效能评估中为一优点。

设计电路时通常希望能采用在阻带有着优异的抑制能力以及在跃迁带的频率响应变化较剧的低通滤波器，然而在现今射频电路设计中，又希望能避免如过多的电路组件数目以及过大的电路面积。因此，在设计较先进的射频电路时，如何设计一既在阻带有足够的抑制能力而又不需包括太多电路组件的低通滤波器，是一个重要而富挑战性的问题。

发明内容

因此本发明的主要目的在于提供一种形成在多层基板上的集总组件低通滤波器，利用两电感间的负互感使得该集总组件低通滤波器能在阻带提供更好的抑制能力，以改善上述问题。

本发明披露了一种形成在多层基板(multi-layered substrate)上的集总组件低通滤波器(lumped-element low-pass filter)。该形成在多层基板上的集总组件低通滤波器包括一第一电感；一第二电感，以其一端电串联于该第一电感，其中该第一电感与该第二电感的形状为螺旋形，以及该第一电感与该第二电感的螺旋旋转方向相反，因而使得该第一电感与该第二电感间的互感为负值且等于一第一预定值；一第一电容，电并联于该第一电感；一第二电容，电并联于该第二电感；以及一第三电容，其第一端电连接于地电位以及该第三电容的第二端电连接于该第二电感用以连接该第一电感的一端，其中该第一电感形成于该多层基板的一第四层上，该第二电感形成于该多层基板的一第三层上且该第二电感通过穿透该基板的一第一金属连通柱电串联于该第一电感，该第一电容包含分别形成于该多层基板的一第五层上以及一第六层上的二平板，其中该形成于该第六层上的平板通过穿透该基板的一第二金属连通柱电连接于该第一电感，以及该形成于该第五层上的平板电连接于该第一金属连通柱，该第二电容包含分别形成于该多层基板的一第一层上以及一第二层上的二平板，其中该形成于该第二层上的平板电通过穿透该基板的一第三金属连通柱电连接于该第二电感，以及该形成于该第一层上的平板电连接于该第一金属连通柱，以及该第三电容由该第一层以及该多层基板的一地电位层构成，其中该第一层紧临于该地电位层。

附图说明

图1为已知的三阶低通滤波器的示意图。

图2为已知的三阶椭圆式低通滤波器的示意图。

图3为已知的三阶低通滤波器以及已知的三阶椭圆式低通滤波器的频率响应图。

图4为标示出电感间的互感的三阶椭圆式低通滤波器的示意图。

图5为本发明的集总组件三阶椭圆式低通滤波器以及传统三阶椭圆式低通滤波器的频率响应图。

图6为本发明的集总组件低通滤波器的第一实施例的示意图。

图7为图6的电路的侧视图。

图8为本发明的集总组件低通滤波器的第二实施例的示意图。

图9为本发明的集总组件低通滤波器的第三实施例的示意图。

图10为本发明的集总组件低通滤波器的第四实施例的示意图。

附图符号说明

P11，P12，P21，P22，P41，P42，P61，P62，

P81，P82，P91，P92，P101，P102                 端口

L11，L12，L21，L22，L41，L42，L61，L62，

L81，L82，L91，L92，L101，L102，               电感

LM4，LM6，LM8，LM9，LM10                       互感

C13，C21，C22，C23，C41，C42，C43，

C61，C62，C63，C81，C82，C83，C831，

C832，C91，C92，C93，C101，C102，C103          电容

G61，G81，G82，G91，G101                       地电位平板

Via61，Via62，Via63，Via81，Via82，Via83，

Via91，Via92，Via93，Via101，Via102，Via103    金属连通柱

具体实施方式

简而言之，本发明披露了一改良式集总组件三阶椭圆式低通滤波器。请参阅图4。图4为一标示出电感间的互感的三阶椭圆式低通滤波器的示意图。图4中展示了低通滤波器所包含的二端口P41与P42，二电感L41与L42，三电容C41、C42与C43，以及二电感L41与L42间的互感(mutual inductance)LM4。众所周知，互感的存在为一自然物理现像而亦出现于已知的集总组件椭圆式低通滤波器中。互感会影响整个电路的频率响应，因此在已知技术中，总是尽量地避免互感的产生。然而，本发明却主动地利用一负互感来增进集总组件椭圆式低通滤波器的频率响应。图5为本发明的集总组件三阶椭圆式低通滤波器以及一如图2所示的传统三阶椭圆式低通滤波器的频率响应图。在图5中，横轴代表操作频率，而纵轴代表以dB为单位的频率响应的振幅。S212为如图2所示的传统三阶椭圆式低通滤波器的穿透系数，S214则为如图4所示的本发明的三阶椭圆式低通滤波器的穿透系数，其中本发明的三阶椭圆式低通滤波器保留并利用了二电感间的互感，且主动设计其值为一预定负值。如图5所示，本发明的低通滤波器的频率响应在阻带上有二凹口，本发明的低通滤波器因而在阻带有着较佳的抑制能力；其中凹口发生的位置可依系统规格的需要，经由改变负互感的值来加以调整。

互感与两电感的相对距离以及电感的形状相关。因此，本发明非常适合以一立体的结构来实现，例如像实现在一多层基板(multi-layeredsubstrate)上。根据如图4所示的电路模型，本发明可提供一电路面积极小而又在阻带上具有优良抑制能力的集总组件低通滤波器。请参阅图6。图6为本发明的形成在多层基板上的集总组件低通滤波器的第一实施例的示意图。G61为一底层地电位平板。L61与L62为二电感，C61、C62与C63为三电容，以及Via61、Via62与Via63为三穿透基板而连接不同层的金属连通柱(metal via)。电感L61与电感L62为分别形成在基板的第四层与第三层上的方形螺旋金属带，而电感L61与电感L62的螺旋旋转方向相反，因而使得电感L61与电感L62间的互感LM6为负值。电感L61与电感L62的形状可被妥当调整，以及/或第三层与第四层间的距离可经适当选择，以使得互感LM6的值被调整至一经设计的负值。电感L62通过金属连通柱Via61与电感L61相串联。电容C61包含分别形成于该多层基板的第五层上以及第六层上的二金属平板，其中该形成于该第五层上的平板通过金属连通柱Via62电连接于电感L61的一端，以及该形成于该第六层上的平板通过金属连通柱Via61电连接于电感L61的另一端。如此，则电容C61通过金属连通柱Via61与Via62电并联于电感L61。电容C62包含分别形成于该多层基板的第一层上以及第二层上的二金属平板，其中该形成于该第二层上的平板通过金属连通柱Via63电连接于电感L62的一端，以及该形成于该第一层上的平板通过金属连通柱Via61电连接于电感L62的另一端。如此，则电容C62通过金属连通柱Via61与Via63电并联于电感L62。电容C63则形成于该多层基板的第一层与底层地电位平板G61之间。图6中的电路与图4中所示的电路相同，其中电感L61、电感L62、互感LM6、电容C61、电容C62以及电容C63分别相对应于图4中的电感L41、电感L42、互感LM4、电容C41、电容C42以及电容C43，并且图6所描述的本发明的滤波器电路的频率响应可如图5中的曲线S214。互感LM6的值是根据一算法而决定以使得本发明的低通滤波器的频率响应在阻带上的抑制能力符合一预设的规格。此外，因本发明的滤波器电路可实现在一立体结构上，故本发明的电路面积能缩减到很小。图7为图6所示的电路的侧视图。

图8为本发明的形成在多层基板上的集总组件低滤波器的第二实施例的示意图。G81为一底层地电位平板，G82则为一顶层地电位平板。L81与L82为二电感，C81、C82与C83为三电容，以及Via81、Via82与Via83为三穿透基板而连接不同层的金属连通柱。电感L81与电感L82为分别形成在基板的第四层与第三层上的圆形螺旋金属带，而电感L81与电感L82的螺旋旋转方向相反，因而使得电感L81与电感L82间的互感LM8为负值。电感L81与电感L82的形状可被妥当调整，以及/或第三层与第四层间的距离可经适当选择，以使得互感LM8的值被调整至一经设计的负值。电感L82通过金属连通柱Via81与电感L81相串联。电容C81包含分别形成于该多层基板的第五层上以及第六层上的二金属平板，其中该形成于该第五层上的平板通过金属连通柱Via82电连接于电感L81的一端，以及该形成于该第六层上的平板通过金属连通柱Via81电连接于电感L81的另一端。如此，则电容C81通过金属连通柱Via81与Via82电并联于电感L81。电容C82包含分别形成于该多层基板的第一层上以及第二层上的二金属平板，其中该形成于该第二层上的平板通过金属连通柱Via83电连接于电感L82的一端，以及该形成于该第一层上的平板通过金属连通柱Via81电连接于电感L82的另一端。如此，则电容C82通过金属连通柱Via81与Via83电并联于电感L82。电容C83由二电容C831与C832组成，其中二电容C831与C832互相并联，使得电容C83所占的面积可缩小。电容C831形成于该多层基板的第一层与底层地电位平板G81之间，其中该第一层的金属平板连接于金属连通柱Via81。电容C832则形成于该多层基板的第六层与顶层地电位平板G82之间，其中该第六层的金属平板亦连接于金属连通柱Via81。图8中的电路与图4中所示的电路相同，其中电感L81、电感L82、互感LM8、电容C81、电容C82以及电容C83分别相对应于图4中的电感L41、电感L42、互感LM4、电容C41、电容C42以及电容C43，并且图8所描述的本发明的滤波器电路的频率响应可如图5中的曲线S214。

请参阅图9。图9为本发明的形成在多层基板上的集总组件低滤波器的第三实施例的示意图。G91为一底层地电位平板。L91与L92为二电感，C91、C92与C93为三电容，以及Via91、Via92与Via93为三穿透基板而连接不同层的金属连通柱。电感L91与电感L92为分别形成在基板的第四层与第三层上的矩形螺旋金属带，而电感L91与电感L92的螺旋旋转方向不同，因而使得电感L91与电感L92间的互感LM9为负值。电感L92通过金属连通柱Via91与电感L91相串联。电容C91包含分别形成于该多层基板的第五层上以及第六层上的二金属平板，其中该形成于该第六层上的平板通过金属连通柱Via92电连接于电感L91的一端，以及该形成于该第五层上的平板通过金属连通柱Via91电连接于电感L91的另一端。如此，则电容C91通过金属连通柱Via91与Via92电并联于电感L91。电容C92包含分别形成于该多层基板的第一层上以及第二层上的二金属平板，其中该形成于该第二层上的平板通过金属连通柱Via93电连接于电感L92的一端，以及该形成于该第一层上的平板通过金属连通柱Via91电连接于电感L92的另一端。如此，则电容C92通过金属连通柱Via91与Via93电并联于电感L92。电容C93则形成于该多层基板的第一层与底层地电位平板G61之间。如同前述的另两个实施例，图9中的电路与图4中所示的电路相同，其中电感L91、电感L92、互感LM9、电容C91、电容C92以及电容C93分别相对应于图4中的电感L41、电感L42、互感LM4、电容C41、电容C42以及电容C43，并且图9所描述的本发明的滤波器电路的频率响应可如图5中的曲线S214。与图6所示的电路结构相比，图9所示的实施例可避免第五层上的金属平板与第六层上的其它电路组件间形成寄生耦合(parasitic coupling)，进而避免低通滤波器的频率偏移。

请参阅图10。图10为本发明的形成在多层基板上的集总组件低滤波器的第四实施例的示意图。G101为一底层地电位平板。L101与L102为二电感，C101、C102与C103为三电容，以及Via101、Via102与Via103为三穿透基板而连接不同层的金属连通柱。电感L101与电感L102同为形成在基板的第三层上的八角形螺旋金属带，其中电感L102与电感L101相串联，而一金属连通柱Via101通过此二电感相连接处。电感L101与电感L102的螺旋旋转方向不同，因而使得电感L101与电感L102间的互感LM10为负值。电容C101包含分别形成于该多层基板的第四层上以及第五层上的二金属平板，其中该形成于该第四层上的平板通过金属连通柱Via102电连接于电感L101的一端，以及该形成于该第五层上的平板连接于金属连通柱Via101。如此，则电容C101通过金属连通柱Via101与Via102电并联于电感L101。电容C102包含分别形成于该多层基板的第一层上以及第二层上的二金属平板，其中该形成于该第二层上的平板通过金属连通柱Via103电连接于电感L102的一端，以及该形成于该第一层上的平板通过金属连通柱Via101电连接于电感L102的另一端。如此，则电容C102通过金属连通柱Via101与Via103电并联于电感L102。电容C103则形成于该多层基板的第一层与底层地电位平板G101之间。如同前述的三个本发明的实施例，图10中的电路亦与图4中所示的电路相同，其中电感L101、电感L102、互感LM10、电容C101、电容C102以及电容C103分别相对应于图4中的电感L41、电感L42、互感LM4、电容C41、电容C42以及电容C43；而图10所描述的本发明的滤波器电路的频率响应亦可如图5中的曲线S214。图10所示的实施例与前述三个实施例最大的不同在于电感L101和电感L102形成于多层基板的同一层上，因此电感L101和电感L102间的互感LM10的值，可经由调整电感L101和电感L102的螺旋金属带宽与间距，以使得互感LM10的值被调整至一经妥当设计的负值。与其它实施例相比，图10所示的本发明的低通滤波器电路所需使用的多层基板的层数较少。

本发明的低通滤波器主动设计并利用两电感间的负互感以增进低通滤波器在阻带的抑制能力。本发明的集总组件低通滤波器以实施于一多层陶瓷基板上为最佳，例如一低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)基板，由于立体结构而缩减了电路所占据的面积。对以上所举的各实施例中的电路来说，其所采用的电感的形状可为矩形螺旋，圆形螺旋或八角形螺旋。这些电感可形成于立体结构的不只一层之上，以得较大的电感值或为方便控制存在其间的负互感的值。同样地，电路所包含的各电容也可利用立体结构的任意数层来形成，以在较小的面积上获得较大的电容值。本发明的集总组件低通滤波器经实验证明，在阻带上具有较传统椭圆式低通滤波器更为优异的抑制能力，且本发明的集总组件低通滤波器不需外加额外的电路组件或提高滤波器的阶数即可改善阻带的抑制能力。此外，相较于同样阶数的传统椭圆式低通滤波器，本发明的集总组件低通滤波器在通带边缘亦具有较佳的滚落率(roll-off rate)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明的权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种形成在多层基板上的集总组件低通滤波器，其包含：

一第一电感；

一第二电感，以其一端电串联于该第一电感，其中该第一电感与该第二电感的形状为螺旋形，以及该第一电感与该第二电感的螺旋旋转方向相反，因而使得该第一电感与该第二电感间的互感为负值并等于一第一预定值；

一第一电容，电并联于该第一电感；

一第二电容，电并联于该第二电感；以及

一第三电容，其第一端电连接于地电位以及该第三电容的第二端电连接于该第二电感用以连接该第一电感的一端，

其中该第一电感形成于该多层基板的一第四层上，该第二电感形成于该多层基板的一第三层上且该第二电感通过穿透该基板的一第一金属连通柱电串联于该第一电感，该第一电容包含分别形成于该多层基板的一第五层上以及一第六层上的二平板，其中该形成于该第六层上的平板通过穿透该基板的一第二金属连通柱电连接于该第一电感，以及该形成于该第五层上的平板电连接于该第一金属连通柱，该第二电容包含分别形成于该多层基板的一第一层上以及一第二层上的二平板，其中该形成于该第二层上的平板电通过穿透该基板的一第三金属连通柱电连接于该第二电感，以及该形成于该第一层上的平板电连接于该第一金属连通柱，以及该第三电容由该第一层以及该多层基板的一地电位层构成，其中该第一层紧临于该地电位层。

2.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中该第三电容包含二互相并联的电容，该二互相并联的电容中的每一电容均形成于该多层基板的至少一层之上。

3.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中该多层基板为一低温共烧陶瓷基板。

4.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中该第一电感与该第二电感的形状为矩形螺旋，圆形螺旋，或八角形螺旋。

5.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中该第一预定值根据一预定的频率响应特性以及该第一电感、该第二电感、该第一电容、该第二电容与该第三电容的值来设计。

6.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中该第一预定值根据该第一电感与该第二电感的形状以及该第一电感与该第二电感间的距离来设计，使得该第一电感与该第二电感间的互感等于该第一预定值。

7.如权利要求1所述的集总组件低通滤波器，其中至少一电感形成于该多层基板的多层上。

8.如权利要求1所述的集总组件滤波器，其中至少一电容包含形成于该多层基板的多层上的多个平板。

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