CN102856621A

CN102856621A - 一种ltcc宽带功分器

Info

Publication number: CN102856621A
Application number: CN2012103572198A
Authority: CN
Inventors: 汪杰; 黄勇; 张慧景; 王啸; 薛峻
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种宽带LTCC功分器，由两级阻抗变换器串联形成，每级阻抗变换器由集总参数元件构成的电抗网络构成，并通过LTCC多层结构实现这些元件。两级阻抗变换器采用垂直串联结构。第一级阻抗变换器元件在LTCC介质的第2层到第9层；第二级阻抗变换器元件在LTCC介质的第11层到第18层。第一级阻抗变换器末端的隔离电阻在LTCC介质的第10层，通过印刷电阻浆料实现；第二级阻抗变换器末端的隔离电阻在LTCC介质的第19层，通过印刷电阻浆料实现。两级阻抗变换器通过第9层和第11层的金属地相隔离。该功分器具有体积小、成本低、带宽宽、隔离度高、温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

Description

一种LTCC宽带功分器

技术领域

本发明属于电子技术领域，它涉及一种功分器，并具体涉及一种考虑封装结构的低温共烧陶瓷(LTCC)功分器。

背景技术

功分器是射频电路中一个重要的三端口无源器件，它的主要功能是实现输入信号的等功率等相位分配，或者相反实现两个输入信号的等功率等相位合成。一个好的功分器要求工作频带比较宽，插入损耗小，两路信号的幅度和相位一致性好，以及两路信号之间的隔离度高。另外功分器的体积尽可能小也是电子系统向小型化、轻量化发展的需要。

传统的功分器一般采用Wilkinson功分器形式，通过四分之一波长的阻抗线实现阻抗匹配，阻抗线的实现采用平面结构，占用的面积比较大，不能满足射频电路对小型化的要求。另外为了实现功分器的高隔离度，两个输出端之间还需要焊接一个隔离电阻。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于采用两级Wilkinson功分器原理电路提供一种基于LTCC技术并且考虑封装结构的宽带功分器。

本功分器采用两级阻抗变换器实现宽带功分器。阻抗变换器一般采用四分之一波长的微波传输线来实现，为了减小功分器的体积，四分之一波长的微波传输线可以用集总参数的电抗网络来等效，并通过LTCC多层结构来实现集总参数电抗网络。集总参数电感采用垂直结构的螺旋电感，不同层之间的导体通过通孔实现互连。集总参数的电容采用垂直交指电容结构，这样实现可以显著地减小功分器的尺寸。两级阻抗变换器之间采用垂直连接结构，其中第一级阻抗变换器在下面，第二级阻抗变换器在上面，两级阻抗变换器之间通过地层金属进行隔离，可以减小两个阻抗变换器之间的耦合，同时显著地减小了功分器的尺寸。两级阻抗变换器中的隔离电阻采用印刷电阻浆料的工艺来实现，提高了功分器的集成度和可靠性。

此外，考虑到功分器的使用，把功分器内部的多层地线通过侧面的导体连接起来，并和功分器的底面接地焊盘相连接，功分器的输入输出端也通过侧面的导体以及功分器的底面焊盘相连，形成一个独石结构。

本发明采用的技术方案是：

一种宽带LTCC功分器，包括了一个输入端和两个输出端，该功分器由两级阻抗变换器串联构成；两级阻抗变换器采用垂直串联结构，可以显著地缩减体积；每一级阻抗变换器由集总参数元件构成的电抗网络实现；

集总参数电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结等工艺形成电路；

所述输入端信号通过第一级阻抗变换器中的T型结分成两路信号，每一路信号均通过一电容和一电感构成的第一级电抗网络进行阻抗变换，第一路信号通过电容C11_1、电感L11构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；第二路信号通过电容C12_1、电感L12构成的电抗网络，实现阻抗变换功能。这两路信号通过两个第一级电抗网络末端相连的第一隔离电阻R1实现隔离；

第一级阻抗变换器的两路输出信号通过通孔连接到第二级阻抗变换器，并且分别由第二级阻抗变换器中的由电容和电容构成的两个第二级电抗网络进行阻抗变换，第一路信号通过电容C21_1、电感L21、电容C21_2构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；第二路信号通过电容C22_1、电感L22、电容C22_2构成的电抗网络，实现阻抗变换功能。进入第二级阻抗变换器的这两路信号通过两个第二级电抗网络末端相连的第二隔离电阻R2实现隔离；

经过第二级阻抗变换器后的两路信号分别通过导体连接线和LTCC多层生瓷侧面的输出端电极相连，输出两路幅度和相位相等的信号。

进一步地， LTCC宽带功分器包括多层LTCC生瓷材料的介质基板，介质基板共20层，分别为第1至第20层介质基板，每层厚度为0.1mm；每层介质基板的上表面相应地设有一层金属层，分别为第1至第20层金属层。其中，在介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。

进一步地，各级电抗网络中的电感L11、L12、L21、L22采用多层螺旋电感，由位于不同LTCC层上的金属导体用通孔实现互连。

进一步地，各级电抗网络中的电容C11_1、C12_1、C21_1、C21_2、C22_1、C22_2通过不同LTCC层的金属导体形成的极板实现。

进一步地，所述的第一隔离电阻R1印刷在第10层介质基板的上表面，该电阻两端的导体分别和两个第一级电抗网络的末端相连。

进一步地，所述的第二隔离电阻R2印刷在第20层基板介质的上表面，该电阻两端的导体分别和两个第二级电抗网络的末端相连。

进一步地，所述第2、9、11、18层金属层为金属地面，并且这四层金属地面通过侧面的矩形导体连接在一起；第2、9层金属地为第一级阻抗变换器的地；第11、18层金属地为第二级阻抗变换器的地。

进一步地，所述第1层金属层为所述输入端信号线，与输入端焊盘相连；该信号线通过通孔连接到第6层金属层形成的T型结，把信号分成左右两路。

进一步地，所述的第3层金属层分别形成所述第一级电抗网络中的电容C11_1、C12_1的一个极板，电容C11_1、C12_1的另外一个极板是第2层金属地面。

进一步地，所述第12层金属导体分别形成所述第二级电抗网络中的两个电容C21_1、C22_1的一个板极，该两个电容C21_1、C22_1另外一个极板是所述的第11层金属地。

进一步地，所述第17层金属导体分别形成所述第二级电抗网络中的另外两个电容C21_2、C22_2的一个板极，该两个电容C21_2、C22_2另外一个极板是所述的第18层金属地。

进一步地，所述第4、5、7、8金属层分别构成两个第一级电抗网络中的垂直螺旋电感L11、L12，从左到右依次为L11、L12；所述第13、14、15、16金属层分别构成两个第二级电抗网络中的垂直螺旋电感L21、L22，从左到右依次为L21、L22。

进一步地，所述第4、5、7、8层金属层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层金属层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将相相邻两层微带线连接在一起；其中左边的螺旋线为电感L11，右边的螺旋线为电感L12，这两个电感的始端都在第4层上，并和设置于第6层上的T型结通过通孔相连，两个电感的终端在第8层上，并通过通孔和设置在第10层的第一隔离电阻R1相连。

进一步地，所述第13、14、15、16层金属层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将相邻两层微带线连接在一起；其中左边的螺旋线为电感L21，右边的螺旋线为电感L22，这两个电感的始端都在第13层上，并和设置在第10层的上的第一隔离电阻R1通过通孔相连，两个电感的终端在第16层上，并通过通孔和设置在第20层的第二隔离电阻R2相连。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供的考虑封装结构的LTCC宽带功分器具有体积小、插入损耗小、隔离度高、温度稳定性好、方便使用等优点，可以进行贴片，便于和其他微波元件集成。而且本发明功分器是基于LTCC工艺的，制造成本低，有利于批量生产。该功分器可广泛应用于无线通信领域。

附图说明

图1是本发明的LTCC宽带功分器的原型电路图；

图2是本发明的LTCC宽带功分器的等效集总参数电路图；

图3是本发明的LTCC宽带功分器的结构示意图；

图4是本发明的LTCC宽带功分器的封装示意图；

图5－图7是本发明的LTCC宽带功分器的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明进行详细的描述。

图1是两级Wilkinson宽带功分器的原型电路图。图中两段阻抗变换器的长度都是四分之一波长λ的传输线，传输线的特征阻抗分别为Z1，Z2。图2是用集总参数的电抗网络来等效图1中的两段四分之一波长的传输线。本发明的目的就是用LTCC工艺在尽可能小的体积范围内实现图2中的所有电容C11_1、C11_2、C12_1、C12_2、C21_1、C21_2、C22_1、C22_2、电感L11、L12、L21、L22以及电阻R1、R2元件。

图3所示是采用LTCC实现图2中所有集总参数元件的三维结构图。图中共20层介质层，为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离，图中侧面以及底面的焊盘未示出。本发明功分器的实际尺寸和封装结构图如图4所示。

图3中，第1层金属位于第1层介质基板1的上表面，第2层金属位于第2层介质2的上表面，依次类推，第20层金属位于第20层介质基板20的上表面。第1层到第20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1的下表面。所有的介质基板都是相同型号的LTCC陶瓷材料。

第2、9、11、18金属导体层为地层，并且这四层金属地通过侧面的金属和底面的接地焊盘相连。第1层金属层通过通孔和底面的输入端焊盘相连，用于导入信号。第3层左边金属导体为接地电容C11_1的一个极，右边金属为接地电容C12_1的一个极，这两个电容的另外一个极是第2层的金属地。第4、5、7、8金属导体构成垂直螺旋电感，左边为电感L11，右边为电感L12。由于电感L11、L12本身的寄生电容效应，C11_2和C12_2不需要专门设计。第6层金属导体是一个T型结，和第1层的导体相连，用于把输入信号分成两路信号。第10层上金属用于连接第一个隔离电阻R1，并且分别和电感L11，L12通过通孔相连。隔离电阻R1印刷在第10层上。第12层上左边金属是电容C21_1的一个极，该电容的另外一个极是第11层的金属地；第12层上右边金属是电容C22_1的一个极，该电容的另外一个极是第11层的金属地。第17层上左边金属是电容C21_2的一个极，该电容的另外一个极是第18层的金属地；第17层上右边金属是电容C22_2的一个极，该电容的另外一个极是第18层的金属地。第20层上金属用于连接第二个隔离电阻R2，并且分别和电感L21，L22通过通孔相连。隔离电阻R2印刷在第20层上。第19层上左边金属的一端通过通孔和L21相连，另一端通过通孔和底面的一个信号输出端焊盘相连；第19层上右边金属的一端通过通孔和L22相连，另一端通过通孔和底面的另一个信号输出端焊盘相连。

第2层上金属地上开了三个直径为0.56mm的过孔，便于直径为0.15mm的通孔通过；第9、11、18上金属地上分别开了四个直径为0.56mm的过孔，便于直径为0.15mm的通孔通过。为了避免金属第2、9、11、18层上的金属地和侧面输入输出端导体电极短路，这四层金属地的相应位置都剪掉了 0.12mm×1.3mm面积的矩形块。

第3层的电容板极是圆形金属层，该板极和金属通孔相连；第12、17层的电容板极是矩形金属层，这些板极和金属通孔相连。

第3、4、7、8层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成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；左边的螺旋线为电感L11，右边的螺旋线为电感L12，这两个电感的始端都在第4层，并和第6层的T型结通过通孔相连，两个电感的终端在第8层，并通过通孔和第10层的隔离电阻R1相连。

第13、14、15、16层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成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；左边的螺旋线为电感L21，右边的螺旋线为电感L22，这两个电感的始端都在第13层，并和第10层的隔离电阻R1通过通孔相连，两个电感的终端在第16层，并通过通孔和第20层的隔离电阻R2相连。

所有金属通孔的直径为0.15mm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连，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0.25mm的圆形金属。

第3层电容C11_1板极和电感L11的始端通过通孔相连；第3层电容C12_1板极和电感L12的始端通过通孔相连；第12层电容C21_1板极和电感L21的始端通过通孔相连；第12层电容C22_1板极和电感L22的始端通过通孔相连；第17层电容C21_2板极和电感L21的终端通过通孔相连；第17层电容C22_2板极和电感L22的终端通过通孔相连。

本发明LTCC宽带功分器的整体封装结构示意图如图4所示，包括了一个位于底面的输入端IN和两个输出端OUT, 信号输入和输出通过侧面导体实现，在介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体GN；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。整个器件尺寸为3.81mm×3.81mm×2.0mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.8，每层介质的厚度为0.1mm，金属导体采用银。

本发明LTCC宽带功分器的测试结果如图5－图7所示。

该功分器的工作频率为700MHz～1200MHz，相对带宽为53%，插入损耗小于4.2dB(包含了功分器固有的3.0dB损耗)，相位不平衡度小于3^o，幅度不平衡度小于0.2dB，隔离度大于20dB。

综上，本发明提供的考虑封装结构的LTCC宽带功分器具有体积小、插入损耗小、隔离度高的优点，可以进行贴片，便于和其他微波元件集成。而且本发明功分器是基于LTCC工艺的，制造成本低，适合批量生产。该功分器可广泛应用于无线通信领域。

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。

Claims

1. 一种宽带LTCC功分器，包括了一个输入端和两个输出端，其特征在于，该功分器由两级阻抗变换器串联构成，两级阻抗变换器采用垂直串联结构，每一级阻抗变换器由集总参数元件构成的电抗网络实现；

集总参数电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结工艺形成电路；

所述输入端信号通过第一级阻抗变换器中的T型结分成两路信号，每一路信号均通过一电容和一电感构成的第一级电抗网络进行阻抗变换，这两路信号通过两个第一级电抗网络末端相连的第一隔离电阻隔离；

第一级阻抗变换器的两路输出信号分别通过通孔连接到第二级阻抗变换器，并且分别由第二级阻抗变换器中的由电容和电容构成的两个第二级电抗网络进行阻抗变换，进入第二级阻抗变换器的这两路信号通过两个第二级电抗网络末端相连的第二隔离电阻隔离；

2.根据权利要求1所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，包括多层LTCC生瓷材料的介质基板，介质基板共20层，分别为第1至第20层介质基板，每层介质基板的上表面相应地设有一层金属层，分别为第1至第20层金属层；其中，在介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。

3.根据权利要求1所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，各级电抗网络中的电感采用多层螺旋电感，由位于不同LTCC层上的金属导体通过通孔互连。

4.根据权利要求1所述的LTCC 宽带功分器，其特征在于，各级电抗网络中的电容通过不同LTCC层的金属导体形成的极板实现。

5.根据权利要求2所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述的第一隔离电阻印刷在第10层介质基板的上表面，该电阻的两端分别和两个第一级电抗网络的末端相连。

6.根据权利要求2所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述的第二隔离电阻印刷在第20层基板介质的上表面，该电阻的两端分别和两个第二级电抗网络的末端相连。

7.根据权利要求2所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第2、9、11、18层金属层为金属地，并且这四层金属地通过侧面的矩形导体连接在一起；第2、9层金属地为第一级阻抗变换器的地；第11、18层金属地为第二级阻抗变换器的地。

8.根据权利要求2所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第1层金属层为所述输入端信号线，与输入端焊盘相连；该信号线通过通孔连接到第6层金属层形成的T型结，把信号分成左右两路。

9.根据权利要求7所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第3层金属层分别形成所述第一级电抗网络中的电容的一个极板，该电容的另外一个极板是所述的第2层金属地。

10.根据权利要求7所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第12层金属层分别形成所述第二级电抗网络中的两个电容的一个板极，该两个电容另外一个极板是所述的第11层金属地。

11.根据权利要求7所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第17层金属层分别形成所述第二级电抗网络中的另外两个电容的一个板极，该两个电容另外一个极板是所述的第18层金属地。

12.根据权利要求2所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述第4、5、7、8层金属层分别构成两个第一级电抗网络中的垂直螺旋电感；所述第13、14、15、16层金属层分别构成两个第二级电抗网络中的垂直螺旋电感。

13.根据权利要求12所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述的由第4、5、7、8层金属层构成的垂直螺旋电感，每一层金属层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成的3/4矩形，并通过垂直通孔将相邻的两层微带线连接在一起；两个电感的始端都在第4层上，并分别和设置于第6层上的T型结通过通孔相连，两个电感的终端在第8层上，并通过通孔和设置在第10层上的第一隔离电阻相连。

14.根据权利要求12所述的LTCC宽带功分器，其特征在于，所述的由第13、14、15、16层金属层构成的垂直螺旋电感，每一层金属层都是由宽度为0.12mm的微带线绕成的3/4矩形，并通过垂直通孔将相邻两层微带线连接在一起；两个电感的始端都在第13层上，并分别通过通孔与设置于第10层上的第一隔离电阻相连，两个电感的终端设置在第16层上，并通过通孔与设置在第20层的第二隔离电阻相连。