CN104241737B

CN104241737B - 一种基于谐振器耦合的ltcc滤波巴伦

Info

Publication number: CN104241737B
Application number: CN201410445926.1A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 徐金旭; 刘晓峰; 赵小兰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: CN104241737A

Abstract

本发明公开一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，包含一个半波长谐振器，两个四分之一波长谐振器，三条馈电线和四层地板，分布在十一层导体层上，通过金属化过孔连接；一个输入端口和两个输出端口分别位于三条馈电线上；半波长谐振器分别和两个四分之一波长谐振器耦合，这三个谐振器再分别与三条馈电线耦合，形成两个滤波网络，实现了滤波特性；另外，本发明利用半波长谐振器两开路端等幅反相的特性实现了两个输出端口180度的相位差；本发明采用的LTCC工艺包含多层结构，减小了滤波器的尺寸，具有新颖性、创造性和实用性。

Description

一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦

技术领域

本发明涉及可应用于射频前端电路中的滤波巴伦电路，具体涉及一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦。

背景技术

随着现代通信系统的不断更新换代，无线通信技术的飞速发展对射频前端电路元器件提出了更严格的要求，高性能，小型化，低造价等成为了现今评定元器件的重要指标。

巴伦是一种不可或缺的射频前端器件，它广泛应用于混频，放大等电路中的平衡与不平衡转换。在很多电路应用中，巴伦需要连接一个滤波器来作为对信号的筛选，这样必然增加了电路的成本，体积以及复杂性，所以为了降低通信系统的成本和缩小体积，把巴伦和滤波器的性能整合到一个电路中就很有必要。近年来，越来越多的方法被提出来设计滤波巴伦。首先，可以把巴伦和滤波器两个电路通过内部匹配电路整合为一个滤波巴伦，这是最简单的方法；但是这样得到的电路拓扑结构比较复杂，相对来说体积也比较大。然后另一种方法就是在带通滤波器上实现巴伦的功能，这种方法是使用了输入与输出端口相位不平衡特性，这样得到的电路拓扑结构比较简单，但是这需要一些特定的滤波器结构才能实现，不具有普遍的设计方法。此外，还有一些高度对称的四端口网络也用来实现滤波巴伦的特性。而本发明中所采用的基于谐振器耦合实现的滤波巴伦是通过谐振器本身的相位特性实现的巴伦效果，利用半波长谐振器两开路端等幅反相的特性，使两个滤波网络之间有180^o的相位差，形成滤波巴伦。

为了得到以上方法所述的滤波巴伦，各种各样的技术已经被用来制作电路，比如波导，腔体，印制电路板等，虽然滤波巴伦工作性能可以得到保证，但是结构的复杂性使得最终得到的射频器件体积往往比较大，不利于在实际中的广泛使用。

发明内容

为了克服以上提到的射频器件小型化与结构复杂之间的设计矛盾，本发明提供了一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦。该滤波巴伦采用低温共烧陶瓷技术，即LTCC技术，极大地缩小了器件的体积。LTCC多层结构的滤波巴伦除了具有小型化、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巴伦没有的特点。

本发明的目的采用如下技术方案实现：

一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，其特征在于整个滤波巴伦为LTCC多层结构，由十层介质基板、十一层导体层以及十个金属化过孔组成；所述的十层介质基板为LTCC陶瓷介质基板，由下而上顺次层叠；十一层导体层的原材料均采用金属银，并使用LTCC印刷工艺印制于介质基板的表面；第一导体层与第二导体层之间介质基板的厚度范围为0.05mm~0.15mm，第二导体层与第三导体层介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm，第三导体层与第四导体层介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm，第四导体层与第五导体层之间介质基板的厚度范围为0.05mm~0.15mm，第五导体层与第六导体层之间介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm，第六导体层与第七导体层之间介质基板的厚度范围为0.05mm~0.15mm,第七导体层与第八导体层之有两层介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm,第八导体层与第九导体层之间介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm,第九导体层与第十导体层之间介质基板的厚度范围为0.05mm~0.15mm，第十导体层与第十一导体层之间介质基板的厚度范围为0.15mm~0.25mm。

上述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦中，由第三导体层、第四导体层、第七导体层、第九导体层和第十导体层组成了一个半波长谐振器和两个四分之一波长谐振器；第三导体层由两条弯折成n形并呈左右对称放置的第五带状线和第六带状线构成，第五带状线的两端分别为第九端和第十端，第六带状线的两段分别为第十一端和第十二端；第四导体层由左右对称的第七带状线和第八带状线构成，第七带状线的两端分别为第十三端和第十四端，第八带状线的两端分别为第十五端和第十六端；第七导体层由第十带状线经多次弯折而成，其两端分别为第十九端和第二十端；第九导体层由第十一带状线和第十二带状线构成，第十一带状线的两端分别为第二十一端和第二十二端，第十二带状线的两端分别为第二十三端和第二十四端；第十导体层由两条弯折且呈中心对称放置的第十三带状线和第十四带状线构成，第十三带状线的两端分别为第二十五端和第二十六端，第十四带状线的两端分别为第二十七端和第二十八端；所述的第三导体层、第四导体层和第十导体层构成了两个四分之一波长谐振器，第七导体层和第九导体层构成了一个半波长谐振器并分别与两个四分之一波长谐振器耦合形成两个滤波网络；

上述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦中，由第二导体层与第六导体层构成了三条馈电线；第二导体层由第一带状线、第二带状线、第三带状线和第四带状线组成；在第一带状线的中间部位引出了第二端口，在第二带状线的中间部位引出了第三端口，这两个端口都作为本发明的负载端口；第六导体层由第九带状线弯曲而成，其两端分别为第十七端和第十八端，在靠近第十八端的部位引出了第一端口，作为本发明的源端口；所述的第三带状线、第四带状线和第九带状线构成了本发明源端的馈电线，其中的第九带状线与第七导体层的第十带状线形成宽边耦合，达到给半波长谐振器馈电的效果；第一带状线和第二带状线分别构成了本发明的两条负载端的馈电线，它们分别与两个四分之一波长谐振器形成宽边耦合来给两个四分之一波长谐振器馈电；此外，第三带状线与第一带状线相互靠近，形成源负载耦合，第四带状线与第二带状线相互靠近，形成源负载耦合；

上述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦中，使用第一导体层、第五导体层、第八导体层和第十一导体层作为所述的一个半波长谐振器，两个四分之一波长谐振器以及三条馈电线的地板；第一导体层和第十一导体层分别为矩形的第一地板和第四地板；第五导体层为第二地板，上面有一个开孔为第一开孔，还有三个开槽分别为第一开槽、第二开槽和第三开槽；第八导体层为第三地板，其形状与第二地板完全相同，上面有第二开孔、第四开槽、第五开槽和第六开槽；

上述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，其特征在于：采用十个金属化过孔实现了导体层与导体层之间的连接：第一金属化过孔连接第二十八端和第十一导体层；第二金属化过孔连接第二十六端和第十一导体层；第三金属化过孔连接第二十五端和第十三端，中间经过第一开槽和第四开槽；第四金属化过孔连接第二十七端和第十六端，中间经过第二开槽和第五开槽；第五金属化过孔连接第二十一端和第十九端，中间经过第二开孔；第六金属化过孔连接第二十三端和第二十端，中间经过第六开槽；第七金属化过孔连接第十七端和第六端，中间经过第一开孔；第八金属化过孔连接第十八端和第八端，中间经过第三开槽；第九金属化过孔连接第十端和第十四端；第十金属化过孔连接第十一端和第十七端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明所使用两个四分之一波长谐振器，相较于一般技术所采用的二分之一波长谐振器，有效地减小了器件的尺寸；同时本发明采用了LTCC多层结构工艺制造，进一步使滤波器结构更加紧凑；以上两种特征显著地减小了器件的体积，本发明尺寸的长、宽、高分别可以仅为2.8mm、2.3mm、1.6mm；

2.本发明所述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，由三条馈电线和三个谐振器组成，形成了两个滤波网络，实现了滤波效果；另外本发明所述的LTCC滤波巴伦利用了半波长谐振器两开路端等幅反向的特性实现了两输出端180度的相位差；同时还应用了源负载耦合，使通带的选择性有了很大的提高。

附图说明

图1是本发明的立体结构分层示意图；

图2是本发明的第一导体层俯视示意图；

图3是本发明的第二导体层俯视示意图；

图4是本发明的第三导体层俯视示意图；

图5是本发明的第四导体层俯视示意图；

图6是本发明的第五导体层俯视示意图；

图7是本发明的第六导体层俯视示意图；

图8是本发明的第七导体层俯视示意图；

图9是本发明的第八导体层俯视示意图；

图10是本发明的第九导体层俯视示意图；

图11是本发明的第十导体层俯视示意图；

图12是本发明的第十一导体层俯视示意图；

图13、图14分别是本发明的LTCC滤波巴伦实施例的频率响应特性曲线的幅度与相位差图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

如图1所示，一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，为LTCC多层结构，由十层介质基板、十一层导体层以及十个金属化过孔组成；所述的十层介质基板为LTCC陶瓷介质基板，由下而上顺次层叠；十一层导体层均采用金属银作为原材料，并使用LTCC印刷工艺印制于介质基板的表面；第一导体层1与第二导体层2相距0.1mm（即两者之间介质基板的厚度，下同），第二导体层2与第三导体层3相距0.2mm，第三导体层3与第四导体层4相距0.2mm，第四导体层4与第五导体层5相距0.1mm，第五导体层5与第六导体层6相距0.2mm，第六导体层6与第七导体层7相距0.1mm,第七导体层7与第八导体层8相距0.2mm,第八导体层8与第九导体层9相距0.2mm,第九导体层9与第十导体层10相距0.1mm，第十导体层10与第十一导体层11相距0.2mm；

如图2所示，第一导体层1为一块矩形的第一地板。

如图1和3所示，第二导体层2由第一带状线201、第二带状线202、第三带状线203和第四带状线204组成；在第一带状线201的中间部位引出了第二端口211，在第二带状线202的中间部位引出了第三端口221，这两个端口都作为本发明的负载端口。

如图1和图4所示，第三导体层3由第五带状线301和第六带状线302组成；这两条带状线都被弯折成n形，并呈左右对称放置。

如图1和图5所示，第四导体层4由第七带状线401和第八带状线402组成；两条带状线呈左右对称放置。

如图1和图6所示，第五导体层5为第二地板，上面有一个开孔为第一开孔501，还有三个开槽分别为第一开槽502、第二开槽503和第三开槽504，第二开槽503和第三开槽504左右对称。

如1和图7所示，第六导体层6由第九带状线601经过多次弯折形成，在靠近其中一端612处引出本发明的第一端口613，作为源端口。

如图1和图8所示，第七导体层7由第十带状线701经过多次弯折形成，其形状与第九带状线601完全相同。

如图1和图9所示，第八导体层8为第三地板，其形状与第五导体层5完全相同，上面有一个开孔为第二开孔801，还有三个开槽分别为第四开槽802、第五开槽803和第六开槽804，第五开槽803和第六开槽804左右对称。

如图1和图10所示，第九导体层9由两条弯折的第十一带状线901和第十二带状线902组成。

如图1和图11所示，第十导体层10由两条中心对称放置的第十三带状线1001和第十四带状线1002组成。

如图12所示，第十一导体层11为第四地板。

本实施例中，通带中心频率由半波长和四分之一波长谐振器长度决定，两输出端口的滤波特性由半波长谐振器和两半波长谐振器分别形成滤波网络得到，输出端反相特性由半波长两开路端等幅反相的特性决定，通带选择性通过源负载耦合的强度来调节；根据以上分析，本实施例获得了所需的通带滤波性能和反相效果。

作为举例，下面对本实施例的各项参数描述如下：

如图2至图12所示，L₁和L₂分别为第一地板的长和宽，L₁等于2.8mm，L₂等于2.3mm；第一带状线的长度和第二带状线的长度L₃相等，L₃等于2.4mm；两输出端口的长度为L₄等于0.35mm，宽度为W₄等于0.2mm；第三带状线的长度与第四带状线的长度L₅相等，L₅等于0.7mm；其中第一带状线和第三带状线的距离为S₁等于0.17mm；第五带状线的长度和第六带状线的长度L₆相等，L₆等于2mm；第七带状线的长度和第八带状线的长度L₇相等，L₇等于0.7mm；源端口的长度为L₉等于0.35mm，宽度为W₆等于0.23mm；第九带状线的长度和第十带状线的长度L₈相等，L₈=7.4mm；第十一带状线和第十二带状线的长度相等，L₁₀等于L₁₁等于2.1mm；第十三带状线的长度L₁₂和第十四带状线的长度相等，L₁₂等于2.4mm；第二地板各开槽尺寸分别为：W₁等于1mm，W₂等于0.4mm，W₃等于0.45mm；本案例中所述的带状线所采用的宽度均为W₅等于0.2mm；每层介质基板的厚度为0.1mm，导体层采用的是金属银作材料，介质基板为陶瓷，相对介电常熟Er为5.9，介质损耗正切tan为0.002，整个器件体积为2.8mm*2.3mm*1.6mm。

实验结果如图13和图14所示，图中包含S₁₁,S₂₁,S₃₁以及S₂₁与S₃₁的相位差，该滤波巴伦工作于5.2GHz，最小插入损耗为4.7dB，通带内回波损耗约为20dB，S₂₁在4.3GHz和7GHz处各有一个传输零点，S₃₁在6.5GHz处有一个传输零点，使得该滤波巴伦的选择性变好；另外两输出端的相位差约为180^o，误差小于1^o；可见，该滤波巴伦具有很好的滤波效果和反相特性。

综上，本发明提供了一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，具有体积小，插损小，滤波效果好，反相特性好的优异性能，可加工为贴片元件，易于与其他电路模块集成，可广泛应用于无线通信系统的射频前端中。

以上所描述的实施例是本发明中的一个教好的实施例，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，基于本发明所做的任何修改，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

1.一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦，其特征在于整个滤波巴伦为LTCC多层结构，由十层介质基板、十一层导体层以及十个金属化过孔组成；所述的十层介质基板为LTCC陶瓷介质基板，由下而上顺次层叠；十一层导体层的原材料均采用金属银，并使用LTCC印刷工艺印制于介质基板的表面；第一导体层（1）与第二导体层（2）之间介质基板的厚度为0.05mm~0.15mm，第二导体层（2）与第三导体层（3）介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm，第三导体层（3）与第四导体层（4）介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm，第四导体层（4）与第五导体层（5）之间介质基板的厚度为0.05~mm至0.15mm，第五导体层（5）与第六导体层（6）之间介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm，第六导体层（6）与第七导体层（7）之间介质基板的厚度为0.05mm~0.15mm,第七导体层（7）与第八导体层（8）之有两层介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm,第八导体层（8）与第九导体层（9）之间介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm,第九导体层（9）与第十导体层（10）之间介质基板的厚度为0.05mm~0.15mm，第十导体层（10）与第十一导体层（11）之间介质基板的厚度为0.15mm~0.25mm；由第三导体层（3）、第四导体层（4）、第七导体层（7）、第九导体层（9）和第十导体层（10）组成了一个半波长谐振器和两个四分之一波长谐振器；第三导体层（3）由两条弯折成n形并呈左右对称放置的第五带状线（301）和第六带状线（302）构成，第五带状线（301）的两端分别为第九端（311）和第十端（312），第六带状线（302）的两端分别为第十一端（321）和第十二端（322）；第四导体层（4）由左右对称的第七带状线（401）和第八带状线（402）构成，第七带状线的两端分别为第十三端（411）和第十四端（412），第八带状线（402）的两端分别为第十五端（421）和第十六端（422）；第七导体层（7）由第十带状线（701）经多次弯折而成，其两端分别为第十九端（711）和第二十端（712）；第九导体层（9）由第十一带状线（901）和第十二带状线（902）构成，第十一带状线（901）的两端分别为第二十一端（911）和第二十二端（912），第十二带状线（902）的两端分别为第二十三端（921）和第二十四端（922）；第十导体层由两条弯折且呈中心对称放置的第十三带状线（1001）和第十四带状线（1002）构成，第十三带状线（1001）的两端分别为第二十五端（1011）和第二十六端（1012），第十四带状线（1002）的两端分别为第二十七端（1021）和第二十八端（1022）；所述的第三导体层（3）、第四导体层（4）和第十导体层（10）构成了两个四分之一波长谐振器，第七导体层（7）和第九导体层（9）构成了一个半波长谐振器并分别与两个四分之一波长谐振器耦合形成两个滤波网络；由第二导体层（2）与第六导体层（6）构成了三条馈电线；第二导体层（2）由第一带状线（201）、第二带状线（202）、第三带状线（203）和第四带状线（204）组成；在第一带状线（201）的中间部位引出了第二端口（211），在第二带状线（202）的中间部位引出了第三端口（221），这两个端口都作为所述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦的负载端口；第六导体层（6）由第九带状线（601）弯曲而成，其两端分别为第十七端（611）和第十八端（612），在靠近第十八端（612）的部位引出了第一端口（613），作为所述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦的源端口；所述的第三带状线（203）、第四带状线（204）和第九带状线（601）构成了所述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦源端的馈电线，其中的第九带状线（601）与第七导体层（7）的第十带状线（701）呈上下层完全相同分布形成宽边耦合，达到给半波长谐振器馈电的效果；第一带状线（201）和第二带状线（202）分别构成了所述的一种基于谐振器耦合的LTCC滤波巴伦的两条负载端的馈电线，它们分别与两个四分之一波长谐振器形成宽边耦合来给两个四分之一波长谐振器馈电；此外，第三带状线（203）与第一带状线（201）相互靠近，形成源负载耦合，第四带状线与第二带状线（202）相互靠近，形成源负载耦合；使用第一导体层（1）、第五导体层（5）、第八导体层（8）和第十一导体层（11）作为所述的一个半波长谐振器，两个四分之一波长谐振器以及三条馈电线的地板；第一导体层（1）和第十一导体层（11）分别为矩形形状的第一地板和第四地板；第五导体层（5）为第二地板，上面有一个开孔为第一开孔（501），还有三个开槽分别为第一开槽（502）、第二开槽（503）和第三开槽（504）；第八导体层（8）为第三地板，其形状与第二地板完全相同，上面有第二开孔（801）、第四开槽（802）、第五开槽（803）和第六开槽（804）；采用十个金属化过孔实现了导体层与导体层之间的连接：第一金属化过孔（21）连接第二十八端（1022）和第十一导体层（11）；第二金属化过孔（22）连接第二十六端（1012）和第十一导体层（11）；第三金属化过孔（23）连接第二十五端（1011）和第十三端（411），中间经过第一开槽（502）和第四开槽（802）；第四金属化过孔（24）连接第二十七端（1021）和第十六端（422），中间经过第二开槽（503）和第五开槽（803）；第五金属化过孔（25）连接第二十一端（911）和第十九端（711），中间经过第二开孔（801）；第六金属化过孔（26）连接第二十三端（921）和第二十端（712），中间经过第六开槽（804）；第三带状线（203）的两端分别为第五端（231）和第六端（232），第四带状线（204）的两端分别为第七端（241）和第八端（242）；第七金属化过孔（27）连接第十七端（611）和第六端（232），中间经过第一开孔（501）；第八金属化过孔（28）连接第十八端（612）和第八端（242），中间经过第三开槽（504）；第九金属化过孔（29）连接第十端（312）和第十四端（412）；第十金属化过孔（30）连接第十一端（321）和第十五端（421）。