CN103138703B - 一种叠层高通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叠层高通滤波器，包括滤波器输入端、滤波器输出端、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容和第三电容，滤波器输入端分别与第一电感的输入端和第一电容的上极板连接；第一电容的下极板与第二电容的上极板连接，并与第二电感的输入端通过垂直通孔连接；第二电容的下极板与第三电容的下极板连接，并与第三电感的输入端通过垂直通孔连接；第三电容的上极板和滤波器输出端连接；第四电感，输入端与滤波器输出端连接，输出端与接地端连接；第一电感的值和第四电感的值相等，第二电感的值和第三电感的值相等，第一电容的值和第二电容的值相等。本发明能够在提高品质因数的同时显著减小滤波器尺寸。

Description

一种叠层高通滤波器

技术领域

本发明涉及一种叠层高通滤波器，尤其涉及一种基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺的叠层高通滤波器。

背景技术

高通滤波器广泛应用于通讯、雷达、电子对抗等信息领域中，是必不可少的重要元件之一。移动通信和便携式终端设备正在朝着小型化、轻型化、高可靠性和低成本方向发展，这对微波元器件也提出了更高的要求。

在微波电路的设计中，传统的高通滤波器只能采用平面工艺，电感的设计是比较容易的，而难点在于串联电容的设计。要想实现宽带高通特性，串联耦合量应该足够大，如果用传统的平面工艺实现比较大的电容，则两个极板中间的间隙必须足够小，而太小的间隙加工难度又太大，因此传统的平面工艺不能实现面积很小的高通滤波器。

为了满足通讯设备、器件小型化的要求，最初的努力只是寻找高介电常数、高品质因数和低频率温度系数的微波介质材料，来减少谐振器的尺寸，从而获得尺寸较小的单个微波器件。但仅仅依靠传统的厚膜、薄膜和高温共烧陶瓷(HTCC)工艺技术仍然没有找到一种有效减小器件尺寸的设计方法。

发明内容

本发明的主要目的在于是提供一种叠层高通滤波器，能够在提高品质因数的同时显著减小滤波器尺寸。

为了达到上述目的，本发明提供了一种叠层高通滤波器，包括滤波器输入端和滤波器输出端，其特征在于，所述叠层高通滤波器还包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容和第三电容，其中，

所述滤波器输入端分别与所述第一电感的输入端和所述第一电容的上极板连接；

所述第一电容的下极板，与所述第二电容的上极板连接，并与所述第二电感的输入端通过垂直通孔连接；

所述第一电感的输出端和所述第二电感的输出端分别与接地端连接；

所述第二电容的下极板，与所述第三电容的下极板连接，并与所述第三电感的输入端通过垂直通孔连接；

所述第三电感的输出端与接地端连接；

所述第三电容的上极板和所述滤波器输出端连接；

所述第四电感，输入端与所述滤波器输出端连接，输出端与接地端连接；

所述第一电感的值和第四电感的值相等，所述第二电感的值和所述第三电感的值相等，所述第一电容的值和所述第二电容的值相等。

实施时，所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容是平板MIM电容，所述第一电感和所述第四电感是垂直螺旋电感结构，所述第二电感和所述第三电感是平面螺旋电感。

实施时，本发明所述的叠层高通滤波器还包括由下至上依次排列的19层介质基板，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感、所述第四电感、所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容设置于该19层介质基板上，所述介质基板由LTCC陶瓷制成。

实施时，第三层介质基板上表面、第四层介质基板上表面、第五层介质基板上表面和第六层介质基板上表面分别设置有金属导体层以构成所述第一电感和所述第四电感；

所述第一电感和所述第四电感为垂直螺旋电感；

每一该金属导体层包括左侧金属导体层和右侧金属导体层，相邻的两左侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起，相邻的两右侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起；

所述第一电感的始端位于第六层介质基板上表面的左侧金属导体层最左边；

所述第一电感的终端位于第三层介质基板上表面的左侧金属导体层；

所述第四电感的始端位于第六层介质基板上表面的右侧金属导体层最右边；

所述第四电感的终端位于第三层介质基板上表面的右侧金属导体层。

实施时，所述左侧金属导体层和所述右侧金属导体层都是由宽度为80μm的微带线绕成3/4矩形。

实施时，在第九层介质基板上表面设置有由微带线绕成的第二电感；

在第十层介质基板上表面设置有由微带线绕成的第三电感；

所述第二电感和所述第三电感为平面螺旋电感。

实施时，所述微带线的线宽为80μm。

实施时，第十四层介质基板上表面设置有金属导体层，第十五层介质基板上表面设置有左侧金属导体层和右侧金属导体层，第十六层介质基板上表面设置有金属导体层，以构成所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的极板；

所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容都是平板MIM电容；

第十六层介质基板上表面的金属导体层构成所述第一电容的上极板，第十五层介质基板上表面的左侧金属导体层构成所述第一电容的下极板；

所述第十五层介质基板上表面的左侧金属导体层构成所述第二电容的上极板，第十四层介质基板上表面的金属导体层构成所述第二电容的下极板；

第十四层介质基板上表面的金属导体层构成所述第三电容的下极板；

第十五层介质基板上表面的右侧金属导体层构成所述第三电容的上极板；

所述第一电容的两个极板中间的介质、所述第二电容的两个极板中间的介质，以及第三电容的两个极板中间的介质由LTCC陶瓷基板构成。

实施时，第二层介质基板、第七层介质基板、第八层介质基板、第十一层介质基板、第十二层介质基板、第十三层介质基板、第十七层介质基板和第十八层介质基板的厚度为50μm。

实施时，第一层介质基板到第十三层介质基板的相对介电常数为3.48，而第十四层介质基板到第十九层介质基板的相对介电常数为50。

与现有技术相比，本发明所述的叠层高通滤波器的有益效果是：

本发明是基于LTCC叠层工艺实现的高通滤波器，在实现同等技术指标前提下能够显著的减小器件的尺寸，同时，本发明所述的叠层高通滤波器能有效地减小带内的插入损耗和增加带外的抑制，由于在带外寄生了一个传输零点，因此本发明所述的叠层高通滤波器比传统的切比雪夫高通滤波器的频率截止特性更好，通带到阻带的陡峭度更高；

本发明所述的叠层高通滤波器具有体积小、重量轻、成本低、选频特性好、温度稳定性高等特点，并且可加工成贴片形式，便于与其他微波组件集成，因此拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明所述的叠层高通滤波器的等效电路图；

图2是本发明一实施例所述的叠层高通滤波器的结构示意图；

图3是本发明该实施例所述的LTCC叠层高通滤波器的整体封装结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例对本发明再做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所述的叠层高通滤波器的等效电路图，本发明所述的叠层高通滤波器是7阶切比雪夫高通滤波器，整个等效电路为左右对称结构。

如图1所示，本发明提供了一种叠层高通滤波器，包括滤波器输入端11和滤波器输出端12、第一电感L1、第二电感L3、第三电感L5、第四电感L7、第一电容C2、第二电容C4和第三电容C6，其中，

所述滤波器输入端11分别与所述第一电感L1的输入端和所述第一电容C2的上极板连接；

所述第一电容C2的下极板，与所述第二电容C4的上极板连接，并与所述第二电感L3的输入端通过垂直通孔连接；

所述第一电感L1的输出端和所述第二电感L3的输出端分别与接地端GND连接；

所述第二电容C4的下极板，与所述第三电容C6的下极板连接，并与所述第三电感L5的输入端通过垂直通孔连接；

所述第三电感L5的输出端与接地端GND连接；

所述第三电容C6的上极板和所述滤波器输出端12连接；

所述第四电感L7，输入端与所述滤波器输出端12连接，输出端与接地端GND连接；

所述第一电感L1的值和第四电感L7的值相等，所述第二电感L3的值和所述第三电感L5的值相等，所述第一电容C2的值和所述第二电容C4的值相等。

实施时，所述第一电容C2、所述第二电容C4和所述第三电容C6是平板MIM(金属-介质-金属)电容。

实施时，所述第一电感L1和所述第四电感L7是垂直螺旋电感结构。

实施时，所述第二电感L3和所述第三电感L5是平面螺旋电感。

本发明的一实施例所述的叠层高通滤波器包括19层介质基板，下面对该19层介质基板之间的具体连接方式和三维实现方式描述如下：

在该实施例中，该19层介质基板的排列方式如下：从下至上依次为第一层介质基板、第二层介质基板、第三层介质基板、第四层介质基板、第五层介质基板、第六层介质基板、第七层介质基板、第八层介质基板、第九层介质基板、第十层介质基板、第十一层介质基板、第十二层介质基板、第十三层介质基板、第十四层介质基板、第十五层介质基板、第十六层介质基板、第十七层介质基板、第十八层介质基板、第十九层介质基板。

如图2所示，为了便于说明连接关系，图2中总共画了14层介质基板：第三层介质基板23、第四层介质基板24、第五层介质基板25、第六层介质基板26、第七层介质基板27、第八层介质基板28、第九层介质基板29、第十层介质基板210、第十一层介质基板211、第十二层介质基板212、第十三层介质基板213、第十四层介质基板214、第十五层介质基板215、第十六层介质基板216；第一层介质基板、第二层介质基板、第十七层介质基板、第十八层介质基板和第十九层介质基板没有画出，而且每两层介质基板之间尽量拉开距离。图2并不能代表本发明高通滤波器实际尺寸的比例关系，详细的尺寸比例关系和连接关系如图3所示。

在图2中，在第二层介质基板到第十九层介质基板中，只要存在介质基板上设置有金属导体层，该金属导体层都采用LTCC印刷工艺印制于介质基板的上表面，而最底层的第一层介质基板上如果设置有金属导体层，则该金属导体层设置于所述第一层介质基板的下表面；

所有的介质基板的材料都为LTCC陶瓷。

在该实施例中，通过从上至下依次排列的19层介质基板以构成所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感、所述第四电感、所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容。

在该实施例中，第三层介质基板上表面23、第四层介质基板24上表面、第五层介质基板25上表面和第六层介质基板26上表面分别设置有金属导体层以构成所述第一电感和所述第四电感；

每一该金属导体层包括左侧金属导体层和右侧金属导体层，所述左侧金属导体层和所述右侧金属导体层都是由宽度为80μm的微带线绕成3/4矩形，相邻的两左侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起，相邻的两右侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起；

所述第一电感的始端位于第六层介质基板26上表面的左侧金属导体层最左边；

所述第一电感的终端位于第三层介质基板23上表面的左侧金属导体层；

所述第四电感的始端位于第六层介质基板26上表面的右侧金属导体层最右边；

所述第四电感的终端位于第三层介质基板23上表面的右侧金属导体层。

实施时，在第九层介质基板29上表面设置有由线宽为80μm的微带线绕成的平面螺旋电感，该平面螺旋电感为第二电感；

实施时，在第十层介质基板210上表面设置有由线宽为80μm的微带线绕成的平面螺旋电感，该平面螺旋电感为第三电感；

所述第二电感的值和所述第三电感的值相等。

实施时，第十四层介质基板214上表面设置有金属导体层，第十五层介质基板215上表面设置有左侧金属导体层和右侧金属导体层，第十六层介质基板216上表面设置有金属导体层，以构成所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的极板；

所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容都是平板MIM电容；

第十六层介质基板216上表面的金属导体层构成所述第一电容的上极板，第十五层介质基板215上表面的左侧金属导体层构成所述第一电容的下极板；

所述第十五层介质基板215上表面的左侧金属导体层构成所述第二电容的上极板，第十四层介质基板214上表面的金属导体层构成所述第二电容的下极板；

第十四层介质基板214上表面的金属导体层构成所述第三电容的下极板；

第十五层介质基板215上表面的右侧金属导体层构成所述第三电容的上极板；

所述第一电容的两个极板中间的介质、所述第二电容的两个极板中间的介质，以及第三电容的两个极板中间的介质由LTCC陶瓷基板构成。

在实施例中，第二层介质基板、第七层介质基板、第八层介质基板、第十一层介质基板、第十二层介质基板、第十三层介质基板、第十七层介质基板和第十八层介质基板是厚度为50μm的LTCC陶瓷板，该LTCC陶瓷板上面没有金属层。加入这些没有金属层的陶瓷板的目的是为了减小电感与电容或电感与电感之间的寄生或耦合效应。

在该实施例中，第一层介质基板到第十三层介质基板的相对介电常数为3.48，而第十四层介质基板到第十九层介质基板的相对介电常数为50。

实施时，在第三层介质基板23上表面的金属导体层、第六层介质基板26上表面的金属导体层、第九层介质基板29上表面的金属导体层和第十层介质基板210上表面的金属导体层中，所有与滤波器输入端、滤波器输出端或接地端连接(滤波器输入端、滤波器输出端或接地端在图2中没有显示)的微带线都要在相应层介质基板的靠近侧壁端口的边缘处加一宽度为80μm的垂直于连向端口的微带线的金属线，目的是封装时使得侧壁端口与器件的接触良好。

第十五层介质基板215上表面的左侧金属导体层，为所述第一电容的下极板和所述第二电容的上极板，并且通过垂直通孔与第二电感的中心直接相连；

第十四层介质基板214上表面的金属导体层，为所述第二电容的下极板和所述第三电容的下极板，并且通过垂直通孔与所述第三电感的中心直接连接。

考虑到加工工艺，所有通孔的直径都为125μm，而且每一层的微带线如果要与通孔相连的话，必须在微带线与通孔相连的这一金属导体层的位置加上直径为150μm的金属托盘；该金属托盘的厚度与该金属导体层的厚度一致，都为10μm。

在本发明的实施例中，第一电感和第四电感是垂直螺旋电感，第二电感和第三电感是平面螺旋电感，是因为如果所有的电感全部采用平面螺旋电感，则电感之间的耦合会很大，而且平面螺旋电感占用的面积比较大，为了避免不必要的耦合，所以将第一电感和第四电感用垂直螺旋电感实现。

本发明所述的叠层高通滤波器基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术，采用7阶切比雪夫高通滤波器为原型，并通过LTCC叠层工艺实现等效电路模型。集总电感采用垂直螺旋电感和平面螺旋电感两种，利用通孔实现不同层之间的互连；集总电容采用金属-介质-金属(MIM)结构，这种实现方式能够在提高品质因数的同时显著减小滤波器尺寸。

此外，考虑到串联电容的极板不能太大，接地电感的寄生电容不能太大等因素，本发明所述的叠层高通滤波器采用两种介电常数不同的LTCC陶瓷介质，在整个叠层高通滤波器的上部构成串联电容的介质基板采用高介电常数的陶瓷，在整个叠层高通滤波器的下部构成螺旋电感的介质基板采用低介电常数的陶瓷。

本发明所述的叠层高通滤波器的整体封装结构示意图如图3所示，最左端为滤波器输入端31，最右端为滤波器输出端32，前封装侧壁为接地端33，后封状侧壁为接地端34。根据一种具体实施方式，本发明所述的叠层高通滤波器的尺寸为3.2mm×1.6mm×0.95mm，本发明所述的叠层高通滤波器采用的两种LTCC陶瓷介质的相对介电常数εr不同，介质1的相对介电常数为3.48，介质2的相对介电常数为50，介质1和介质2的损耗角正切tanδ都为0.002，金属导体采用银，如果上面有金属导体的每层陶瓷介质基板的厚度为40μm，每层金属厚度为10μm；如果上面没有金属导体的每层陶瓷介质基板厚度为50μm。

在该实施例中，本发明所述的叠层高通滤波器封装结构为标准1206(3.2mm×1.6mm)封装结构，具有体积小、成本低、选频特性好、温度稳定性高等优点，有利于批量生产。

该叠层高通滤波器的截止频率为900MHz，阻带有1个寄生的传输零点，位于400MHz；通带带宽为2280MHz(900MHz-3180MHz)，通带内插入损耗小于0.9dB；阻带内，在400MHz到610MHz范围内抑制大于30dB，从直流到400MHz范围内抑制大于60dB；通带内驻波比(VSWR)小于1.5，从-3dB点到-30dB点的矩形系数为1.36。

综上所述，本发明提供的基于LTCC工艺的叠层高通滤波器具有体积小、重量轻、选频特性好、可加工成贴片元件形式，便于与其他微波元件集成。而且本发明所述的叠层高通滤波器是基于LTCC工艺，制造成本低，适合批量生产。该高通滤波器可广泛用于各种制式的手机、蓝牙模块、GPS、PDA、数码相机、WLAN、汽车电子等射频无线通讯领域中。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种叠层高通滤波器，包括滤波器输入端和滤波器输出端，其特征在于，所述叠层高通滤波器还包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一电容、第二电容和第三电容，其中，

所述滤波器输入端分别与所述第一电感的输入端和所述第一电容的上极板连接；

所述第一电容的下极板，与所述第二电容的上极板连接，并与所述第二电感的输入端通过垂直通孔连接；

所述第一电感的输出端和所述第二电感的输出端分别与接地端连接；

所述第二电容的下极板，与所述第三电容的下极板连接，并与所述第三电感的输入端通过垂直通孔连接；

所述第三电感的输出端与接地端连接；

所述第三电容的上极板和所述滤波器输出端连接；

所述第四电感，输入端与所述滤波器输出端连接，输出端与接地端连接；

所述第一电感的值和第四电感的值相等，所述第二电感的值和所述第三电感的值相等，所述第一电容的值和所述第二电容的值相等；

所述叠层高通滤波器还包括由下至上依次排列的19层介质基板，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感、所述第四电感、所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容设置于该19层介质基板上；

第三层介质基板上表面、第四层介质基板上表面、第五层介质基板上表面和第六层介质基板上表面分别设置有金属导体层以构成所述第一电感和所述第四电感；

每一该金属导体层包括左侧金属导体层和右侧金属导体层，相邻的两左侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起，相邻的两右侧金属导体层通过垂直通孔连接在一起；

所述第一电感的始端位于第六层介质基板上表面的左侧金属导体层最左边；

所述第一电感的终端位于第三层介质基板上表面的左侧金属导体层；

所述第四电感的始端位于第六层介质基板上表面的右侧金属导体层最右边；

所述第四电感的终端位于第三层介质基板上表面的右侧金属导体层。

2.如权利要求1所述的叠层高通滤波器，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容是平板MIM电容，所述第一电感和所述第四电感是垂直螺旋电感结构，所述第二电感和所述第三电感是平面螺旋电感。

3.如权利要求1所述的叠层高通滤波器，其特征在于，所述介质基板由LTCC陶瓷制成。

4.如权利要求3所述的叠层高通滤波器，其特征在于，所述第一电感和所述第四电感为垂直螺旋电感。

5.如权利要求4所述的叠层高通滤波器，其特征在于，

所述左侧金属导体层和所述右侧金属导体层都是由宽度为80μm的微带线绕成3/4矩形。

6.如权利要求3所述的叠层高通滤波器，其特征在于，在第九层介质基板上表面设置有由微带线绕成的第二电感；

在第十层介质基板上表面设置有由微带线绕成的第三电感；

所述第二电感和所述第三电感为平面螺旋电感。

7.如权利要求6所述的叠层高通滤波器，其特征在于，所述微带线的线宽为80μm。

8.如权利要求3所述的叠层高通滤波器，其特征在于，第十四层介质基板上表面设置有金属导体层，第十五层介质基板上表面设置有左侧金属导体层和右侧金属导体层，第十六层介质基板上表面设置有金属导体层，以构成所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容的极板；

所述第一电容、所述第二电容和所述第三电容都是平板MIM电容；

第十六层介质基板上表面的金属导体层构成所述第一电容的上极板，第十五层介质基板上表面的左侧金属导体层构成所述第一电容的下极板；

所述第十五层介质基板上表面的左侧金属导体层构成所述第二电容的上极板，第十四层介质基板上表面的金属导体层构成所述第二电容的下极板；

第十四层介质基板上表面的金属导体层构成所述第三电容的下极板；

第十五层介质基板上表面的右侧金属导体层构成所述第三电容的上极板；

所述第一电容的两个极板中间的介质、所述第二电容的两个极板中间的介质，以及第三电容的两个极板中间的介质由LTCC陶瓷基板构成。

9.如权利要求3所述的叠层高通滤波器，其特征在于，第二层介质基板、第七层介质基板、第八层介质基板、第十一层介质基板、第十二层介质基板、第十三层介质基板、第十七层介质基板和第十八层介质基板的厚度为50μm。

10.如权利要求3所述的叠层高通滤波器，其特征在于，第一层介质基板到第十三层介质基板的相对介电常数为3.48，而第十四层介质基板到第十九层介质基板的相对介电常数为50。