CN104410380A - 三维集成超小型带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维集成超小型带通滤波器，整个带通滤波器采用半集总结构实现，包括输入/输出端口、四个并联的谐振单元、一个级间耦合电容和一个Z字形交叉耦合电容。本发明所提供的带通滤波器，利用所述谐振单元之间的电磁耦合实现级与级间的互连。通过LTCC叠层结构实现等效集总参数元件，该发明与现有其它技术相比具有体积小、成本低、选频特性好、温度稳定性高、插入损耗小的优点，并且可加工成贴片形式，便于与其它微波组件集成，有利于批量生产。本发明的方案可很好的抑制带外谐波，适用于相应微波毫米波频段的通信、数字雷达、无线通信手持终端等对体积、电性能、温度稳定性和可靠性有苛刻要求的场合和相应的系统中。

Description

三维集成超小型带通滤波器

技术领域

本发明涉及功分器技术领域，具体而言涉及一种三维集成超小型带通滤波器。 

背景技术

如今无论是雷达、电子探测、电子对抗等，还是手机通信、电视、遥控，都需要将电子信号分配处理，这就需要用到一种重要的微波无源器件—滤波器。随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对滤波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。在一些国防尖端设备中，现在的使用频段已经相当拥挤，所以卫星通信等尖端设备向着毫米波波段发展，所以微波毫米波波段功分器已经成为该波段接收和发射支路中的关键电子部件，描述这种部件性能的主要指标有：通带工作频率范围、通带插入损耗、输出端口相位差、、通带输入/输出电压驻波比、插入相移和时延频率特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性等。 

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。其具有高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。利用其三维集成结构特点，可以实现三维集成超小型内置吸收电阻功分器。 

目前国内外对带通滤波器进行了大量的研究，低频段占用体积太大，集成度不高，已远远不能满足小型化的要求。此外，目前的大多数滤波器，如果要抑制通带附近的杂波频率，阻带内的衰减就显得不足了。因此，如何实现具有滤波特性好的微型带通滤波器，已成为业界急需解决的问题之一。 

发明内容

本发明目的在于提供一种通带内插入损耗小、可靠性高、集成度高、尺寸小的三维集成超小型带通滤波器。 

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。 

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下： 

一种三维集成超小型带通滤波器，其特征在于：包括一个输入端口、一个输出端口、输入电感、输出电感、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第四螺旋电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、一个级间耦合电容和一个字形交叉耦合电容。其中输入端口与输入电感连接，输出端口与输出电感连接，输入电感的另一端与第一螺旋电感的输入端连接，第一螺旋电感的输出端与第一电容的输入极板相连接，第二螺旋电感的输出端与第二电容的输入极板相连接，第三螺旋电感的输出端与第三电容的输入极板相连接，第四螺旋电感的输出端与第四电容的输入极板相连接，输出电感的另一端与第四螺旋电感的输出端连接。其中Z字形交叉耦合电容位于第一螺旋电感、第一电容、第四螺旋电感和第四电容的上方，两端分别与地相连。级间耦合电容位于第二电容和第三电容的下方，与其它元件无连接。 

有以上本发明的技术方案可知，本发明所提出的三维集成超小型带通滤波器，采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成实现，充分利用了三维多层空间，从而显著减小了元件所需体积，并且该发明在不提高通带内插入损耗的前提下大大的增加了带外抑制度。 

与现有技术相比，本发明的三维集成超小型带通滤波器，采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成，所带来的显著优点是：1)带外抑制大、插损小；2)体积小、重量轻、可靠性高；3)使用安装方便，可以使用全自动贴片机安装和焊接；4)成本低、电路实现结构简单，可实现大批量生产。 

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。 

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。 

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中： 

图1是本发明一实施方式的三维集成超小型带通滤波器的结构示意图。 

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。 

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开 的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。 

如图1所示，根据本发明的公开，提出一种三维集成超小型带通滤波器，采用了多层结构实现，具有带通滤波的功能。 

结合图1，该三维集成超小型带通滤波器，采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成实现，包括一个输入端口P1、一个输出端口P2、输入电感Lin、输出电感Lout、第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、一个级间耦合电容W、一个Z字形交叉耦合电容Z以及接地板GND。其中输入端口P1与输入电感Lin连接，输出端口P2与输出电感Lout连接，输入电感Lin的另一端与第一螺旋电感L1的输入端连接，第一螺旋电感L1输出端与第一电容C1的输入极板相连接，第二螺旋电感L2的输出端与第二电容C2的输入极板相连接，第三螺旋电感L3的输出端与第三电容C3的输入极板相连接，第四螺旋电感L4的输出端与第四电容C4的输入极板相连接，输出电感Lout的另一端与第四螺旋电感L4的输出端连接。其中Z字形交叉耦合电容Z位于第一螺旋电感L1、第一电容C1、第四螺旋电感L4和第四电容C4的上方，两端分别与地相连。级间耦合电容W位于第二电容C2和第三电容C3的下方，与其它元件无连接。 

作为可选的实施方式，所述第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4通过一定长度且宽度较窄的传输线来构成，采用了叠层结构，层间通过圆柱通孔相连，使其在垂直方向上的延伸缩减了水平方向上的延伸，从而减小了水平方向的面积从而缩小了整个器件的体积。 

所述第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和所述第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4和级间耦合电容W均采用集总LC结构实现，输入电感Lin、输出电感Lout、Z字形交叉耦合电容均采用分布参数的带状线来实现。 

结合图1，本发明三维集成超小型带通滤波器，其中带通滤波器采用了四级并联谐振，四个谐振腔之间既存在感性耦合又存在容性耦合。第一螺旋电感L1和第一电容C1构成了带通滤波器的第一级并联谐振单元，第二螺旋电感L2和第二电容C2构成了带通滤波器的第二级并联谐振单元，第三螺旋电感L3和第一电容C3构成了带通滤波器的第三级并联谐振单元，第四螺旋电感L4和第一电容C4构成了带通滤波器的第四级并联谐振单元。第一级谐振单元和第二级谐振单元通过螺旋电感L1、第二螺旋电感L2形成的耦合电感和第一电容C1、第二 电容C2形成的耦合电容进行耦合，第二级谐振单元和第三级谐振单元通过第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3形成的耦合电感和第二电容C2、第三电容C3形成的耦合电容进行耦合，第三级谐振单元和第四级谐振单元通过第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4形成的耦合电感和第三电容C3、第四电容C4形成的耦合电容进行耦合，Z字形交叉耦合电容Z在第一级并联谐振单元和第四级并联谐振单元之间引入了一个交叉耦合电容，从而在通带内两侧各引入了一个传输零点，级间耦合电容W在第二电容C2和第三电容C3之间引入了一个耦合电容，以此来加强第二谐振单元和第三谐振单元间的耦合强度。 

结合图1所示的三维集成超小型带通滤波器，可通过改变第一级谐振单元和第二级谐振单元、第二级谐振单元和第三级谐振单元、第三级谐振单元和第四级谐振单元之间的距离来调整级与级之间的耦合强度，从而可以调整带通滤波器的带宽。 

通过改变第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4的面积可以调节带通滤波器中心频率的大小。通过调整Z字形交叉耦合电容Z可以调整带外两个零点的位置，以此来调整带外抑制。 

本实施例中接下来对前述图1所示的三维集成超小型带通滤波器的工作原理进行简要描述。 

宽频带微波信号从输入端口P1通过输入电感Lin进入到第一级谐振单元，通带内在第一级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过电感耦合和电容耦合进入到第二级谐振单元，其余非第一级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过第一级谐振单元中的第一螺旋电感L1和第一电容C1接地，从而实现了第一级滤波。 

经过第一级滤波在第二级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过电感耦合和电容耦合进入到第三级谐振单元，其余非第二级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过第二级谐振单元中的第二螺旋电感L20和第二电容C2接地，从而实现了第二级滤波。 

经过第二级滤波后在第三级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过电感耦合和电容耦合进入到第四级谐振单元，其余非第三级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过第三级谐振单元中的第三螺旋电感L3和第三电容C3接地，从而实现了第三级滤波。 

经过第三级滤波后在第四级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过输出电感Lout由输出端口P2输出，其余非第四级谐振单元谐振频率附近的微波信号通过第四级谐振单元中的第四螺旋电感L4和第四电容C4接地，从而实现了第四级滤波。 

本发明的前述实施例中采用了半集总半分布式结构实现的带通带通滤波器，多层结构采用低温共烧陶瓷工艺实现，该技术与其它多层基板技术相比较，更易于实现多层布线与封装 一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性，因此可在实现相同指标的前提下显著减小器件体积，提高器件集成度。 

结合图1，本发明的前述实施例的三维集成超小型带通滤波器共有2个端口，即输入端口P1和输出端口P2。上下两层为屏蔽层，左右为金属地。整个器件采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成实现，其体积为4mm*3.4mm*1.5mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为28，介质损耗角正切为0.002，实现多层结构的金属导体采用银，其中每层陶瓷介质基板的厚度为0.01mm。 

本发明带通滤波器具有良好的滤波性能，并且具有体积小、重量轻、选频特性好、集成度高等优点，便于与其它微波器件集成，另外，该带通滤波器基于LTCC工艺，具有批量生产成本低的优势，使得所应用的产品具有更好的使用性能，极具市场竞争力，所以其应用前景非常广阔。 

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。 

Claims (7)

1.一种三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，该三维集成超小型带通滤波器采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成实现，包括：一个输入端口(P1)、一个输出端口(P2)、输入电感(Lin)、输出电感(Lout)、第一螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、一个级间耦合电容(W)、一个Z字形交叉耦合电容(Z)以及接地板(GND)，其中：

输入端口(P1)与输入电感(Lin)连接，输出端口(P2)与输出电感(Lout)连接；

输入电感(Lin)的另一端与第一螺旋电感(L1)的输入端连接，第一螺旋电感(L1)输出端与第一电容(C1)的输入极板相连接，第二螺旋电感(L2)的输出端与第二电容(C2)的输入极板相连接，第三螺旋电感(L3)的输出端与第三电容(C3)的输入极板相连接，第四螺旋电感(L4)的输出端与第四电容(C4)的输入极板相连接；

输出电感(Lout)的另一端与第四螺旋电感(L4)的输出端连接，其中Z字形交叉耦合电容(Z)位于第一螺旋电感(L1)、第一电容(C1)、第四螺旋电感(L4)和第四电容(C4)的上方，两端分别与地相连；

级间耦合电容(W)位于第二电容(C2)和第三电容(C3)的下方，且与其它元件无连接。

2.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，所述输入端口(P1)、输出端口(P2)、输入电感(Lin)、输出电感(Lout)、第一螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、一个级间耦合电容(W)、一个Z字形交叉耦合电容(Z)以及接地板(GND)均采用多层低损耗低温共烧陶瓷工艺实现。

3.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，所述第一螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)均通过一定长度且宽度较窄的传输线来构成，采用了叠层结构，层间通过圆柱通孔相连。

4.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，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)和所述第一螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)和级间耦合电容(W)均采用集总LC结构实现，输入电感(Lin)、输出电感(Lout)、Z字形交叉耦合电容(Z)均采用分布参数的带状线来实现。

5.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，所述第一螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)构成的带通滤波器呈左右对称结构，即螺旋电感(L1)和第四螺旋电感(L4)长度相同，第二螺旋电感(L2)和第三螺旋电感(L3)的长度相同，第一电容(C1)和第四电容(C4)的面积相同，第二电容(C2)和第三电容(C3)的面积相同。

6.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，通过改变第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)分别与螺旋电感(L1)、第二螺旋电感(L2)、第三螺旋电感(L3)、第四螺旋电感(L4)之间所构成的面积以调节带通滤波器中心频率的大小，通过调整Z字形交叉耦合电容(Z)以调整带外两个零点的位置，以此来调整带外抑制。

7.根据权利要求1所述的三维集成超小型带通滤波器，其特征在于，所述采用的低损耗低温共烧陶瓷介质的相对介电常数为28，介质损耗角正切为0.002，实现多层结构的金属导体采用银，其中每层陶瓷介质基板的厚度为0.01mm。