CN104022333A - 一种功率比为1∶2的ltcc功分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率比为1∶2的LTCC功分器，包括一个输入端和两个输出端。所述功分器由集总参数元件构成的电抗网络构成，并通过LTCC多层结构实现这些元件。集总参数元件采用垂直串联结构，极大地缩小了体积。电感部分位于第7到9层，电容部分位于第2和21层。该功分器的信号输入和输出通过侧面导体实现。功分器具有体积小、成本低、隔离度高、温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

Description

一种功率比为1∶2的LTCC功分器

 

技术领域

本发明属于电子技术领域，它涉及一种功分器，并具体涉及一种考虑封装结构的低温共烧陶瓷(LTCC)功分器。

背景技术

1:2功分器是射频电路中一个重要的三端口无源器件，它的主要功能是实现输入信号的分配，或者相反实现两个输入信号的合成。一个好的功分器要求工作频带比较宽，插入损耗小，以及两路信号之间的隔离度高。另外功分器的体积尽可能小也是电子系统向小型化、轻量化发展的需要。

传统的功分器一般采用Wilkinson功分器形式，通过四分之一波长的阻抗线实现阻抗匹配，阻抗线的实现采用平面结构，占用的面积比较大，不能满足射频电路对小型化的要求。另外为了实现功分器的高隔离度，两个输出端之间还需要焊接一个隔离电阻。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于采用两级Wilkinson功分器原理电路提供一种基于LTCC技术并且考虑封装结构的功分器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种功率比为1:2的LTCC功分器，包括了一个输入端和两个输出端，其特征在于，该功分器由集总参数元件构成的电抗网络构成，集总参数元件采用垂直串联结构；集总参数电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结工艺形成电路；所述输入端信号通过T型结分成两路信号，两路信号分别通过一第一级电抗网络实现阻抗变换，且这两路信号通过两个电抗网络末端相连的隔离电阻实现隔离；两路信号经过第二级阻抗变换器后分别通过导体连接线和侧面的输出端电极相连，输出两路功率比为1:2的信号。

两路信号中的第一路信号通过其第一级电抗网络中的电容C11、电感L11、电容C12和其第二级电抗网络中的电容C13、电感L12、电容C14构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；第二路信号通过其第一级电抗网络中的电容C21、电感L21、电容C22和其第二级电抗网络中的电容C23、电感L22、电容C24构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；其中，电感L11、电感L12串联在输入端与第一输出端之间，电容C11和电容C12分别并联在电感L11的两端与地层之间，电容C13和电容C14分别并联在电感L12的两端与地层之间；电感L21、电感L22串联在输入端与第二输出端之间，电容C21和电容C22分别并联在电感L21的两端与地层之间，电容C23和电容C24分别并联在电感L22的两端与地层之间。

包括多层LTCC介质基板，并在各层介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。

所述电感L11、电感L21采用多层螺旋电感，不同层之间的金属导体用通孔实现互连，电感L12、电感L22采用直导线电感。

所述电抗网络中的各电容通过设置在不同LTCC层之间的极板实现。

所述的隔离电阻印刷在第8层介质基板的上表面，隔离电阻两端的导体分别和第一级两个电抗网络的末端相连。

第1、17层介质基板上的导体为金属地层，并且这两层金属地层通过侧面的矩形导体连接在一起。

第8层介质基板上的导体为输入端信号线，和输入端焊盘相连；该信号线通过通孔连接到第8层的T型结，把信号分成左右两路。

第2层介质基板上的导体为电容C11、电容C21的一个极板，电容C11和电容C21的另外一个极板是第1层介质基板上的金属地层。

第30层介质基板上的左边导体为电容C12和电容C22的一个板极，电容C12和电容C22的另外一个极板是第17层介质基板上的金属地层。

螺旋电感由设置在第7到8层介质基板上的金属导体层构成，每一层介质基板上都是由宽度为0.2mm和0.3mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；两个螺旋电感的始端在第7层介质基板上，并和第8层介质基板上的T型结通过通孔相连，两个螺旋电感电感的终端在第9层介质基板上，并通过通孔和第21层介质基板上的隔离电阻R1相连。

第20层介质基板上的金属导体层构成直导线电感。

本发明所达到的有益效果：

本功分器采用两级阻抗变换器实现功分器。阻抗变换器一般采用四分之一波长的微波传输线来实现，为了减小功分器的体积，四分之一波长的微波传输线可以用集总参数的电抗网络来等效，并通过LTCC多层结构来实现集总参数电抗网络。集总参数电感采用垂直结构的螺旋电感，不同层之间的导体通过通孔实现互连。集总参数的电容采用垂直交指电容结构。这样实现可以显著地减小功分器的尺寸。隔离电阻采用印刷电阻浆料的工艺来实现，提高了功分器的集成度和可靠性。

此外，考虑到功分器的使用，把功分器内部的多层地线通过侧面的导体连接起来，并和功分器的底面接地焊盘相连接，功分器的输入输出端也通过侧面的导体以及功分器的底面焊盘相连，形成一个独石结构。

本发明的LTCC功分器功分器具有体积小、成本低、隔离度高、温度稳定性好、方便使用等优点，有利于批量生产。

附图说明

图1是本发明的LTCC功分器的原型电路图；

图2a、2b是本发明的LTCC功分器的等效集总参数电路图；

图3是本发明具体实施方式所述的LTCC功分器的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式所述的LTCC功分器的封装示意图；

图5是本发明具体实施方式所述的LTCC功分器的测试结果。

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是两级Wilkinson功分器的原型电路图。图中阻抗变换器的长度是四分之一波长的传输线，传输线的特征阻抗别为Z01、Z02、ZT1、ZT2。图2a、2b是用集总参数的电抗网络来等效图1中的四分之一波长的传输线。本发明的目的就是用LTCC工艺在尽可能小的体积范围内实现图2a或其等效的图2b中的所有电容、电感以及电阻元件。

实施例1

本实施例中是用LTCC工艺在尽可能小的体积范围内实现图2a中的所有电容、电感以及电阻元件。

功率比为1:2的LTCC功分器，包括了一个输入端和两个输出端，该功分器由集总参数元件构成的电抗网络构成，集总参数元件采用垂直串联结构；集总参数电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结工艺形成电路；输入端信号通过T型结分成两路信号，两路信号分别通过一第一级电抗网络实现阻抗变换，且这两路信号通过两个电抗网络末端相连的隔离电阻实现隔离；两路信号经过第二级阻抗变换器后分别通过导体连接线和侧面的输出端电极相连，输出两路功率比为1:2的信号。

两路信号中的第一路信号通过其第一级电抗网络中的电容C11、电感L11、电容C12和其第二级电抗网络中的电容C13、电感L12、电容C14构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；第二路信号通过其第一级电抗网络中的电容C21、电感L21、电容C22和其第二级电抗网络中的电容C23、电感L22、电容C24构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；其中，电感L11、电感L12串联在输入端与第一输出端之间，电容C11和电容C12分别并联在电感L11的两端与地层之间，电容C13和电容C14分别并联在电感L12的两端与地层之间；电感L21、电感L22串联在输入端与第二输出端之间，电容C21和电容C22分别并联在电感L21的两端与地层之间，电容C23和电容C24分别并联在电感L22的两端与地层之间。

共设置21层LTCC介质基板C01-C21，并在各层介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。

电感L11、电感L21采用多层螺旋电感，不同层之间需要连接在一起的金属导体用通孔实现互连，电感L12、电感L22采用直导线电感。如结合图2a，电容C11、C21一个极是与输入信号、电感L11、L21的一端连接的，而输入信号、电感L11、L21均是设在第8层，所以第2层与第8层之间通过通孔连通。

电抗网络中的各电容通过设置在不同LTCC层之间的极板实现。

隔离电阻R1印刷在第8层介质基板的上表面，隔离电阻两端的导体分别和第一级两个电抗网络的末端相连。

第1、17层介质基板上的导体为金属地层，并且这两层金属地层通过侧面的矩形导体连接在一起。

第8层介质基板上的导体为输入端信号线，和输入端焊盘相连；该信号线通过通孔连接到第8层的T型结，把信号分成左右两路。

第2层介质基板上的导体为电容C11、电容C21的一个极板，电容C11和电容C21的另外一个极板是第1层介质基板上的金属地层。

第30层介质基板上的左边导体为电容C12和电容C22的一个板极，电容C12和电容C22的另外一个极板是第17层介质基板上的金属地层。

螺旋电感L11、L21由设置在第7到8层介质基板上的金属导体层构成，每一层介质基板上都是由宽度为0.2mm和0.3mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；两个螺旋电感的始端在第7层介质基板上，并和第8层介质基板上的T型结通过通孔相连，两个螺旋电感电感的终端在第9层介质基板上，并通过通孔和第21层介质基板上的隔离电阻R1相连。

第20层介质基板上的金属导体层构成直导线电感L12、L22。

其余层作为介质填充层并在这些层中通过金属通孔形式连接各图形层。

实施例2

将图2a中的LTCC功分器的等效集总参数电路简化后得图2b中所示的等效集总参数电路，本实施例中是用LTCC工艺在尽可能小的体积范围内实现图2b中的所有电容、电感以及电阻元件。

图3所示是采用LTCC实现图2a、2b中所有集总参数元件的三维结构图。图中共21层介质基板C01-C21，为了说明连接关系，层与层之间尽量拉开了距离，另外侧面以及底面的焊盘没有画。本发明功分器的实际尺寸比例和封装结构图如图4所示。

图3中，第1层金属位于第1层介质基板C01的上表面，第2层金属位于第2层介质基板C02的上表面，依次类推，第8层金属位于第8层介质基板C08的上表面。第1层到第8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C01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、17金属导体层为金属地层，并且这三层金属地通过侧面的金属和底面的接地焊盘相连。第8层金属通过通孔和底面的输入端焊盘相连，用于导入信号。第2层金属导体为接地电容C1的一个极，这个电容C1的另外一个极是第1层的金属地层。第7到8层金属导体构成垂直螺旋电感，左边为电感L11，右边为电感L21。第21层左边金属导体为接地电容C2的一个极，右边金属为接地电容C3的一个极，这两个电容C2、C3的另外一个极是第17层的金属地层。隔离电阻R1印刷在第21层上。第20层上左边金属导体为电感L12、电容C14，右边为电感L22、电容C24，并通过侧边导体和输出端焊盘相连；第8层上的金属的一端通过通孔和电感L11、L12相连，另一端通过侧边导体和底面的信号输入端焊盘相连。

第2层的电容板极是圆金属层，该板极和金属通孔相连；第21层的电容板极是矩形金属层，这些板极和金属通孔相连。

第7到8层构成的电感为垂直螺旋电感，每一层都是由宽度为0.2mm和0.3mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；左边的螺旋线为电感L11，右边的螺旋线为电感L21，这两个电感L11、L21的始端都在第7层，并和第8层的T型结通过通孔相连，两个电感的终端在第9层，并通过通孔和第21层的隔离电阻R1相连。

第2层电容C1板极和电感L11、L21的始端通过通孔相连；第21层电容C2板极和电感L12、L22的始端通过通孔相连；第21层电容C3板极和电感L21、L22的始端通过通孔相连。

本发明LTCC功分器的整体封装结构示意图如图4所示。整个器件尺寸为9.3mm×3.56mm×2.04mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.8，每层介质的厚度为0.096mm，金属导体采用银。

本发明LTCC功分器的设计测试结果如图5所示。

该功分器的工作频率为1.9GHz～2.47GHz，相对带宽为26%，插入损耗小于0.6dB(不包含功分器固有的传输损耗)，相位不平衡度小于3o，隔离度大于20dB。

综上，本发明提供的考虑封装结构的LTCC功分器具有体积小、插入损耗小、隔离度高的优点，可以进行贴片，便于和其他微波元件集成。而且本发明功分器是基于LTCC工艺的，制造成本低，适合批量生产。该功分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 (12)

1.一种功率比为1:2的LTCC功分器，包括了一个输入端和两个输出端，其特征在于，该功分器由集总参数元件构成的电抗网络构成，集总参数元件采用垂直串联结构；集总参数电抗网络导体印刷在LTCC多层生瓷表面，并通过打孔、填孔、网印、层压、烧结工艺形成电路；所述输入端信号通过T型结分成两路信号，两路信号分别通过一第一级电抗网络实现阻抗变换，且这两路信号通过两个电抗网络末端相连的隔离电阻实现隔离；两路信号经过第二级阻抗变换器后分别通过导体连接线和侧面的输出端电极相连，输出两路功率比为1:2的信号。

2.根据权利要求1所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，两路信号中的第一路信号通过其第一级电抗网络中的电容C11、电感L11、电容C12和其第二级电抗网络中的电容C13、电感L12、电容C14构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；第二路信号通过其第一级电抗网络中的电容C21、电感L21、电容C22和其第二级电抗网络中的电容C23、电感L22、电容C24构成的电抗网络，实现阻抗变换功能；其中，电感L11、电感L12串联在输入端与第一输出端之间，电容C11和电容C12分别并联在电感L11的两端与地层之间，电容C13和电容C14分别并联在电感L12的两端与地层之间；电感L21、电感L22串联在输入端与第二输出端之间，电容C21和电容C22分别并联在电感L21的两端与地层之间，电容C23和电容C24分别并联在电感L22的两端与地层之间。

3.根据权利要求1所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，包括多层LTCC介质基板，并在各层介质基板的两个相对侧面各印刷有三条矩形导体；在基板的下表面印刷有六个金属焊盘，分别和侧面的六条矩形导体相连。

4.根据权利要求2所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，所述电感L11、电感L21采用多层螺旋电感，不同层之间的金属导体用通孔实现互连，电感L12、电感L22采用直导线电感。

5.根据权利要求1所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，所述电抗网络中的各电容通过设置在不同LTCC层之间的极板实现。

6.根据权利要求2、3所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，所述的隔离电阻印刷在第8层介质基板的上表面，隔离电阻两端的导体分别和第一级两个电抗网络的末端相连。

7.根据权利要求3所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，第1、17层介质基板上的导体为金属地层，并且这两层金属地层通过侧面的矩形导体连接在一起。

8.根据权利要求3所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，第8层介质基板上的导体为输入端信号线，和输入端焊盘相连；该信号线通过通孔连接到第8层的T型结，把信号分成左右两路。

9.根据权利要求3所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，第2层介质基板上的导体为电容C11、电容C21的一个极板，电容C11和电容C21的另外一个极板是第1层介质基板上的金属地层。

10.根据权利要求3所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，第30层介质基板上的左边导体为电容C12和电容C22的一个板极，电容C12和电容C22的另外一个极板是第17层介质基板上的金属地层。

11.根据权利要求4所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，螺旋电感由设置在第7到8层介质基板上的金属导体层构成，每一层介质基板上都是由宽度为0.2mm和0.3mm的带状线绕成3/4矩形，然后通过垂直通孔将上下两层微带线连接在一起；两个螺旋电感的始端在第7层介质基板上，并和第8层介质基板上的T型结通过通孔相连，两个螺旋电感电感的终端在第9层介质基板上，并通过通孔和第21层介质基板上的隔离电阻R1相连。

12.根据权利要求4所述的功率比为1:2的LTCC功分器，其特征在于，第20层介质基板上的金属导体层构成直导线电感。