CN103944528A

CN103944528A - 一种高抑制ltcc低通滤波器

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Publication number: CN103944528A
Application number: CN201410201681.8A
Authority: CN
Inventors: 黄勇; 汪杰; 张慧景; 展丙章
Original assignee: Suzhou Bohai Microsystem Co Ltd; China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: Suzhou Bohai Microsystem Co Ltd; China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-05-13
Also published as: CN103944528B

Abstract

本发明公开了一种高抑制LTCC低通滤波器，包括输入端、输出端和接地端。通过在带外增加传输零点来提高滤波器带外抑制，电抗元件通过LTCC多层陶瓷技术按照一定的拓扑结构连接起来实现低通滤波器的功能。滤波器封装结构为标准的1206封装结构。滤波器内部的接地层通过LTCC基板侧面印刷的可焊导体相连，形成滤波器的接地电极。该低通滤波器具有体积小、成本低、带内插损小、带外抑制高、温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

Description

一种高抑制LTCC低通滤波器

技术领域

本发明属于电子技术领域，它涉及一种高抑制低通滤波器，并具体涉及一种考虑封装结构的低温共烧陶瓷(LTCC)低通滤波器。

背景技术

低通滤波器是射频电路中一个重要的无源器件，它的主要功能是使通带内信号低损耗通过的同时，尽可能的减少其它信号的通过。一个好的低通滤波器不仅要求带内低损耗、带外高抑制，而且要求有尽可能小的体积。

传统的低通滤波器一般采用切比雪夫低通滤波器原型电路，这种滤波器的带外抑制随着阶数的增加而增大，但阶数增加带来的问题是元器件个数的增加以及滤波器插入损耗的增大。另外微波器件的小型化设计已经成为一种发展趋势，LTCC多层陶瓷技术是实现小型化设计的有效途径，通过该技术可以把电抗元件进行三维集成，从而减小滤波器平面面积。目前1206(3.2mm×1.6mm)的尺寸已经成为微波片式器件的一种标准封装尺寸，在这样的尺寸条件下一般可以实现5阶～7阶的低通滤波器，实现更高阶的低通滤波器会增加设计和加工的难度以及带来更高的带内插入损耗，满足不了实际的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术并且考虑1206封装结构的小型化高抑制低通滤波器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高抑制LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，其特征在于，该滤波器是五阶低通滤波器，包括两个串联于输入端和输出端之间的第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1和第二电感L2的两端与地之间分别并联第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，并增加三个传输零点，分别在第一电感L1上并联一第四电容C4形成并联谐振结构，在第一电容C1和第三电容C3上分别串联第三电感L3、第四电感L4形成串联谐振结构，通过调节谐振结构的谐振频率来确定传输零点的位置；

所述五阶低通滤波器由多层介质基板形成，每层介质基板上相应地具有一金属层。

所述介质基板共23层，其中，在滤波器上、下表面各印刷有四个可焊金属导体面，两个侧面与上下表面金属相对应的位置印刷有可焊金属面形成接地电极，两个端头面覆盖有可焊金属形成输入、输出端。

所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4采用多层螺旋电感，不同介质基板之间形成电感的金属层用通孔实现互连。

所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4通过不同介质基板之间的金属层形成极板。

第1、10金属层为接地层，并且这两层接地层通过侧面的可焊导体连接在一起；所述第1、3、5层介质基板上的金属层是接地的第一电容C1和第三电容C3的一个极板，第一电容C1和第三电容C3的另外一个极板是第2、4层介质基板上的金属层。

第10、12、14、16、18、20层介质基板上的金属层为接地的第二电容C2的一个极板，第二电容C2的另一个极板是第13、15、17、19层介质基板上的金属层。

第14层介质基板上的金属层为第四电容C4的一个极板，第四电容C4另外一个极板是第13、15层介质基板上的金属层。

第2、3、4、5、6层介质基板上的金属层分为两部分，分别构成螺旋电感第三电感L3和第四电感L4；第17、18、19、20介质基板上的金属层分为两部分，分别构成螺旋电感第一电感L1、第二电感L2。

第2、3、4、5、6层介质基板上的金属层构成的电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第三电感L3的始端和第四电感L4的终端都在第6层，第三电感L3的终端和第四电感L4的始端都在第2层；第三电感L3的始端与输入端相连，第四电感L4的终端与输出端相连；第三电感L3的终端与第一电容C1在第2层上的极板相连，第四电感L4的始端与第三电容C3在第2层上的极板相连。

第17、18、19、20层介质基板上的金属层构成的电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第一电感L1的始端与输入端相连，第二电感L2的终端与输出端相连；第一电感L1的终端与第二电容C2在第17层上的极板相连，第二电感L2的始端与第二电容C2在第17层上的极板相连。

本发明所达到的有益效果：

本发明高抑制低通滤波器以切比雪夫低通滤波器为原型，通过增加传输零点的方法来提高滤波器的带外抑制。本发明以一个3dB截止频率为470MHz的五阶低通滤波器为例，通过增加了三个传输零点提高带外抑制进行说明。这三个传输零点包括一个并联谐振零点和两个是串联谐振零点，产生的零点位置可以通过调节这三个谐振电路的谐振频率来调节。这样就可以在不增加滤波器阶数的情况下提高带外抑制。滤波器所有的电抗元件最终通过LTCC叠层结构实现，电感采用平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，然后通过垂直通孔实现不同层之间的互连；电容采用垂直交指电容结构，这种实现方式能够显著减小滤波器尺寸。

此外，考虑到滤波器的使用，把滤波器内部的多层地线通过侧面的导体连接起来，并和滤波器的底面接地焊盘相连接，滤波器的输入输出端也通过端头的导体焊盘相连，形成一个独石结构。使用时只需要把滤波器通过这些基板表面的焊盘按照规定的方法焊接在电路板上即可。

附图说明

图1是本发明的5阶切比雪夫低通滤波器的原型电路图；

图2是本发明的增加三个传输零点的5阶切比雪夫低通滤波器的电路图；

图3是本发明具体实施方式所述的LTCC低通滤波器的封装示意图；

图4是本发明具体实施方式所述的LTCC高抑制低通滤波器的内部结构示意图；

图5是本发明具体实施方式所述的LTCC高抑制低通滤波器的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图１所示是一个5阶的切比雪夫低通滤波器的原型电路，为了提高滤波器的带外抑制，本实施例中在这个原型电路的基础上增加三个电抗元件，包括电感L3、L4、电容C4，形成传输零点，如图2所示。这三个传输零点分别由并联谐振腔电感L1、电容C4,串联谐振腔电感L3、电容C1和串联谐振腔电感L4、电容C3产生，传输零点的位置可以通过谐振腔的电抗元件值来控制。通过传输零点的设计，可以使得滤波器在为低通滤波器的3dB截止频率处的抑制达到40dB以上，而且滤波器的通带内插入损耗也不会增加。而如果采用增加滤波器阶数来达到相同的带外抑制要求，需要至少9阶，且滤波器的损耗会增加。本发明的目的是把图2所示的原理电路用LTCC多层陶瓷技术在3.2mm×1.6mm的面积范围内实现，实现该高抑制滤波器的小型化。

图3所示是采用LTCC实现的低通滤波器的封装示意图。整个器件尺寸为3.2mm×1.6mm×1.15mm，本实施例中采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.8，共23层，每层介质的厚度为0.05mm，金属导体采用银。滤波器包括了一个LTCC陶瓷基板，在基板的两个侧面印刷了可焊的金属导体条带作为滤波器的接地电极；在基板的两个端头覆盖了可焊金属导体作为滤波器的输入输出电极；使用时只需要按照正确的方法通过这些可焊的金属把滤波器焊接在电路板上即可。

图4所示是采用LTCC实现图2中所有电抗元件的三维结构图。图中共23层介质层，为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离，另外侧面以及顶面和底面的焊盘没有画出。图4并不能代表本发明低通滤波器的实际尺寸比例关系，本发明低通滤波器的实际尺寸比例关系、连接关系和封装结构如图2所示。

图4中，第1层金属位于第1层介质基板的上表面，第2层金属位于第2层介质的上表面，依次类推，第23层金属位于第23层介质基板的上表面。第1层到第23层金属都采用印刷工艺印制在每层介质基板的上表面，最底下的封装层的金属印制在第1层介质基板的下表面。所有的介质基板都是相同型号的LTCC陶瓷材料。

第1、10金属导体为接地层，并且这两层接地层通过侧面的金属导体条连接在一起；所述第1、3、5层的金属导体是到地电容C1和C3的一个极板，电容C1和C3另外一个极板是第2、4层的金属导体。第10、12、14、16、18、20层为到地电容C2的一个极板，电容C2的另一个极板是第13、15、17、19层的金属导体。第14层金属导体为电容C4的一个极板，电容C4另外一个极板是第13、15层的金属导体。第2、3、4、5、6层的金属导体构成螺旋电感L3、L4，从左到右依次为L3、L4；第17、18、19、20金属导体层构成螺旋电感L1、L2，从左到右依次为L1、L2。第7、8、9、11、21、22、23层为0.05mm厚度的LTCC陶瓷板，这些层的陶瓷板上面没有金属，加入这些陶瓷板的目的是为了减小电感与电容或电感与地面之间的寄生效应。

第3层上金属地上开了两个直径为0.3mm的过孔，便于直径为0.05mm的通孔通过；第14、16、18层上金属地上分别开了一个直径为0.3mm的过孔，便于直径为0.05mm的通孔通过。为了避免金属第1、10层上的金属地和输入输出端导体电极短路，这两层金属地的四个角都剪掉了 0.15mm×1.1mm面积的矩形块。

第1、3、5、10、12层的金属地之间除了通过侧边的金属连接外，还通过7个直径0.05mm的通孔相连接。

第2、4、13、15、17、19层上的电容的板极是矩形金属层，该板极和金属通孔相连；第12、17层的上的电容板极是矩形金属层，这些板极和金属通孔相连。

本实施例中，第6、20层与滤波器输入输出端相连接的矩形均为0.15mm×0.225mm，第14层与滤波器输入端相连接的矩形为0.15mm×0.3mm。

第2、3、4、5、6上的金属导体层构成的螺旋电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过垂直的金属通孔将上下两层微带线连接在一起；其中左边的螺旋微带线为电感L3，右边的螺旋微带线为电感L4，电感L3的始端和电感L4的终端都在第6层，电感L3的终端和电感L4的始端都在第2层。电感L3的始端与滤波器的输入端IN相连，电感L4的终端与滤波器的输出端OUT相连。电感L3的终端与电容C1在第2层上的极板相连，电感L4的始端与电容C3在第2层上的极板相连。

第17、18、19、20层上的金属导体构成的电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过相垂直的金属通孔将上下两层微带线连接在一起；其中左边的螺旋微带线为电感L1，右边的螺旋微带线为电感L2。电感L1的始端与滤波器的输入端IN相连，电感L2的终端与滤波器的输出端OUT相连。电感L1的终端与电容C2在第17层上的极板相连，电感L2的始端与电容C2在第17层上的极板相连。

所有金属通孔的直径为0.05mm，而且每一层的金属微带线如果要与金属通孔相连时，必须在金属微带线与金属通孔相连的位置加上直径为0.075mm的圆形金属。

本发明高抑制LTCC低通滤波器的测试结果如图5所示。该低通滤波器的通带频率为DC～400MHz，3dB截止频率为470MHz，通带内插入损耗不大于1.0dB，阻带频率为710MHz～3000MHz，阻带抑制不小于40dB，通带内驻波比（VSWR）不大于1.5。

滤波器以一个五阶低通滤波器为例，通过在带外增加三个传输零点来提高滤波器带外抑制，而滤波器带内插入损耗也不会增大。低通滤波器的输入输出通过印刷在LTCC基板两个端头的焊盘实现；滤波器内部的接地层通过LTCC基板侧面印刷的可焊导体相连，形成滤波器的接地电极。

综上，本发明提供的考虑封装结构的高抑制LTCC低通滤波器具有体积小、插入损耗小、带外抑制高、温度稳定性好的优点，可以进行贴片，方便使用，便于和其他微波元件集成。而且本发明低通滤波器是基于LTCC工艺的，制造成本低，适合批量生产。该低通滤波器可广泛应用于无线通信领域。

需要注意的是，上述具体实施仅仅是示例性的，在本发明的上述指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形都在本发明的保护范围内。

本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1. 一种高抑制LTCC低通滤波器，包括输入端和输出端，其特征在于，该滤波器是五阶低通滤波器，包括两个串联于输入端和输出端之间的第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1和第二电感L2的两端与地之间分别并联第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，并增加三个传输零点，分别在第一电感L1上并联一第四电容C4形成并联谐振结构，在第一电容C1和第三电容C3上分别串联第三电感L3、第四电感L4形成串联谐振结构，通过调节谐振结构的谐振频率来确定传输零点的位置；

2. 根据权利要求1所述的高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，所述介质基板共23层，其中，在滤波器上、下表面各印刷有四个可焊金属导体面，两个侧面与上下表面金属相对应的位置印刷有可焊金属面形成接地电极，两个端头面覆盖有可焊金属形成输入、输出端。

3. 根据权利要求2所述的高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4采用多层螺旋电感，不同介质基板之间形成电感的金属层用通孔实现互连。

4. 根据权利要求2所述的高抑制LTCC 低通滤波器，其特征在于，所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4通过不同介质基板之间的金属层形成极板。

5. 根据权利要求1、2或4所述的高抑制LTCC 低通滤波器，其特征在于，第1、10金属层为接地层，并且这两层接地层通过侧面的可焊导体连接在一起；所述第1、3、5层介质基板上的金属层是接地的第一电容C1和第三电容C3的一个极板，第一电容C1和第三电容C3的另外一个极板是第2、4层介质基板上的金属层。

6. 根据权利要求1、2或4所述的高抑制LTCC 低通滤波器，其特征在于，第10、12、14、16、18、20层介质基板上的金属层为接地的第二电容C2的一个极板，第二电容C2的另一个极板是第13、15、17、19层介质基板上的金属层。

7. 根据权利要求1、2或4所述的高抑制LTCC 低通滤波器，其特征在于，第14层介质基板上的金属层为第四电容C4的一个极板，第四电容C4另外一个极板是第13、15层介质基板上的金属层。

8. 根据权利要求3所述的高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第2、3、4、5、6层介质基板上的金属层分为两部分，分别构成螺旋电感第三电感L3和第四电感L4；第17、18、19、20介质基板上的金属层分为两部分，分别构成螺旋电感第一电感L1、第二电感L2。

9. 根据权利要求8所述的高抑制LTCC低通滤波器，其特征在于，第2、3、4、5、6层介质基板上的金属层构成的电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第三电感L3的始端和第四电感L4的终端都在第6层，第三电感L3的终端和第四电感L4的始端都在第2层；第三电感L3的始端与输入端相连，第四电感L4的终端与输出端相连；第三电感L3的终端与第一电容C1在第2层上的极板相连，第四电感L4的始端与第三电容C3在第2层上的极板相连。

10. 根据权利要求8所述的高抑制LTCC 低通滤波器，其特征在于，第17、18、19、20层介质基板上的金属层构成的电感为平面螺旋与垂直螺旋相结合的螺旋电感，每一层上都是由宽度为0.09mm的微带线绕成2圈或3圈平面螺旋结构，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；第一电感L1的始端与输入端相连，第二电感L2的终端与输出端相连；第一电感L1的终端与第二电容C2在第17层上的极板相连，第二电感L2的始端与第二电容C2在第17层上的极板相连。