CN103413995B

CN103413995B - 基于ltcc技术的c波段高性能平衡滤波器

Info

Publication number: CN103413995B
Application number: CN201310332274.6A
Authority: CN
Inventors: 戴永胜; 朱丹; 罗鸣; 冯辰辰; 方思慧; 顾家; 朱正和; 陈相治; 李雁; 邓良; 施淑媛; 陈龙
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: CN103413995A

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，包括3dB威尔金森功分器(A)，信号从3dB威尔金森功分器(A)输入。与3dB威尔金森功分器(A)相连接的分别是+90度移相滤波器(B)和-90度移相滤波器(C)。与+90度移相滤波器和-90度移相滤波器分别相连接的是平衡输出端口1、平衡输出端口2。两平衡输出端口幅度相同，相位相差180度。本发明频带为C波段，电路拓扑简单且具有频段频率覆盖广、输出两端口幅度、相位平衡度高、输出端口隔离度高、三端口驻波特性优、频率选择性好、电路结构简单以及可控性好等突出优点，对于未来高速率数据无线通信具有广泛应用潜力。

Description

基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种应用于微波毫米波电路的平衡-不平衡转换器、带通滤波器，尤其涉及一种基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器。

背景技术

平衡-不平衡转换器（巴伦）在射频微波电路中应用广泛。射频微波频段的电磁波由于频率很高，在信号传输时很容易受到偶次谐波和偶模干扰信号的影响，这对射频微波数据通信来说是十分不利的。而巴伦具有其特殊的平衡传输结构能够显著有效的抑制偶次谐波和偶模干扰信号。此外其平衡端口具备180度相位差的特性。巴伦广泛应用与平衡混频器、平衡放大器、天线馈电以及移相电路中。传统的巴伦由于是三端口无源器件，端口不能得到很好的匹配；此外传统巴伦的尺寸偏大，隔离特性也不够好。

同时近年来通信事业尤其是个人移动通信的高速发展,无线电频谱的低端频率已趋饱和。毫米波频段高，甚至百分之一的带宽就可以获得1GHz的宽度，使得我们可以实现Gbps高数据速率通信系统，大大拓宽现已十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干扰的通道。C波段在无线通信中具有巨大潜力。微波滤波器是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件，它起到滤除、隔离一定频率的微波信号，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。传统的微带滤波器由于存在金属损耗和介质损耗，插入损耗偏大。此外和ltcc技术相比，实现同等的滤波特性，传统的滤波器的体积远大于LTCC滤波器的体积。

低温共烧陶瓷是一种电子封装技术，采用多层陶瓷技术，能够将无源元件内置于介质基板内部，同时也可以将有源元件贴装于基板表面制成无源/有源集成的功能模块。LTCC技术在成本、集成封装、布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计多样性和灵活性及高频性能等方面都显现出众多优点，已成为无源集成的主流技术。今年来在微波领域的应用受到越来越多的关注，具有高Q值，便于内嵌无源器件，散热性好，可靠性高，耐高温，冲震等优点，利用LTCC技术，可以很好的加工出尺寸小，精度高，紧密型好，损耗小的微波器件。

发明内容

本发明的目的在于提供两输出端口相位、幅度平衡度优、频率选择性好、输入输出端口驻波系数小、结构简单、可靠性高、成本低、使用方便的基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，包括3dB威尔金森功分器(A)，信号从3dB威尔金森功分器(A)输入。与3dB威尔金森功分器(A)相连接的分别是+90度移相滤波器(B)和-90度移相滤波器(C)。与+90度移相滤波器和-90度移相滤波器分别相连接的是平衡输出端口1、平衡输出端口2。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）两输出端口平衡度高；（2）输入输出端口驻波系数小；（3）频率选择性好，带外抑制高；（4）电路拓扑结构简单，由一个3dB功分器和两个相对移相滤波器组成；（5）工艺上易于实现，由于结构简单用LTCC技术使得本发明加工难度降低。

附图说明

图1为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的结构图。

图2为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的电路实现结构图。

图3为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的输入端口反射系数特性仿真曲线。

图4为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的两输出端口幅度特性仿真曲线。

图5为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的输出端口幅度平衡特性仿真曲线。

图6为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的两输出端口反射系数特性仿真曲线。

图7为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的输出端口相位平衡特性仿真曲线。

图8为本发明所述基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的两输出端口隔离特性仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

结合图1、图2，本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，包括3dB威尔金森功分器(A)，信号从3dB威尔金森功分器(A)输入。与3dB威尔金森功分器(A)相连接的分别是+90度移相滤波器(B)和-90度移相滤波器(C)。与+90度移相滤波器和-90度移相滤波器分别相连接的是幅度相同相位相差180度的平衡输出端口1与平衡输出端口2。

结合图1、图2，本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，含陶瓷基板(D1)，六个接地金属板(GND1~GND6)，四个Z字形接地金属板(Z1~Z4)，六个输入输出端口(P1~P6)，两个连接内部结构的金属化通孔(V1~V2)，三个连接端口与内部结构的金属导带(B1、B3、B8)，八个由三层金属板构成的谐振腔(C1~C8),两个长度为四分之一波长的金属导带(B4、B5)，四个连接通孔与内部结构的金属导带(B2、B6、B7、B9)，一个隔离电阻(R1)，一个阻抗变换金属导带(B10)。

结合图1、图2，本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，包含一个3dB威尔金森功分器(A)、一个+90度移相滤波器(B)和一个-90度移相滤波器(C)。从功分器输出两端得到幅度相位完全相同的两路信号经金属化通孔(V1)和金属化通孔(V2)分别传输到+90度移相滤波器(B)和-90度移相滤波器(C)的两个输入端口。对于-90度移相滤波器(C)来说，信号经金属导带(B2)输入到三层金属板谐振器(C4)，信号经过谐振器(C4)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C3)中，信号经过谐振器(C3)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C2)中，信号经过谐振器(C2)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C1)中，调整两两三层板谐振腔的间距可以调整耦合的强弱。Z字形接地金属板(Z1~Z2)可以引起三层金属板谐振腔(C1、C4)之间形成交叉耦合，调整Z字形接地金属板的尺寸能够在特定频点实现陷波，提高频率选择性从而能够显著提高滤波性能；对于+90度移相滤波器(B)来说，信号经金属化导带(B9)输入到三层金属板谐振器(C8)，信号经过谐振器(C8)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C7)中，信号经过谐振器(C7)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C6)中，信号经过谐振器(C6)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C5)中，调整两两三层金属板谐振腔之间的距离可以调整耦合的强弱。Z字形接地金属板(Z3~Z4)可以引起三层金属板谐振腔(C5、C8)之间形成交叉耦合，调整Z字形接地金属板的尺寸能够在特定频点实现陷波，提高频率选择性从而能够显著提高滤波性能。

结合图1、图2，本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，包含一个3dB威尔金森功分器(A)、一个+90度移相滤波器(B)和一个-90度移相滤波器(C)。对于-90度移相滤波器(C)来说，信号经三层金属板谐振腔(C4)传输到三层金属板谐振腔(C3)再传输到三层金属板谐振腔(C2)最终传输到三层金属板谐振腔(C1)中，输出端口(P1)经金属导带(B1)从三层金属板(C1)的上层金属板耦合能量。在三层金属板谐振腔中，上层金属板起到类似电容的作用，因而信号经过时会产生90度的超前；对于+90度移相滤波器(B)来说，信号经三层金属板谐振腔(C8)传输到三层金属板谐振腔(C7)再传输到三层金属板谐振腔(C6)最终传输到三层金属板谐振腔(C5)中，输出端口(P3)经金属导带(B8)从三层金属板(C5)的中间层金属板耦合能量。在三层金属板谐振腔中，中间层金属板起到类似电感的作用，因而信号经过时会产生90度的滞后。

本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的工作原理简述如下：宽频带微波信号从输入端口P2进入3dB威尔金森功分器，信号功率一分为二，输出两路等幅同相的微波信号。在两端口之间并接的隔离电阻(R1)能够有效控制两输出端口隔离度。两路信号分别经过两个金属化通孔(V1、V2)传输到+90度移相滤波器(B)和-90度移相滤波器(C)中。对于-90度移相滤波器(C)来说，信号经金属化导带(B2)输入到三层金属板谐振器(C4)，信号经过谐振器(C4)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C3)中，信号经过谐振器(C3)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C2)中，信号经过谐振器(C2)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C1)中，调整两两三层板谐振腔的间距可以调整耦合的强弱。输出端口(P1)经金属导带(B1)从三层金属板(C1)的上层金属板耦合能量。在三层金属板谐振腔中，上层金属板起到类似电容的作用，因而信号经过时会产生90度的超前；Z字形接地金属板(Z1~Z2)可以引起三层金属板谐振腔(C1、C4)之间形成交叉耦合，调整Z字形接地金属板的尺寸能够在特定频点实现陷波，提高频率选择性从而能够显著提高滤波性能；对于+90度移相滤波器(B)来说，信号经金属化导带(B9)输入到三层金属板谐振器(C8)，信号经过谐振器(C8)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C7)中，信号经过谐振器(C7)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C6)中，信号经过谐振器(C6)谐振滤波后经空间耦合传输到三层金属板谐振腔(C5)中，调整两两三层金属板谐振腔之间的距离可以调整耦合的强弱。输出端口(P3)经金属导带(B8)从三层金属板(C5)的中间层金属板耦合能量。在三层金属板谐振腔中，中间层金属板起到类似电感的作用，因而信号经过时会产生90度的滞后。Z字形接地金属板(Z3~Z4)可以引起三层金属板谐振腔(C5、C8)之间形成交叉耦合，调整Z字形接地金属板的尺寸能够在特定频点实现陷波，提高频率选择性。

本发明基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器的陶瓷基板相对介电常数为9.2，损耗角正切为0.002，尺寸为3.2mm*2.5mm*4.66mm，金属化通孔的半径为0.085mm,陶瓷基板的表面的金属壁厚度为0.015mm。

由图3可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)输入端口的反射系数S11小于-14.24dB即驻波系数小于1.5，输入端口匹配状态良好；

由图4可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)两输出端口(S21、S31)输出平坦，均优于-5.9dB；通带外下边带抑制(S21、S31)优于-35dB，上边带抑制优于30dB。具有良好的滤波特性和带外抑制能力。

由图5可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)两输出端口(S21、S31)的幅度平衡度很高，两输出端口幅度差值控制在正负0.05dB以内。

由图6可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)两输出端口的反射系数(S22、S33)均优于-11.4dB，即两端口的驻波系数小于1.8。这是因为三端口器件不可能实现全匹配的特性造成的，即便在本发明中使用了隔离电阻。

由图7可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)两输出端口的的相位平衡度很好，两输出端口的相位差值控制在正负5度以内。

由图8可以看出，通带内(3.8GHz~4.2GHz)两输出端口的隔离度(S23)良好，通带内隔离据小于-14.5dB。

Claims

1.一种基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，其特征在于包括3dB威尔金森功分器(A)，信号从3dB威尔金森功分器(A)输入；与3dB威尔金森功分器(A)相连接的分别是+90度移相滤波单元(B)和-90度移相滤波单元(C)；与+90度移相滤波单元和-90度移相滤波单元分别相连接的是平衡输出端口1、平衡输出端口2；两平衡输出端口幅度相同，相位相差180度；由一个阻抗变换导带(B10)、两个长度为四分之一波长的金属导带B4、B5、连接两个长度为四分之一波长的金属导带B4、B5与两个金属化通孔V1、V2的两个金属导带B6、B7和一个隔离电阻(R1)共同组成了3dB威尔金森功分器(A)；改变阻抗变换导带(B10)的尺寸可以相应地调整驻波系数的大小；阻抗变换导带(B10)一分为二与两个长度为四分之一波长的金属导带B4、B5相连接，改变该段金属导带B4、B5的尺寸可以调整该3dB威尔金森功分器的工作中心频率；连接在所述两个长度为四分之一波长的金属导带B4、B5后面的是所述隔离电阻(R1)，所述隔离电阻（R1）并接在所述两个长度为四分之一波长的金属导带B4、B5的末端之间；该隔离电阻(R1)起到改善平衡输出端口1、平衡输出端口2之间的隔离性能，改变该隔离电阻的大小可以调整平衡输出端口1、平衡输出端口2之间的隔离度；两金属导带B6、B7连接3dB威尔金森功分器与两个金属化通孔V1、V2；两个金属化通孔V1、V2中，金属化通孔V1与上下两个移相滤波单元中的上方-90度移相滤波单元(C)连接，金属化通孔V2与上下两个移相滤波单元中的下方+90度移相滤波单元(B)连接。

2.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，其特征在于由四个三层金属板构成的谐振级C1、C2、C3、C4、两个Z字形接地金属板(Z1~Z2)、两个接地金属板(GND1~GND2)、一个连接外部端口P1与内部电路的金属导带B1共同构成了-90度移相滤波单元(C)；所述金属化通孔V1将3dB威尔金森功分器(A)的一路分支连接到金属导带B2，该金属导带B2与三层金属板谐振腔C4的中间一层金属板连接；前一级三层金属板谐振腔C3通过空间耦合与三层金属板谐振腔C4连接，前一级三层金属板谐振腔C2通过空间耦合与三层金属板谐振腔C3连接，前一级三层金属板谐振腔C1通过空间耦合与三层金属板谐振腔C2连接；外部端口P1通过金属导带B1与三层金属板谐振腔C1的上层金属板连接；金属导带B1连接在谐振腔C1的位置决定了外部端口P1耦合到的能量的大小与外部端口P1的驻波系数的性能；两个Z字形接地金属板(Z1~Z2)可以引起三层金属板谐振腔C1、C4之间形成交叉耦合，能够提高滤波性能。

3.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的C波段高性能平衡滤波器，其特征在于由四个三层金属板构成的谐振级C5、C6、C7、C8、两个Z字形接地金属板(Z3~Z4)、两个接地金属板(GND5~GND6)、一个连接外部端口P3与内部电路的金属导带B8共同构成了+90度移相滤波单元(B)；所述金属化通孔V2将3dB威尔金森功分器(A)的一路分支连接到金属导带B9，该金属导带B9与三层金属板谐振腔C8的中间一层金属板连接；前一级三层金属板谐振腔C7通过空间耦合与三层金属板谐振腔C8连接，前一级三层金属板谐振腔C6通过空间耦合与三层金属板谐振腔C7连接，前一级三层金属板谐振腔C5通过空间耦合与三层金属板谐振腔C6连接；外部端口P3通过金属导带B8与三层金属板谐振腔C5的中间层金属板连接；金属导带B8连接在谐振腔C5的位置决定了外部端口P3耦合到的能量的大小与外部端口P3的驻波系数的性能；两个Z字形接地金属板(Z3~Z4)引起三层金属板谐振腔C5、C8之间形成交叉耦合，能够提高滤波性能。