CN103414447A

CN103414447A - 一种低温共烧陶瓷ltcc限幅滤波器

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Publication number: CN103414447A
Application number: CN2013103558034A
Authority: CN
Inventors: 李元勋; 左林; 陈振威; 张怀武; 苏桦; 滕林; 黄树峰; 沈健; 康建宏; 李广新
Original assignee: DONGGUAN CHENGDIAN HUACI ELECTRONICS Co Ltd; University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Current assignee: DONGGUAN CHENGDIAN HUACI ELECTRONICS Co Ltd; University of Electronic Science and Technology of China; Institute of Electronic and Information Engineering of Dongguan UESTC
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-15
Also published as: CN103414447B

Abstract

本发明公开了一种低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，包括内设有无源器件的LTCC陶瓷基板、金属外壳器件和金属外壳，在LTCC陶瓷基板的表面设有源元件，所述有源元件包括两支PIN二极管，二极管正极通过微带线并联在90^O相位转移的主传输线的两端，负极通过金属过孔接地，LTCC陶瓷基板内嵌带通滤波器。本发明低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器采用基于LTCC工艺的多层陶瓷基板进行layout封装，从电路结构模型和封装工艺上进行创新设计，极大程度上达到了小型化的设计目的，同时让滤波器具备了传统器件没有保护电路的限幅功能，本发明可以在微波接收系统中广泛使用。

Description

一种低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种滤波器，更具体的说是一种基于LTCC工艺的S波段具有限幅功能的带通滤波器。

背景技术

微波滤波器在微波系统中属于控制频率响应的二端口网络，而且能滤除谐波抑制杂散，传统方式在低频频段采用集总元件而在高频频段采用微带线方式制作滤波器。微带线式的滤波器制作简单成本低廉但是需要使用大量基板横向尺寸面积，而集总元件更加适合在射频频段上使用，尽管体积偏小便于表面贴装，但存在成本较高、在 layout 版图设计时要考虑引脚和焊盘的位置等不足。LTCC 工艺结合两者特点，在基板内部利用带线三维分布方式完成等效的集总元件制作，既能实现小型化减少基板横向物理尺寸又能节省成本简化设计流程。

限幅器的作用主要是在微波接受系统中阻止高功率信号对低噪声放大系统（LNA）可能产生的破坏，通常放在环行器模块和LNA模块之间来保护LNA模块正常工作。一般微波接收系统会采用限幅器和滤波器串联成一个模块的方式来保护电路和阻止杂讯。

低温共烧陶瓷 (LTCC) 作为电子封装技术一种，采用多层陶瓷技术，将无源器件内埋于介质基板的内部，同时将有源元件贴装于基板的表面，然后用微带线、带线和金属过孔连接个个模块完成多层多芯片（MCM）模块的封装。相比于传统的 PCB 工艺，LTCC能在器件小型化的同时降低电磁损耗获得高的品质因数。而且 LTCC 因为具备高耐湿性、高耐热性、低介电损耗和高电导率，加上工艺简单、设计多样化和成本低廉所以在微波领域获得越来越多的使用。

发明内容

本发明目的提供一种既能实现带通滤波特性，在通带内达到插入损耗小，外带抑制度高又能完成对高功率信号的抑制和低噪声等特性的低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器。

为了实现上述目的，本发明设计出一种低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，包括内设有无源器件的LTCC陶瓷基板、金属外壳器件和金属外壳，在LTCC陶瓷基板的表面设有源元件，所述有源元件包括两支PIN二极管，PIN二极管正极通过微带线并联在90^O相位转移的主传输线的两端，负极通过金属过孔接地，LTCC陶瓷基板内嵌带通滤波器。

所述LTCC陶瓷基板表面采用金属微带线作为信号传输线和PIN二极管的焊接点；在LTCC陶瓷基板内部滤波器的集总型等效电容电感采用内埋 VIC 式电容模型和内埋螺旋叠层式电感模型设计制作，金属过孔作为层与层金属板之间的连接纽带；所述金属外壳器件周围填充陶瓷介质材料，金属微带线及金属过孔周围填充陶瓷介质材料。

所述集总元件等效电路模型包括信号的输入输出端口Port1 、Port2 ，50 欧姆阻抗匹配的微带主传输线TL2、 TL6， PIN二极管和主传输线上的带通滤波器的连接微带线式T型接口TL3 、TL5，微带线结构的并联分支短截线的负载TL1、 TL4，在T型接口TL3 、TL5之间的主传输线上为具有一个传输零点的带通滤波器，所述的带通滤波器由并联接地电容C1 、C2 、串联电容 C3、并联接地电感 L3、串联电感 L1 、L2、来组成。

所述表层金属线为微带传输线，作为整体器件的输入输出端口，其T型微带线连接着并联分支短截线负载，同时作为PIN二极管的引脚焊盘；微带主传输线通过圆形金属过孔与内埋式带通滤波器相连接；Port1 端的微带线通过一层到三层的金属过孔与第三层金属层相连接， Port2 端的微带线通过一层到四层的金属过孔与第四层金属层相连接；C1并联电容和L1 串联电感通过第三层金属带线节点相连；同时第三层金属带线，还作为L2串联电感和C3 串联电容的连接节点；第三层到第七层的金属圆形过孔作为L1、L2串联电感和C2 接地电容、L3 接地电感的连接节点；C1、C2、C3的电容模型均采用内埋金属层交指面板方式实现，L1、L2的电感模型采用带线金属顺时针螺旋方式实现，L3接地电感直接用带线模型和接地金属过孔完。

所述低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器首先是通过LTCC低温共烧工艺方式将LTCC多层陶瓷基板烧结出来，在基板的表面是金属微带线，基板的内部是三维电容电感模块，金属过孔作为介质层层与层之间金属板的连接节点和接地线，然后在LTCC基板上的微带线引脚焊接点焊接PIN二极管，通过仿真测试可以测出该模型具有带通滤波器的带通特性，同时又具有保护电路的限幅特性。

与传统的PCB基板工艺相比，本发明采用多层的LTCC工艺，充分利用基板的三维空间，使无源元件在基板内部灵活配置，除去了无源元件在基板表面贴装的步骤，从而使得器件整体结构更加紧凑，达到实现小型化的设计目的。

同时本发明相比于现有将滤波器和限幅器简单串联成一个模块的方式，提出一种新型的模型，就是利用限幅器双短截线的结构特点在四分之一波长主传输线上嵌入带通滤波器，使器件整体上既能实现限幅特性又能实现带通的选频特性，而且极大程度上完成了小型化设计，节约基板横向物理使用面积。本发明主要是从电路结构模型和封装工艺上进行改进，完成小型化设计的目的，同时保障器件原有的限幅和带通选频的特性。

附图说明：

图1 为本发明限幅滤波器的集总元件等效电路原理图；

图2 为本发明限幅滤波器的 LTCC 基板的三维结构layout视图；

图3 为本发明限幅滤波器的 LTCC 基板的侧视图；

图4 为本发明限幅滤波器的 LTCC 基板的俯视图和 PIN 二极管的封装位置；

图5 为微带线双短截线的结构限幅器的结构图；

图6 为终端有负载的传输线输入阻抗公式；

图7为本发明带通滤波器内埋的并联接地电容5a的Layout图；

图8是7的侧视图；

图9本发明带通滤波器内埋的串联电感5b、 5d的Layout图；

图10是图9的侧视图；

图11本发明带通滤波器内埋的串联电容5c的Layout图；

图12为图11的侧视图；

图13本发明带通滤波器内埋的串联电容5e的Layout图；

图14为图13的侧视图；

图15本发明带通滤波器内埋的并联接地电感5f Layout图；

图16为图15的侧视图；

本发明带通滤波器各内埋元件的 Layout 图和侧视图；

图17 为具体实施方式所测试小信号仿真幅频特性结果图；

图18 为具体实施方式所测试小信号仿真噪声特性图；

图19 为具体实施方式所测试小信号仿真相频特性图；

图20 为具体实施方式所测试大信号功率仿真结果图；

其中：1a 、1b-50欧姆阻抗匹配的微带传输线，同时作为器件的输入输出端口；2a、2b-微带线结构的并联分支短接线负载，同时作为PIN二极管的连接焊盘；3a -第一层到三层金属方形过孔，3b 第一层到第四层层金属方形过孔；4a-第三层金属带线节点，；4b -第三层到第七层的金属圆形过孔节点；4c -第三层金属带线节点；5a 、5c 为并联接地电容，5f 为并联接地电感，5b 、5d-主传输线上的串联电感，5e -主传输线上的串联电容；6a-表面微带线金属层；6b -第三层金属层；6c -第四层金属层；6d-第五层金属层；6e-第七层金属层；6f -第九层金属层；6g-第十层金属层；7a -微带接地金属过孔；7b -第三层到第五层方形金属过孔； 7c -第三层到第七层金属过孔；7d - 第三层接地金属过孔；7e-第五层接地金属过孔；7f -第十层接地金属过孔；7g - 第五层到第七层方形金属过孔；7h- 微带到第三层方形金属过孔； 7i- 微带到第四层方形金属过孔。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明的结构原理作进一步的详细描述：

如图1-图15所示，一种基于LTCC工艺的限幅滤波器，可以设计出其集总元件等效电路，限幅滤波器包含两个与主传输线相并联的PIN二极管：diode1、 diode2 ，同时在主传输线上串联一个有90^O移相功能的带通滤波器。Port1 和 Port2 作为信号的输入输出端口；TL2、 TL6 为 50 欧姆阻抗匹配的微带主传输线，TL3 、TL5为 PIN二极管和主传输线上的带通滤波器的连接微带线式T型接口，TL1、 TL4为微带线结构的并联分支短截线的负载；在TL3、 TL5之间主传输线上为具有一个传输零点的带通滤波器，其主要由两个并联接地电容C1 、C2 一个并联接地电感L3和两个串联电感 L1 、L2一个串联电容C3来组成。整个滤波器在完成带通性能的同时也具备了90^O移相功能。

本发明进一步的技术方案是基于LTCC工艺设计出来的三维电容电感元件内埋基板，首先在基板表面金属层绘制出输入输出端口为50欧姆阻抗匹配的微带传输线TL2、TL6，TL1、TL4作为微带线结构的并联分支短接线负载，一端连接微带T型接口，另一端作为PIN二极管引脚连接焊盘；。并联到主传输线上的PIN二极管，正极引脚连接TL1、TL4金属层上的连接焊盘，负极通过基板的圆形过孔接入地极；内埋的带通滤波器利用金属过孔与表层的微带线相连，在 Port1 端口一侧的微带线通过一层到三层的方形金属过孔与第三层金属层相连接， Port2 端口另一侧的微带线通过一层到四层的方形金属过孔与第四层金属层相连接；在内埋带通滤波器内，C1并联电容和L1 串联电感通过第三层金属带线节点相连；同时第三层金属带线，还作为L2串联电感和C3 串联电容的连接节点；第三层到第七层的金属圆形过孔作为L1、L2串联电感和C2 接地电容、L3 接地电感的连接节点；电容采用内埋 VIC 式电容模型，电感采用内埋螺旋叠层式电感模型，其模型的特点是在微带线式电感电容模型的基础上，用基板的三维纵向尺寸来减小模型所需要的横向尺寸从而达到集总电路模型所需要的电容电感值。C1、C2、C3的电容模型均采用内埋金属层交指面板方式实现，L1、L2的电感模型采用带线金属顺时针螺旋方式实现，L3接地电感直接用带线模型和接地金属过孔完成。

如图 2所示，它是根据图 1的集总元件等效电路图所做的三维结构 layout 视图，其实例化的具体参数为：所用 LTCC 陶瓷材料的相对介电常数为 9.6，采用共15层介质，每层介质厚度为0.025mm，第十五层（底层）为0.300mm;电介质损耗正切角为0.002，金属材料为银，每层上方的金属层厚度为0.010mm 。

如图1、图3所示，第一层为微带传输线，TL2 、TL6面积为1mm*1mm ,TL3、TL5面积为 1mm*1mm ，TL1、TL4面积为2mm*1mm ；两个 PIN二极管使用 M/A-COM 公司的 MA4GP905 型号，其封装位置见图3，二极管正极的封装焊盘在TL1、TL4微带线上，负极通过第一层到底层的圆形金属过孔与地极相连接,焊盘尺寸宽C=0.13mm,长=0.10mm。圆形过孔的物理半径尺寸 R=0.1mm ,方形过孔的物理面积尺寸为0.2mm*0.2mm ; 内埋的电感电容通过第三层和第七层的带线传输线来连接，带线的线宽W=0.2mm。

如图7所示，并联接地电容5a采用二层交指面板方式实现，第三层金属层与4a节点相连，第十层金属层通过金属圆形过孔与地极相连，中间介质层为第三层到第九层，电容金属板的有效面积（L*W）为1.5mm*1.0mm。

如图8所示， 6b 为第三层金属层，6d为第五层金属层、7b为第三层到第五层方形金属过孔。

如图9所示，串联电感5b、 5d采用3层顺时针螺旋方式实现，在第三层、第5层和第七层的电感带线宽W=0.2mm ，5b的第三层金属层与4a节点相连，第七层金属层与4b节点相连，5d的第三层金属层与4c节点相连，第七层金属层与4b节点相连。

如图10所示，6b为第三层金属层，6c为第四层金属层，6d为第五层金属层， 7c 为第三层到第七层金属过孔。

如图11所示，串联电容5c采用4层交指面板方式实现，第三层、第七层金属层通过金属过孔与4b节点相连，第五层、第九层金属层通过金属圆形过孔接地，电容金属板的有效面积为0.45mm*0.80mm。

如图12所示， 6b为第三层金属层，6d为第五层金属层，6e为第七层金属层，6f为第九层金属层，7b为第三层到第五层方形金属过孔，7c 为第三层到第七层金属过孔。

如图13所示，串联电容5e串联电容采用二层交指面板方式实现，第三层金属层与4c节点相连，第四层金属层与3b方形金属过孔相连，电容金属板的有效面积为 0.4mm*0.6mm。

如图14所示，6b为第三层金属层，7b 为第三层到第五层方形金属过孔。

如图15所示，并联接地电感5f接地电感采用带线方式实现，第三层金属层一端接4b节点，另一端通过圆形金属过孔接地，带线有效面积为1.20mm*0.20mm。

如图16所示，6b为第三层金属层，6c为第四层金属层。

本发明具体实施方式所做的限幅器滤波器模型小信号幅频特性仿真结果如图 17 所示，该带通滤波器工作于 2.2GHz~2.6GHz，在通带内衰减小于1.3dB，通带内回波损耗大于13dB，在1.4GHz以下的频段内外带抑制大于18dB、在3.2GHz以上很大的频段内外带抑制大于20dB，在中心频率（ f0=2.4GHz）工作时 , M1点插入损耗 IL =0.02dB， M2点输入反射系数S11=-24 dB，相当于输入驻波比（VSWR）=1.14;

从仿真后噪声特性图18中看出，在中心工作频率点，从两个端口看入的噪声系数NF<0.8 dB ,说明该器件在微波接受系统的前端不会给LNA系统带来过大的噪声。

在相频特性图19中看出，滤波器在通带内的相位与频率基本成线性关系，在中心工作频率 f0=2.4GHz的M3点，主传输线可以完成-890 大约为90度的相位转移。

在大信号功率仿真结果图20中看出：滤波器在f0=2.4GHz工作频率内起到了限幅功能， M4 点：输入功率10dbm，输出功率9.4dbm；M5 点：输入功率20dbm，输出功率13.2dbm；M6 点输入功率-10dbm，输出功率-10.2dbm；从仿真结果看出，在小信号功率输入时，几乎没有能量损耗，当输入功率超过10dbm时，会出现明显信号功率衰减。

本发明采用多层的LTCC工艺，充分利用基板的三维空间，使无源元件在基板内部灵活配置，除去了无源元件在基板表面贴装的步骤，从而使得器件整体结构更加紧凑，达到实现小型化的设计目的。同时本发明相比于现有将滤波器和限幅器简单串联成一个模块的方式，提出一种新型的模型，就是利用限幅器双短截线的结构特点在四分之一波长主传输线上嵌入带通滤波器，使器件整体上既能实现限幅特性又能实现带通的选频特性，而且极大程度上完成了小型化设计，节约基板横向物理使用面积。本发明主要是从电路结构模型和封装工艺上进行改进，完成小型化设计的目的，同时保障器件原有的限幅和带通选频的特性。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域技术人员根据本发明的构思，所做出的适当变通或修改，都应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，包括内设有无源器件的LTCC陶瓷基板、金属外壳器件和金属外壳，在LTCC陶瓷基板的表面设有源元件，其特征在于：所述有源元件包括两支PIN二极管，PIN二极管正极通过微带线并联在90^O相位转移的主传输线的两端，负极通过金属过孔接地，LTCC陶瓷基板内嵌带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，其特征是：所述LTCC陶瓷基板表面采用金属微带线作为信号传输线和PIN二极管的焊接点；在LTCC陶瓷基板内部滤波器的集总型等效电容电感采用内埋 VIC 式电容模型和内埋螺旋叠层式电感模型设计制作，金属过孔作为层与层金属板之间的连接纽带；所述金属外壳器件周围填充陶瓷介质材料，金属微带线及金属过孔周围填充陶瓷介质材料。

3.根据权利要求2所述的低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，其特征是：所述集总元件等效电路模型包括信号的输入输出端口Port1 、Port2 ，50 欧姆阻抗匹配的微带主传输线TL2、 TL6， PIN二极管和主传输线上的带通滤波器的连接微带线式T型接口TL3 、TL5，微带线结构的并联分支短截线的负载TL1、 TL4，在T型接口TL3 、TL5之间的主传输线上为具有一个传输零点的带通滤波器，所述的带通滤波器由并联接地电容C1 、C2 、串联电容 C3、并联接地电感 L3、串联电感 L1 、L2组成。

4.根据权利要求3所述的低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，其特征是：所述表层金属线为微带传输线，作为整体器件的输入输出端口，其T型微带线连接着并联分支短截线负载，同时作为PIN二极管的引脚焊盘；微带主传输线通过圆形金属过孔与内埋式带通滤波器相连接；Port1 端的微带线通过一层到三层的金属过孔与第三层金属层相连接， Port2 端的微带线通过一层到四层的金属过孔与第四层金属层相连接；C1并联电容和L1 串联电感通过第三层金属带线节点相连；同时第三层金属带线，还作为L2串联电感和C3 串联电容的连接节点；第三层到第七层的金属圆形过孔作为L1、L2串联电感和C2 接地电容、L3 接地电感的连接节点；C1、C2、C3的电容模型均采用内埋金属层交指面板方式实现，L1、L2的电感模型采用带线金属顺时针螺旋方式实现，L3接地电感直接用带线模型和接地金属过孔完。

5.根据权利要求4所述的低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器，其特征是：所述低温共烧陶瓷LTCC限幅滤波器首先是通过LTCC低温共烧工艺方式将LTCC多层陶瓷基板烧结出来，在基板的表面是金属微带线，基板的内部是三维电容电感模块，金属过孔作为介质层层与层之间金属板的连接节点和接地线，然后在LTCC基板上的微带线引脚焊接点焊接PIN二极管，通过仿真测试可以测出该模型具有带通滤波器的带通特性，同时又具有保护电路的限幅特性。