CN103165964A - 一种基于ltcc技术的小型化滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LTCC技术的小型化滤波器,包括至少两个谐振腔、谐振腔之间带金属盘的销钉、滤波器的输入/输出端,输入/输出端经加载带金属盘的探针直接与谐振腔耦合,所述谐振腔的上层金属为共面波导的上层地,谐振腔的下层金属为共面波导的下层地;谐振腔的上、下层金属同金属盘之间形成等效电容。本发明采用加载带金属盘的销钉有利于拓展滤波器的工作带宽,并减小其尺寸;采用接地型共面波导的输入/输出端口便于与其他平面电路集成,谐振腔上、下层金属同时作为共面波导的上、下地,省去端口与谐振腔之间的介质层从而使结构更加紧凑,保证了性能并降低成本;采用直接耦合方式,在简化结构的同时也降低加工难度,且提高加工可靠性。

Description

一种基于LTCC技术的小型化滤波器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,具体涉及一种基于LTCC技术的小型化滤波器。
背景技术
近年来,随着LTCC(Low-temperature co-fired ceramic,低温共烧陶瓷)封装技术的迅速发展,其越来越多的运用在有源或者无源微波电路的设计中。LTCC技术的三维立体结构具有能够实现多层互连、内埋电感、电容等无源器件的优势,给微波电路的设计带来了更大的灵活性,同时也有效地减小了电路的整体面积。
滤波器作为现代通讯系统的重要组成部分,其小型化、低成本和是否便于与其他系统集成受到越来越多的关注。传统的平面结构或集总参数滤波器由于较低的Q值使带内损耗随频率提高而增大,腔体滤波器虽然具有优良的性能,但体积大、不便于与其他平面电路集成等缺点也限制了其使用范围。
利用LTCC技术设计滤波器的实例越来越多。常见的设计方案是级联若干个基片式集成波导谐振器,然后通过表层的微带或者共面波导作为输入/输出端口。由于LTCC技术采用的介质基板的介电常数是固定的,所以,不能通过增加介电常数来减小谐振腔的体积。
例如,文献 “A Ka-Band Cavity Bandpass Filter Using LTCC Technology” (Proceedings of 2009 IEEE International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices, Chengdu, China, September 25-27, 2009.)通过在LTCC介质基板中级联若干个谐振腔的方式来设计滤波器。其输入/输出端口与谐振腔之间有一层介质层,然后,通过在谐振腔上层的金属开缝进行磁耦合。文献中采用开路的四分之一波长微带线作为输入/输出端口实现耦合最大化,同一层腔体之间通过金属柱形成的窗口进行耦合,而不同层之间同样利用缝耦合的方式,开缝的位置和大小可以控制耦合程度。工程实际中,如果在Ku频段以下,采用这种级联谐振腔的方式会使滤波器的整体尺寸大,不便于和其他平面电路集成。另外,采用缝耦合的方式,缝的位置和大小对耦合强度的影响很大,而LTCC技术最后需要烧结成型,烧结后会产生收缩,且很难保证每个方向的收缩率相同,导致加工可靠性不高。
在文献“Design of a Vertically Stacked Substrate Integrated Folded-Waveguide Resonator Filter in LTCC” (H.-Y. Chien, T.-M. Shen, T.-Y. Hung, and R.-B. Wu, Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference 2007, 1-4)中,采用折叠式基片集成波导谐振腔的方式,实现了在LTCC结构中滤波器的小型化。该方案的输入/输出端口与谐振器和上下层谐振腔之间同样采用缝耦合方式,但这种折叠型谐振腔需要在中间增加一层金属地,这样,由于金属的损耗降低了腔体Q值,从而影响滤波器的性能。另外,这种方法只能减小滤波器长度或宽度方向的尺寸,在某些情况下会造成实际运用中的不便。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的目的在于提供一种便于与其他平面电路集成、在简化结构的同时也降低了加工难度并能保证性能的基于LTCC技术的小型化滤波器,其旨在解决叠型谐振腔在中间增加一层金属地,金属的损耗降低了腔体Q值,从而影响滤波器的性能;其只能减小滤波器长度或宽度方向的尺寸,在某些情况下会造成实际运用中的不便。
为了解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种基于LTCC技术的小型化滤波器,包括至少两个谐振腔、谐振腔之间带金属盘的销钉、滤波器的输入端和输出端,其特征在于,所述输入端和输出端经加载带金属盘的探针直接与谐振腔耦合,输入端和输出端为接地型共面波导即所述谐振腔的上层金属为共面波导的上层地,谐振腔的下层金属为共面波导的下层地;所述谐振腔的上、下层金属同所述金属盘之间形成等效电容。
在本发明中,所述等效电容CD为:                                                
Figure 2013101197046100002DEST_PATH_IMAGE001
,其中,ε是LTCC介质基板的介电常数,s是金属盘的面积,d1、d2分别是金属盘到谐振腔上、下层地的距离。
在本发明中,所述谐振腔的谐振频率为:
Figure 2013101197046100002DEST_PATH_IMAGE002
,其中
Figure 2013101197046100002DEST_PATH_IMAGE003
Figure 2013101197046100002DEST_PATH_IMAGE004
为谐振腔自身的等效电感和等效电容。
 在本发明中,在所述两个谐振腔体之间加载带金属盘的销钉,所述销钉的自谐振频率与谐振腔体的谐振频率相近或相同。
在本发明中,所述销钉至少为一个,可设置在两谐振腔之间的电磁能量耦合区。
在本发明中,所述两谐振腔之间通过金属柱形成感性窗口进行能量耦合。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
一、 采用接地型共面波导的输入/输出端口便于与其他平面电路集成,谐振腔上下两层金属同时作为共面波导的上下地,省去端口与谐振腔之间的介质层,从而使结构更加紧凑,有利于保证性能并降低成本;
二、采用基于探针的直接耦合方式,在简化结构的同时也降低加工难度,且提高加工可靠性;
三、采用加载带金属盘的销钉,有效地拓展滤波器的工作带宽、减小其整体尺寸,并保证良好的通带性能。 
附图说明
图1为谐振腔的频率、Q值与金属圆盘半径的关系图;
图2为本发明实例的俯视图;
图3为本发明实例的侧视图;
图4为本发明实例中滤波器的带内插损和回波损耗;
附图标记:1为金属孔、2为输入端、3为加载金属盘的探针、4为加载金属盘的销钉、5为形成感性耦合窗口的金属柱、6为金属腔壁、7为输入/输出耦合探针及加载的金属盘、8为带金属盘的销钉。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图2所示,形成腔体的金属孔1,即同最上层和最下层金属地相连的互连过孔。为更好的防止电磁能量泄漏,金属孔的直径为0.15mm,彼此间距为0.4mm,并采用两排结构。输入/输出端2,输入端口与输出端口采用接地型共面波导,输入/输出端口的特性阻抗为50欧姆。为避免接地金属孔与输入/输出端口间的干扰,位于端口下的金属孔只连接到接地型共面波导的接地层。输入端用于直接耦合的探针3,其末端加载金属圆盘,该金属盘距谐振腔的下层地0.2mm。加载金属盘的销钉4,位于两个谐振器之间的正中心位置,销钉由金属柱和金属圆盘组成,其中金属柱等效为电感而金属圆盘产生电容效应,且二者构成串联谐振,其谐振频率与谐振腔的谐振频率接近。标号5是由四个金属柱组成的感性耦合窗口,金属柱之间的间距决定耦合量大小。标号6是谐振腔的上层金属,同时也是输入/输出共面波导的地。整个谐振腔体的高度为0.4mm(四层介质基板厚度),而滤波器的整体高度也为0.4mm。
本发明充分利用LTCC技术三维立体结构的特点,通过引入加载带金属盘的探针、带金属盘的销钉、共面波导馈线与谐振腔共地的方式,使结构更加紧凑和简化,同时降低加工难度,并且有效地拓展滤波器的工作带宽、减小谐振腔尺寸,最终实现了中心频率为15GHz的带通滤波器设计。结果表明,滤波器的整体尺寸为(长×宽×高) = 8mm × 5mm × 0.4mm,其频率响应如图4所示。所实现的滤波器带内插损小于0.7dB,回波损耗大于17dB,3dB带宽达13%,并且具有良好的带外抑制。 

Claims (6)

1.一种基于LTCC技术的小型化滤波器,包括至少两个谐振腔、谐振腔之间带金属盘的销钉、滤波器的输入端和输出端,其特征在于,所述输入端和输出端经加载带金属盘的探针直接与谐振腔耦合,输入端和输出端为接地型共面波导即所述谐振腔的上层金属为共面波导的上层地,谐振腔的下层金属为共面波导的下层地;所述谐振腔的上、下层金属同所述金属盘之间形成等效电容。
2.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的小型化滤波器,其特征在于,所述等效电容CD为:
                                                 
Figure 43889DEST_PATH_IMAGE001
其中,ε是LTCC介质基板的介电常数,s是金属盘的面积,d1、d2分别是金属盘到谐振腔上、下层地的距离。
3.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的小型化滤波器,其特征在于,所述谐振腔的谐振频率为:
,其中
Figure 2013101197046100001DEST_PATH_IMAGE003
Figure 2013101197046100001DEST_PATH_IMAGE005
为谐振腔自身的等效电感和等效电容。
4.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的小型化滤波器,其特征在于,在所述两个谐振腔体之间加载带金属盘的销钉,所述销钉的自谐振频率与谐振腔体的谐振频率相近或相同。
5.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的小型化滤波器,其特征在于,所述销钉至少为一个,可设置在两谐振腔之间的电磁能量耦合区。
6.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的小型化滤波器,其特征在于,所述两谐振腔之间通过金属柱形成感性窗口进行能量耦合。
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