CN101950834B - 微型WiFi带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型WiFi带通滤波器，适用于各种手持终端通信系统中，包括蓝牙系统和无线局域网(WLAN)系统，其采用LTCC技术，利用特殊的结构设计，将微型WiFi带通滤波器的尺寸降到最小。本发明利用低温共烧技术实现的微型带通滤波器，可以实现带内低插损，带外高抑制，特别是对镜像频率抑制高的特点，还有高品质因数，高稳定性，适合于大规模的生产，成本低等优点，另外还为电子产品的小型化提供了前提。
Description
技术领域
本发明公开一种微型WiFi带通滤波器，适用于各种手持终端通信系统中，包括蓝牙系统和无线局域网(WLAN)系统。
背景技术
在无线通信系统中，支持IEEE802.11b/g的无线局域网技术得到广泛的应用，速度达到54Mbp/s；为了适应这种高速传输系统，无线局域网技术对系统性能要求比较高，也就要求作为重要元件的带通滤波器性能指标高，使它能够抑制工作频率范围以外的谐波信号，而工作频率范围内的信号损耗小。带通滤波器元件的小型化是无线通信系统不可阻挡的趋势，目前的微型WiFi带通滤波器的尺寸较大，越来越不能满足人们的需求。
发明内容
针对上述提到的现有技术中的微型WiFi带通滤波器的尺寸较大的缺点，本发明采用LTCC技术，利用特殊的结构设计，将微型WiFi带通滤波器的尺寸降到最小。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种微型WiFi带通滤波器，滤波器包括基体、设置在基体外的接地端头、第一输入/输出端头、第二输入/输出端头和设置在基体内的电路层，各电路层平行设置，电路层依次包括：
第一层包括两个相互连接的螺旋状金属平面导电体，即：第一螺旋状金属平面导电体和第二螺旋状金属平面导电体，两个螺旋状金属平面导电体的连接处与接地端头连接；
第二层包括第一输入/输出端口、第二输入/输出端口和相互连接的第一跨接电容基片、第二跨接电容基片，第一输入/输出端口和第二输入/输出端口分别与第一输入/输出端头和第二输入/输出端头连接；
第三层包括第一接地电容基片和第二接地电容基片，第一接地电容基片通过第一连接金属导电柱与第一层的第一螺旋状金属平面导电体中心点电连接，第二接地电容基片，通过第二连接金属导电柱，与第一层的第二螺旋状金属平面导电体中心点电连接，第一连接金属导电柱和第二连接金属导电柱均与第二层电绝缘，第一接地电容基片与第二层的第一输入/输出端口形成输入/输出耦合电容，第二接地电容基片与第二层的第二输入/输出端口形成输入/输出耦合电容，第一接地电容基片和第二接地电容基片与第一跨接电容基片和第二跨接电容基片构成交叉电容；
第四层为一个长方形第一接地基片，第一接地基片与接地端头电连接，第一接地基片，分别与第一接地电容基片，和第二接地电容基片，形成接地电容；
第五层为一个长方形第三接地电容基片，第三接地电容基片与第一输入/输出端头电连接，第三接地电容基片与第一接地基片形成接地电容；
第六层为一个螺旋状的第三螺旋状金属平面导体，第三螺旋状金属平面导体外侧一端与第一输入/输出端头电连接；
第七层为一个长方形的第二接地基片，第三螺旋状金属平面导体的中心点通过第三接地金属导体柱与第二接地基片电连接，第三螺旋状金属平面导体与第三接地电容基片和第二接地基片形成的接地电容构成接地的谐振器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
所述的接地端头设有两个，两个接地端头在基体外侧对称分布。
所述的接地端头在基体的上表面和下表面留有突出部分。
所述的第七层中的第二接地基片与第四层中的第一接地基片形状相同。
所述的基体外侧设有标示点。
本发明的有益效果是：本发明利用低温共烧技术实现的微型带通滤波器，可以实现带内低插损，带外高抑制，特别是对镜像频率抑制高的特点，还有高品质因数，高稳定性，适合于大规模的生产，成本低等优点，另外还为电子产品的小型化提供了前提。本发明以LTCC技术作为重要的支持，可以使微型带通滤波器的尺寸一路缩小，从之前LTCC带通滤波器3225尺寸（3.2mm *2.5mm）到后来的3216尺寸（3.2mm*1.6mm），再到2012尺寸（2.0mm*1.2mm），甚至可以达到1608尺寸（1.6mm*0.8mm），而且还能保持性能不受影响。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明微型带通滤波器外观结构示意图。
图2为本发明微型带通滤波器内部结构立体示意图。
图3为本发明微型带通滤波器等效电路示意图。
图4为本发明微型带通滤波器第一层电路层平面结构示意图。
图5为本发明微型带通滤波器第二层电路层平面结构示意图。
图6为本发明微型带通滤波器第三层电路层平面结构示意图。
图7为本发明微型带通滤波器第四层电路层平面结构示意图。
图8为本发明微型带通滤波器第五层电路层平面结构示意图。
图9为本发明微型带通滤波器第六层电路层平面结构示意图。
图10为本发明微型带通滤波器第七层电路层平面结构示意图。
图11为本发明微型带通滤波器的散射参数（S-Parameters）曲线图。
图中，1-第一螺旋状金属平面导电体，2-第二螺旋状金属平面导电体，3-第一连接金属导电柱，4-第二连接金属导电柱，5-第一跨接电容基片，6-第二跨接电容基片，7-第一输入/输出端口，8-第二输入/输出端口，9-第一接地电容基片，10-第二接地电容基片，11-第三接地电容基片，12-第三螺旋状金属平面导体，13-第一接地基片，14-第三接地金属导体柱，15-第一输入/输出端头，16-第二输入/输出端头，17-第一接地端头，18-第二接地端头，19-标示点，20-基体，21-第二接地基片。
具体实施方式
本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
低温陶瓷共烧技术（即LTCC）是指在温度低于1000℃的条件下，可以采用高导电率的金、银、铜等金属作为导电介质，将所有的电路层叠在一起进行一次性烧结，形成电器元件。这样做不但可以节省时间，降低成本，而且电介质不易氧化，不需要电镀保护，大幅度的减小了电路的尺寸。低温陶瓷共烧技术（LTCC）制成的带通滤波器结构多是基于LC低通滤波器电路设计来实现的，这是因为LTCC无源器件尺寸很小（1mm～5mm），而且所用介质材料的相对介电常数比较高（介电常数通常可以达到7～15），所以在设计工作频率低于3 GHz的LTCC无源滤波器时，主要考虑的是电感L和电容C的实现问题。本发明中电容是采用“金属-绝缘体-金属”的形式，也可以利用边缘电容耦合来实现电容，特别是交指形电容。大电感一般由线圈构成，可以是平面螺旋线圈，也可以是层叠型线圈，又或者是蛇形线（Meander-line）。
请参看附图1，本发明主要包括长方体形的基体20，基体20为高介电常数的陶瓷材料，在基体20左右两端设置有第一输入/输出端头15（等效于电路中的第一输入/输出端P1）和第二输入/输出端头16（等效于电路中的第二输入/输出端P2），在基体20前后两侧设有第一接地端头17和第二接地端头18，本实施例中，第一输入/输出端头15和第二输入/输出端头16都是采用导电浆料浸沾以及进行电镀上锡形成，第一接地端头17和第二接地端头18是采用导电浆料印刷以及进行电镀上锡形成。本发明中的标示点19（即Mark点）采用特殊颜色的釉料印刷并与基体一起共烧成型形成的，其是为了识别产品结构的底面和正面。本实施例中，为了保证产品接地焊接性，第一接地端头17和第二接地端头18必须在基体的上表面和下表面留有突出部分。基体20内部设有电路层，形成如附图3所示的等效电路，请参看附图3，本发明的等效电路中，两端均可以作为输入端，也均可以作为输出端，即第一输入/输出端P1和第二输入/输出端P2，第一输入/输出端P1上连接有电容CC1，第二输入/输出端P2上连接有电容CC2，电容CC1和电容CC2是输入/输出耦合电容，影响此款滤波器的回波损耗电容，起了匹配的作用，电容CC1和电容CC2之间串接有电容C12，电容C12是交叉耦合电容，电容C12的大小决定两个带外传输零点的位置。第一输入/输出端P1与地之间串接有电容C3，与电容C3并联连接有螺旋传输线SL3，电容C3和螺旋传输线SL3并联构成的接地谐振器枝节，引入了一个零点，增大带通滤波器的带外抑制。电容CC1与地之间串接有电容C1，与电容C1并联连接有微带传输线SL1；电容CC2与地之间串接有电容C2，与电容C2并联连接有微带传输线SL2。电容C1和电容C2是两个接地电容，电容C1和电容C2是决定此款滤波器中心频率的决定因素。
请参看附图2，本发明内部共设有七层电路结构：
请结合参看附图4，第一层包括第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2，等效于附图3中的微带传输线SL1和微带传输线SL2，第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2之间的空间电磁耦合等效于微带传输线SL1和微带传输线SL2之间的耦合M。第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2对称分布并相互连接，其连接处与第一接地端头17连接，即接地。第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2形成了两个相互的平面电磁耦合，第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2的圈数和匝数直接决定了这个微型带通滤波器的中心频率，第一螺旋状金属平面导电体1和第二螺旋状金属平面导电体2的耦合是形成带通滤波器的关键，决定着通带内的插入损耗。但空间电磁耦合太大，会导致带通滤波器的过耦合；空间电磁耦合太小，也可导致带通滤波器的欠耦合，其具体的圈数和匝数可根据实际需要通过实验得出。
请结合参看附图5，第二层包括第一跨接电容基片5、第二跨接电容基片6、第一输入/输出端口7和第二输入/输出端口8，第一跨接电容基片5和第二跨接电容基片6相互连接形成两个电容串联构成了微型带通滤波器的跨接电容，第一输入/输出端口7和第二输入/输出端口8分别与第一输入/输出端头15和第二输入/输出端头16连接。
请结合参看附图6，第三层包括第一接地电容基片9和第二接地电容基片10，第一接地电容基片9通过第一连接金属导电柱3与第一层的第一螺旋状金属平面导电体1中心点电连接；第二接地电容基片10通过第二连接金属导电柱4与第一层的第二螺旋状金属平面导电体2中心点电连接，其中，第一连接金属导电柱3和第二连接金属导电柱4均与第二层电绝缘。第一接地电容基片9与第二层的第一输入/输出端口7形成输入/输出耦合电容，等效于附图3中的电容CC1，第二接地电容基片10与第二层的第二输入/输出端口8形成输入/输出耦合电容，等效于附图3中的电容CC2，两个输入/输出耦合电容起到与外电路进行匹配作用。第一接地电容基片9和第二接地电容基片10与第一跨接电容基片5和第二跨接电容基片6构成交叉电容，等效于附图3中电容C12。
请结合参看附图7，第四层为一个长方形第一接地基片13，第一接地基片13分别与第一接地端头17和第二接地端头18电连接。第一接地基片13分别与第一接地电容基片9和第二接地电容基片10形成接地电容，分别等效于附图3中的电容C1和电容C2。第一接地基片13前后两端的两个矩形突出端13a与13b连接第一接地端头17和第二接地端头18，并给LTCC带通滤波器提供一个参考平面，它是利用精密的丝网印刷技术印制在陶瓷介质基板20上。
请结合参看附图8，第五层为一个长方形第三接地电容基片11，第三接地电容基片11的矩形的突出端11a与第一输入/输出端头15电连接，第三接地电容基片11与第一接地基片13形成接地电容。
请结合参看附图9，第六层为一个螺旋状的第三螺旋状金属平面导体12，第三螺旋状金属平面导体12外侧一端与第一输入/输出端头15电连接。等效于附图3中的螺旋传输线SL3。
请结合参看附图10，第七层形状与第四层相同，为第二接地基片21，第三螺旋状金属平面导体12的中心点通过第三接地金属导体柱14与第二接地基片21电连接，形成接地，第三螺旋状金属平面导体12与第三接地电容基片11和第二接地基片21形成的接地电容(等效于附图3中的电容C3)构成接地的谐振器。
请参看附图11，附图11是本发明的散射参数（S-Parameters）曲线，包括回波损耗曲线（S11）和插入损耗曲线（S12）。从图11中可以看出，带外有三个传输零点，增加了滤波器的带外抑制，提高了滤波器的性能。
本发明可通过调节各个电容基片的长和宽来调整电容的大小，两个平面电感为本发明耦合能量的主体，决定了滤波器的中心工作频率。
本发明可取代传统滤波器而广泛应用于通信等领域。
本发明利用低温共烧技术实现的微型带通滤波器，可以实现带内低插损，带外高抑制，特别是对镜像频率抑制高的特点，还有高品质因数，高稳定性，适合于大规模的生产，成本低等优点，另外还为电子产品的小型化提供了前提。
Claims (5)
1.一种微型WiFi带通滤波器，其特征是：所述的带通滤波器利用低温共烧LTCC技术实现，滤波器包括基体、设置在基体外的接地端头、第一输入/输出端头、第二输入/输出端头和设置在基体内的电路层，各电路层平行设置，电路层依次包括：
第一层包括两个相互连接的螺旋状金属平面导电体，即：第一螺旋状金属平面导电体和第二螺旋状金属平面导电体，两个螺旋状金属平面导电体的连接处与接地端头连接；
第二层包括第一输入/输出端口、第二输入/输出端口和相互连接的第一跨接电容基片、第二跨接电容基片，第一输入/输出端口和第二输入/输出端口分别与第一输入/输出端头和第二输入/输出端头连接；
第三层包括第一接地电容基片和第二接地电容基片，第一接地电容基片通过第一连接金属导电柱与第一层的第一螺旋状金属平面导电体中心点电连接，第二接地电容基片，通过第二连接金属导电柱，与第一层的第二螺旋状金属平面导电体中心点电连接，第一连接金属导电柱和第二连接金属导电柱均与第二层电绝缘，第一接地电容基片与第二层的第一输入/输出端口形成输入/输出耦合电容，第二接地电容基片与第二层的第二输入/输出端口形成输入/输出耦合电容，第一接地电容基片和第二接地电容基片与第一跨接电容基片和第二跨接电容基片构成交叉电容；
第四层为一个长方形第一接地基片，第一接地基片与接地端头电连接，第一接地基片，分别与第一接地电容基片，和第二接地电容基片，形成接地电容；
第五层为一个长方形第三接地电容基片，第三接地电容基片与第一输入/输出端头电连接，第三接地电容基片与第一接地基片形成接地电容；
第六层为一个螺旋状的第三螺旋状金属平面导体，第三螺旋状金属平面导体外侧一端与第一输入/输出端头电连接；
第七层为一个长方形的第二接地基片，第三螺旋状金属平面导体的中心点通过第三接地金属导体柱与第二接地基片电连接，第三螺旋状金属平面导体与第三接地电容基片和第二接地基片形成的接地电容构成接地的谐振器。
2.根据权利要求1所述的微型WiFi带通滤波器，其特征是：所述的接地端头设有两个，两个接地端头在基体外侧对称分布。
3.根据权利要求1所述的微型WiFi带通滤波器，其特征是：所述的接地端头在基体的上表面和下表面留有突出部分。
4.根据权利要求1所述的微型WiFi带通滤波器，其特征是：所述的第七层中的第二接地基片与第四层中的第一接地基片形状相同。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的微型WiFi带通滤波器，其特征是：所述的基体外侧设有标示点。
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