CN103378387A

CN103378387A - 基于频率选择性耦合技术的宽阻带ltcc带通滤波器

Info

Publication number: CN103378387A
Application number: CN2013102739776A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 代鑫; 张霓; 胡斌杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: CN103378387B

Abstract

本发明公开基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器，包括两个四分之一波长谐振器，金属地板和一对馈电线结构。谐振器和馈电线分布在四层导体层上。馈电线采用宽边耦合的方式将能量传输到谐振器上，谐振器之间通过边耦合传输能量。本发明通过选择恰当的耦合区间，实现频率选择性耦合技术，从而有效的抑制三次谐波，同时，两个馈电线之间引入一种弱耦合，即源负载耦合，在通带附近产生了两个传输零点，实现了较好的频率选择性，同时在阻带也产生了一个零点，增强阻带抑制水平。本发明具有抑制三次谐波，高选择性，多传输零点，结构紧凑的优点。

Description

基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器

技术领域

本发明涉及LTCC带通滤波器，具体涉及基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器。

背景技术

随着信息产业的飞速发展，各种通信系统不断涌现，无线通信技术的飞速发展以及全球通信频段的日益紧张更是对微波滤波器提出了更加严格的要求。现代滤波器要求具有高性能，小尺寸，宽阻带，低造价等特性。其中，小尺寸，宽阻带是单通带滤波器性能的重要指标。

现有的滤波器实现阻带抑制的方法有很多种，第一种方法是利用电磁信号的多径传输，在某一频点多径传输的电磁场相位相反，相互抵消，产生零点，这种方法可以利用交叉耦合实现，也可以利用源负载耦合（source-load couple）实现；第二种方法是利用阶跃阻抗谐振器（SIR），这种谐振器可以将滤波器的二次谐波推后到通带中心频率的2.5-3倍左右的频率上，二次谐波中心频率与通带中心频率的比值取决于SIR的结构，用多个不同结构的有相同通带中心频率的阶跃阻抗谐振器串联，即可实现阻带的抑制；第三种方法是利用传输线的四分之一波长倒置性，当一端开路的四分之一波长传输线连接在输入输出端口时，开路端等效到输入输出端口为短路，从而将电磁波全部放射回去，于是产生了传输零点，马刺线就是其中的一种应用，当马刺线的电波长等于四分之一波长时，马刺线连接I/O端口的位置就被短路掉，在该频点上就产生了传输零点；其他方法还有使用椭圆函数滤波器等。

然而，现有的阻带抑制滤波器都有较为复杂的结构，或者存在尺寸较大，插损大等问题。

发明内容

为克服以上提到的滤波器多传输零点与结构复杂、体积大和有谐波干扰之间的设计矛盾，本发明提供了基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器。该滤波器通过恰当地选择耦合区间，将谐振器非对称的放置，而不需要增加其他电路，即可将三次谐波抑制。同时，充分利用LTCC（Low Temperature Co-Fired Ceramic低温共烧陶瓷）的多层结构，极大地缩小了带通滤波器的体积。LTCC多层结构的滤波器除了具有小型化、轻量化的优点，还具有成本低，有利于批量生产，良好的高频性能，插损小等传统微带滤波器没有的特点。

本发明采用如下技术方案实现：

基于频率选择性耦合技术的宽阻带高选择性LTCC带通滤波器，其包括四层介质基板和四层导体层，四层介质基板从上到下依次为第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板，所述的四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板；所述第一导体层印制于第一介质基板上表面，第二导体层印制于第二介质基板上表面，第三导体层印制于第三介质基板上表面，第四导体层印制于第四介质基板上表面；所述印制采用LTCC印刷工艺。

进一步的，所述第一导体层由一对结构相同的馈电结构组成，这对结构相同的馈电结构呈镜像对称，每一个馈电结构包括一条弯折的（弯折只要满足把电馈到四分之一波长谐振器上即可）金属微带线、一个CPW馈电口，弯折的金属微带线与对称中心另一侧弯折的金属微带线构成源负载耦合，在通带附近产生了两个传输零点，实现了较好的频率选择性，同时在阻带也产生了一个零点，增强阻带抑制水平；CPW馈电口通过接地金属化过孔连接到第三导体层。

进一步的，第二导体层和第四导体层上分布有两个四分之一波长谐振器；每个四分之一波长谐振器均有一部分位于第二导体层，另一部分位于第四导体层上，这两部分通过第二金属化过孔相连，金属化过孔穿过位于第三导体层上的开孔，且金属化过孔不与第三导体层直接接触；一个四分之一波长谐振器的短路端位于第二导体层且通过金属化过孔连接到第四导体层，又通过金属化过孔连接到位于第二层的开路端；另一个四分之一波长谐振器的短路端也位于第二导体层且通过金属化过孔连接到第四导体层的微带线，又通过金属化过孔连接到位于第二层的微带线，再通过金属化过孔连接到位于第四层的开路端，所述两个四分之一波长谐振器在第二导体层和第四导体层上均不呈镜像对称分布，其非对称结构会在通带的右边三次谐波处产生一个传输零点，通过选择耦合区间来控制基波和谐波的耦合强度，从而抑制三次谐波。

进一步的，所述第三导体层为金属地板，第三导体层上有五个开孔供所述金属化过孔穿过，并且金属化过孔和金属地板之间留有间隙。

本发明采用四分之一波长谐振器，相较于二分之一波长谐振器，有效地减小了滤波器的尺寸；并且，采用了LTCC多层结构工艺制造，通过在不同层放置馈电线和谐振器，用金属过孔将不同层的微带线连接起来，使滤波器结构更加紧凑；除此之外，LTCC的多层结构为恰当的耦合区间的选择提供了充分的灵活性。

该滤波器的第一导体层上的两个弯折的金属微带线，形成了源负载耦合，这样就在通带左边产生了一个零点，在通带的右边产生两个传输零点；在第二导体层，四分之一波长谐振器不呈镜像对称，只有一部分的微带线耦合，其中一个四分之一波长谐振器开路端与另一个四分之一波长谐振器的开路和短路端之间的一部分微带线耦合，因其选择性耦合，所以3次谐波的耦合系数通过积分正负抵消为零，而基波频率的耦合系数不为零，从而在通带的右边三次谐波处产生一个传输零点，有效的抑制了三次谐波。在第四导体层，两个四分之一波长谐振器不对称也不耦合，以上两种耦合方式产生了4个传输零点，提高了滤波器的通带选择性，抑制了滤波器的高次谐波，获得了较宽的阻带。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用LTCC多层工艺，使滤波器的结构更加紧凑，有效减小滤波器尺寸；

2、分布在第二导体层和第四导体层上的四分之一波长谐振器不对称，仅仅通过谐振器的合理布线选择合适的耦合区间，就可以使滤波器三次谐波的耦合系数为零，从而抑制三次谐波。

3、第一导体层上的两个馈电线之间引入一种弱耦合，即源负载耦合，在通带附近产生了两个传输零点，实现了较好的频率选择性，同时在阻带也产生了一个零点，增强阻带抑制水平。

4、馈电微带线与谐振器之间通过宽边耦合实现能量传递，宽边耦合强度决定外部Q值，所以滤波器的外部Q可以很方便的调节，可应用于射频前端电路中的带通滤波器。

附图说明

图1是基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器的立体结构分层示意图；

图2是第一导体层俯视示意图；

图3是第二导体层俯视示意图；

图4是第三导体层俯视示意图；

图5是第四导体层俯视示意图；

图6是实施方式中带通滤波器的频率响应特性曲线图。

具体实施方式

为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC二阶带通滤波器，整个滤波器为LTCC多层结构，由四层介质基板和四层导体层组成：第一导体层位于第一介质基板表面，第二导体层位于第一介质基板1和第二介质基板2之间，第三导体层位于第二介质基板2和第三介质基板3之间，第四导体层位于第三介质基板3和第四介质基板4之间；四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板，第一导体层印制于第一介质基板1上表面，第二导体层印制于第二介质基板2上表面，第三导体层印制于第三介质基板3上表面，第四导体层印制于第四介质基板4上表面。

如图2所示，第一层金属导体由一对结构相同的馈电结构组成，呈镜像对称放置，每一个馈电结构由一条弯折的金属微带线6、一个CPW馈电口5，一条弯折的金属微带线6构成，弯折的金属微带线6与对称中心另一侧的弯折的金属微带线6构成源负载耦合，源负载耦合在滤波器通带左边产生了一个传输零点并在通带右边产生2个传输零点，调节两者之间耦合的间距可改变源负载耦合的强度，从而改变这3个零点的位置；CPW馈电口通过接地金属化过孔8连接到地板11；此外，弯折的金属微带线6与通过宽边耦合的方式实现馈电端与谐振器之间的能量传送，改变弯折的金属微带线的大小和位置能改变外部Q值的大小，外部Q值与谐振器耦合系数K共同决定了滤波器带宽。

如图3所示，两个四分之一波长谐振器不呈镜像对称，两个四分之一波长谐振器的短路端不对称布置在第二层金属导体，其中一个四分之一波长谐振器的开路端在第二层，谐振器的一端通过第二金属化过孔21连接到第四导体层，再通过第二金属化过孔21连接到位于第二层的开路端，另一个四分之一波长谐振器的开路端在第四层，谐振器的一端通过第二金属化过孔21连接到第四导体层，再通过第二金属化过孔21连接到第二导体层，最后再通过第二金属化过孔21连接到位于第四层的开路端，第二金属化过孔21穿过了地板层上面的开孔20，与地板没有直接的物理接触；谐振器的短路端通过第二金属化过孔21连接到地板。所述两个四分之一波长谐振器在第二导体层和第四导体层上均不呈镜像对称分布，其中一个四分之一波长谐振器开路端与另一个四分之一波长谐振器的开路和短路端之间的一部分微带线耦合，图3中矩形虚线圈出的即为边耦合区域。因其选择性耦合，所以3次谐波的耦合系数通过积分正负抵消为零，而基波频率的耦合系数不为零，从而在通带的右边三次谐波处产生一个传输零点，有效的抑制了三次谐波。

如图4所示，第三导体层为金属地板11，上面有五个开孔20，连接第二层导体和第四层导体的第二金属化过孔21从这五个开孔穿过，这五个开孔的半径要大于第二金属化过孔21，这样就保证金属化过孔不会和金属地板11有物理连接。连接在金属地板上的还有与第二导体层谐振器短路端相连接的两个第一金属化过孔24，与第一导体层CPW馈电口相连接的四个接地金属化过孔8。

如图5所示，两个四分之一波长谐振器一部分在第二导体层，这一层的谐振器的一端通过第二金属化过孔21连接到第二导体层。所述两个四分之一波长谐振器在第二导体层和第四导体层上均不呈镜像对称分布，这一层四分之一波长谐振器间均无耦合。

在本实施例中，通带中心频率由四分之一波长谐振器长度决定，通带左边零点及右边前两个零点的位置主要由源负载耦合强度决定，通带右边第三个零点位置主要由谐振器选择性耦合特性决定，其3次谐波的耦合系数通过积分正负抵消为零，而基波频率的耦合系数不为零，从而在通带的右边三次谐波处产生一个传输零点，有效的抑制了三次谐波；滤波器外部Q值由馈电部分的弯折的金属微带线的宽度决定，耦合系数K由谐振器耦合强度决定，外部Q值和耦合系数K共同决定了通带带宽。通过调节上述所指出的谐振器长度，源负载耦合，选择性耦合，本实施例获得了所需的通带和阻带特性。

下面对本实施例的各项参数描述如下（仅作为实例，本发明的实施不限于此）：

仅作为实例，如图2所示，弯折的金属微带线6的长度由L1,L2,L3,L4构成，宽度为W1，弯折的金属微带线之间的间距为G1，L1=0.76mm, L2=0.6125mm, L3=2.08mm, L4=1.05mm, W1=0.2mm, G1=0.175mm。

如图3所示，两个四分之一波长谐振器分布在第二导体层的一部分微带线的长度由L5，L6，L7，L8，L9构成，宽度为W2，两个四分之一波长谐振器之间的间距为G2， L5=0.45mm, L6=1.75mm, L7=0.4mm, L8=2.2mm, L9=1.26mm,W2=0.16mm, G2=0.14mm。

如图4所示，第三导体层为金属地板，金属地板上的五个开孔直径为R,金属化过孔的直径为r，R=0.2125mm, r=0.0625mm。

如图5所示，两个四分之一波长谐振器分布在第四导体层的另一部分微带线的长度由L10，L11，L12，L13，L14 ，L15，L16，L17，L18，L19， L20，L21，L22，L23，L24， L25，L26构成，宽度为W2， L10=3.1mm, L11=3.5mm, L12=0.71mm, L13=1.6mm, L14=0.68mm, L15=0.38mm, L16=0.68mm, L17=0.28mm, L18=1.16mm, L19=0.5075mm, L20=0.2775mm, L21=0.9mm, L22=1.34mm, L23=0.33mm, L24=0.4mm, L25=0.37mm, L26=0.46mm, W2=0.16mm。

第一层介质厚度为0.15mm，第二层介质厚度为0.3mm，第三层介质厚度为0.15mm，第四层介质厚度为0.1mm。导体层采用的是金属银，介质基板材料为陶瓷，相对介电常数E_r为7.6，介质损耗正切tan为0.005，整个器件体积为2.66mm×2.6mm×0.8mm。

该滤波器的响应结果如图6所示，图中包含两条曲线S11、S21，该滤波器工作于2.4Ghz，通带最小插入损耗为1.8dB，通带内回波损耗约为15dB，紧靠在通带上边频和通带下边频处各有一个传输零点，使得该滤波器的具有非常好的选择性，有4个传输零点位于1.76GHz，4.0GHz的，5.9GHz的，7.1GHz，有效地抑制了阻带，在1到2.1Ghz和3.4Ghz到7.5Ghz之间阻带全部抑制在-30dB以下，可见，该滤波器具有非常好的选择性和宽阻带抑制性，同时具有较好的带内特性。

综上，本发明提供的基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器具有体积小，宽阻带，插损小的优异性能，可加工为线元件，易于与其他电路模块集成，可广泛应用于无线通讯系统的射频前端中。

以上所描述是实施例是本发明中的一个较好的实施例，并不用以限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所作的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

Claims

1.基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其特征在于包括四层介质基板和四层导体层，四层介质基板从上到下依次为第一介质板（1）、第二介质板（2）、第三介质板（3）和第四介质板（4），所述的四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板；所述第一导体层印制于第一介质基板（1）上表面，第二导体层印制于第二介质基板（2）上表面，第三导体层印制于第三介质基板（3）上表面，第四导体层印制于第四介质基板（4）上表面；所述印制采用LTCC印刷工艺。

2.根据权利要求1所述的基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器，所述第一导体层由一对结构相同的馈电结构组成，这对结构相同的馈电结构呈镜像对称，每一个馈电结构包括一条弯折的金属微带线（6）、一个CPW馈电口（5），弯折的金属微带线（6）与对称中心另一侧的弯折的金属微带线构成源负载耦合，源负载耦合在低于滤波器通带频率的频段产生了一个传输零点并在高于滤波器通带频率的频段产生2个传输零点；CPW馈电口通过接地金属化过孔（8）连接到第三导体层（11）。

3.根据权利要求1所述的基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其特征在于第二导体层和第四导体层上分布有两个四分之一波长谐振器；每个四分之一波长谐振器均有一部分位于第二导体层，另一部分位于第四导体层上，这两部分通过第二金属化过孔（21）相连，金属化过孔（21）穿过位于第三导体层上的开孔（20），且金属化过孔（21）不与第三导体层直接接触；四分之一波长谐振器的短路端位于第二导体层且通过金属化过孔（21）连接到第三导体层。

4. 根据权利要求3所述的基于频率选择性耦合技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其特征在于所述第三导体层为金属地板（11），第三导体层上有五个开孔（20）供所述金属化过孔（21）穿过，并且金属化过孔（21）和金属地板之间留有间隙。