CN104538714B - 一种中心频率可调的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中心频率可调的带通滤波器，包括陶瓷基体，具有上表面和下表面，所述陶瓷基体内部由上至下依次设有上层接地电极、上层谐振器、下层谐振器、交叉耦合层和下层接地电极；所述上表面和/或所述下表面上设有可调电极，所述可调电极与所述上层谐振器或所述下层谐振器电连接，并且，所述可调电极与所述上层接地电极、所述下层接地电极和所述交叉耦合层均绝缘，通过改变所述可调电极的面积以调整所述带通滤波器的中心频率。本发明制造工艺简单，调整中心频率的操作简便，而且精度较高，可大幅提升高精度要求的LTCC滤波器的合格率水平，并且由于无需引入额外元器件，尺寸可小型化。

Description

一种中心频率可调的带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种中心频率可调的带通滤波器，特别涉及一种由LTCC工艺制成的小尺寸独石型中心频率可调的带通滤波器，可应用于频率选择性要求较高的雷达系统。

背景技术

目前雷达系统中滤波电路对滤波器的要求非常高，既要保证在通带频率有足够低的插损，又要在通带边缘有足够大的抑制，还有诸如温度稳定性等可靠性方面的要求，同时尺寸还要足够小，以便电路板上能容纳其他数量众多的不同频段的滤波器以及其他元件。

现有的滤波器类型按制程主要有LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)滤波器、SAW(声表面波)滤波器、腔体滤波器、开关电容滤波器等，其中能满足小型化要求的主要是LTCC滤波器和SAW滤波器。

其中LTCC滤波器有如下优点：

1、陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性；

2、可以适应大电流及耐高温要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命；

3、可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，免除了封装组件的成本，在层数很高的三维电路基板上，实现无源和有源的集成，有利于提高电路的组装密度，进一步减小体积和重量；

4、非连续式的生产工艺，便于成品制成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本；

5、节能、节材、绿色、环保已经成为元件行业发展势不可挡的潮流，LTCC也正是迎合了这一发展需求，最大程度上降低了原料，废料和生产过程中带来的环境污染。

LTCC以其优异的电子、机械、热力性能已成为未来电子元件集成化、模组化的首选方式。但正是由于其独石型的结构一体化的封装，在带来良好的可靠性的同时，将内部电气结构完全固化，对应的电气响应也完全固化，这既是其可靠性稳定的优点，也在一定环境中成为了不足之处。比如生产过程中的工艺波动，导致整批产品中心频率偏移，虽然偏移几十MHz不算多，但对于雷达滤波电路的要求来说就差之毫厘失之千里了，由于LTCC制程不可逆，产品整批报废不可避免。又如客户应用环境变化，电路板布局变化等导致滤波器上板后周围电气环境变化，滤波器中心频率偏差，此时也无法再调整频率。

目前许多研究将多种不同的调节器件用于可调中心频率的带通滤波器设计，其中有几种典型方法。第一种是用变容二极管来改变谐振器的长度从而改变谐振频率，第二种是采用PIN二极管结构来设计可调带通滤波器，第三种是采用铁氧体元件来设计可调滤波器。这几种方法都需要引入额外元件，并且还需组装到LTCC滤波器上，增加了制程复杂性，并且无法小型化。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种中心频率可调的带通滤波器，以解决现有技术中由于需要增加额外元件来实现中心频率可调导致的制程复杂且滤波器无法小型化的技术问题。

本发明提供以下技术方案来解决上述技术问题：

一种中心频率可调的带通滤波器，包括陶瓷基体，具有上表面和下表面，所述陶瓷基体内部由上至下依次设有上层接地电极、上层谐振器、下层谐振器、交叉耦合层和下层接地电极；所述上表面和/或所述下表面上设有可调电极，所述可调电极与所述上层谐振器或所述下层谐振器电连接，并且，所述可调电极与所述上层接地电极、所述下层接地电极和所述交叉耦合层均绝缘，所述可调电极具有可调节的面积，从而通过改变所述可调电极的面积能够实现对所述带通滤波器的中心频率的调整。本发明通过在陶瓷基体的表面设置可调电极，并将可调电极与谐振器电连接，使得可调电极与上层接地电极之间存在一定的电容量，通过改变可调电极的面积，即可改变对地电容，进而调整滤波器的中心频率。在本方案中，可调电极的面积改变实现起来工艺难度小，不需要对滤波器内部结构进行调整，并且不需要引入其他元器件，即可实现中心频率的调整，使得中心频率本不符合要求的产品能够很容易变成合格品，大大地降低了成本。

优选地，所述可调电极通过金属导体与所述上层谐振器或所述下层谐振器电连接。

优选地，所述可调电极设于所述陶瓷基体的所述上表面上，并通过所述金属导体与所述上层谐振器电连接。将可调电极设于陶瓷基体的上表面，并与上层谐振器连接，在工艺上更易实现。

优选地，所述金属导体为一端连接所述可调电极，另一端连接所述上层谐振器的实心或空心的柱体；所述上层接地电极上设有供所述金属导体穿过的通孔，用以避免所述金属导体与所述上层接地电极导通。将金属导体完全设置于陶瓷基体内部，以尽可能减小对滤波器的外形尺寸的影响。

优选地，所述可调电极包括多条导线以及多个电极片，所述导线用于将所述电极片通过所述金属导体电连接至所述上层谐振器或所述下层谐振器；通过打断所述导线来减少与所述金属导体电连接的所述电极片，以使所述带通滤波器的中心频率往高频移动；通过连接所述导线来增加与所述金属导体电连接的所述电极片，以使所述带通滤波器的中心频率往低频移动。接通和打断导线在工艺上易于实现，并且操作时不易破坏滤波器本身。

优选地，所述可调电极还包括连接部，各所述导线通过所述连接部与所述金属导体电连接。

优选地，所述上层谐振器所述下层谐振器各包括多个子谐振器，所述可调电极包括多组子电极，所述上层谐振器或所述下层谐振器的每个所述子谐振器与一组所述子电极电连接。

优选地，所述上层谐振器和所述下层谐振器为带状线谐振器。

采用本发明提供的带通滤波器方案，在LTCC滤波器制作完成后，测量滤波器的中心频率，如果中心频率偏低，则可以减小可调电极的面积来使中心频率往高频移，反之，如果测量显示中心频率偏高，则可以增大可调电极的面积，来使中心频率往低频移动。本发明的带通滤波器，制造工艺简单，调整中心频率的操作简便，而且精度较高，可大幅提升高精度要求的LTCC滤波器的合格率水平，并且由于无需引入额外元器件，尺寸可小型化。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的带通滤波器的内部结构图；

图2是本发明实施例1提供的一种带通滤波器的结构示意图；

图3是实施例1的可调电极的结构示意图；

图4是图2的带通滤波器的等效电路图；

图5是实施例2的可调电极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的具体实施方式提供一种如图1所示的中心频率可调的带通滤波器，同时参考图2，该带通滤波器包括陶瓷基体10，陶瓷基体优选地为长方体形状，具有上表面10a和下表面10b，四个侧面中，其中两个相对的侧面上分别包覆有接地端电极11，另外两个相对的侧面上分别设有输入端电极12和输出端电极13；陶瓷基体10内部由上而下依次设有上层接地电极14a、上层谐振器15a、下层谐振器15b、交叉耦合层16和下层接地电极14b，其中上层谐振器15a和下层谐振器15b分别连接到一个接地端电极上，谐振器优选地是带状线谐振器(具有一定长度和宽度)，即带状线谐振器一端接地、另一端悬空，其本身具有一定的本征谐振频率。在陶瓷基体10的上表面10a和/或下表面(10b)上设有可调电极20，可调电极20与上层谐振器15a或下层谐振器15b电连接，也就是说，可调电极20可以仅设置于上表面10a或下表面10b，也可以在上表面10a、下表面10b上同时设置有可调电极20，可调电极20不可同时与上层谐振器15a和下层谐振器15b同时电性连通。并且，可调电极20与上层接地电极14a、下层接地电极14b和交叉耦合层16均是绝缘的，本带通滤波器中，通过改变可调电极20的面积可以调整带通滤波器的中心频率。

在具体的实施例中，可调电极20通过金属导体30实现与上层谐振器15a或下层谐振器15b的电连接。金属导体30例如可以是一个柱体，例如银电极浆料制作的空心柱体或实心柱体，该可导电的柱体上端与可调电极20连接，下端与上层谐振器15a或下层谐振器15b连接。

如图2和图3所示，可调电极20包括多段导线22和多个电极片21，导线22用于将电极片21与金属导体30连通，从而实现电极片21与上层谐振器15a或下层谐振器15b的电连接。因此，如果制备得到的带通滤波器的中心频率偏低，则通过打断导线22可以减少与金属导体30电连接的电极片的面积，即减小了与上层谐振器15a(或下层谐振器15b)电连接的面积，由于电极片原先是与上层谐振器15a(或下层谐振器15b)电连接，在断开后，相当于上层谐振器15a(或下层谐振器15b)对地的电容减小，从而使得带通滤波器的中心频率往高频移动；反之，如果制备得到的带通滤波器的中心频率偏高，通过将原本没有连接的导线22接通后，可以增加与金属导体30电连接的电极片的面积，相当于上层谐振器15a(或下层谐振器15b)对地的电容增大，从而使得带通滤波器的中心频率往低频移动。

实施例1

本实施例提供一种如图2所示的中心频率可调的带通滤波器，参考图1，本实施例的带通滤波器中，可调电极20是设置于上表面10a上，并且，为了使制作工艺更简单，将可调电极20避开上层接地电极14a而电连接到上层谐振器15a。在制作时，可以在上表面10a上设置一个标记点M，以方便将可调电极20正确地制作在上表面10a上。

本实施例中，上层谐振器15a和下层谐振器15b均包括5个子谐振器，上层的每个子谐振器与对应的下层子谐振器之间具有一定的重叠面积，形成5个电容C11～C15，参考图1和图4，对应地，上表面10a上的可调电极20也包括五组子电极，每一组子电极与对应的一个上层子谐振器电连接，每一组子电极的电极片与上层接地电极14a存在一定的重叠部分，从而形成5个可调电容C17～C21，通过改变(最好是同时改变，并且改变量相同，以防止调整中心频率后波形失真)5个可调电容的C17～C21的大小，可以改变滤波器的中心频率。交叉耦合层16与5组子谐振器(上层子谐振器和下层子谐振器可以称为一组子谐振器)中的第二组和第四组在垂直投影平面有重合部分，所以对第二组和第四组子谐振器分别存在电容，根据电路原理可等效为第二组和第四组之间的等效耦合电容C16。

可调电极20也可以包括四组子电极或其他数量，也就是说，并非每个上层的子谐振器都必须连接一组子电极。本实施例中，以子电极与上层子谐振器一一对应为佳，这样在调整了中心频率之后的带通滤波器的波形不容易失真。

如图2和图3所示，本例中的可调电极20的子电极包括多个电极片21，可以是方形、圆形或其他形状，电极片的形状不构成对本发明的限制，两相邻的电极片21之间具有导线22，导线22中部分处于将相邻两电极片接通的状态，部分处于没有将相邻两电极片连通的状态，方便后续调整中心频率时，可以打断，可以连接，以使中心频率可以调高也可以调低。可调电极20的子电极还包括一个连接部23，该连接部23与金属导体30电连接，而导线22从该连接部23引出。以五个谐振器为例，在传统的带通滤波器中，内部谐振器对地形成五个固定电容C11～C15，谐振器的个数决定了带通滤波器的中心频率的阶数，这五个电容是带通滤波器中心频率的首要影响因素。

通过本发明的技术方案，在陶瓷基体10外部设置能与谐振器(上层或下层谐振器)电连接的可调电极20，从而对应地增加了五个对地的可调电容C17～C21，这五个电容的大小由可调电极20的电极片面积决定。在制作完成LTCC滤波器之后，进行中心频率的测试，如果发现测得的中心频率偏低，则可以手工或激光打断相邻两个电极片之间连通的导线，优选地对五组子电极都执行相同的操作，使得5组子谐振器的加载电容(C11与C17电容之和为第一组子谐振器的加载电容，以此类推)都减小，使得5组子谐振器的本征频率同时往高频移动，从而整个滤波器的中心频率也就往高频移动；反之亦然。优选地，应当保持五组子电极接入的电极片面积相等，这样，在调整中心频率后，带通滤波器的通带波形不易失真。一般而言，打断导线比连接导线在操作上要简单得多，也就是说，对滤波器的中心频率调整，尽量作往高频移动的动作，这就要求滤波器制作出来后中心频率尽量都是偏低的，因此，本发明的带通滤波器在设计制作时，预先以使中心频率偏低的工艺要求来制作，这样一来，制作出的LTCC带通滤波器的中心频率基本都是偏低的，只需作导线打断动作来调高中心频率即可，属于优选方案。例如：以制作中心频率为2.777GHz的LTCC带通滤波器(称作标准规格)为目标，按照预先使中心频率偏低的要求制作出的滤波器的中心频率为2.75GHz(不打断导线时)，可见，中心频率偏低，为了使中心频率向高频移动，可以打断导线来减小电极片面积。为了使中心频率的调整更加准确，一般来说，每片电极片21的大小应当相等，并且在制作样品时，测试每减少一片电极片，中心频率的偏移量是多少，以能够准确地进行计算调整。

需要说明，本发明的具体实施方式中，接地端电极、输入端电极、输出端电极、上层接地电极、下层接地电极、可调电极、金属导体、上谐振器、下谐振器、中间耦合层等可导电之处优选地采用银电极浆料制作。

实施例2

本实施例提供的带通滤波器与实施例1的区别在于：可调电极20避开上层接地电极14a以及上层谐振器15a而与下层谐振器15b电连接。所述避开的方法可以是：在上层接地电极14a以及上层谐振器15a上开孔，孔的尺寸大于金属导体30的尺寸使得金属导体30不会与上层接地电极14a、上层谐振器15a接触。可调电极20的形状还可以如图5所示的花瓣形状，调整中心频率时的操作与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供的带通滤波器与实施例1的区别在于：可调电极20位于陶瓷基体10的下表面10b上，避开下层接地电极14b和中间耦合层16实现与下层谐振器15b的电连接。

实施例4

本实施例提供的带通滤波器与实施例1的区别在于：可调电极20位于陶瓷基体10的下表面10b上，避开下层接地电极14b、中间耦合层16以及下层谐振器15b而实现与上层谐振器15a的电连接。

实施例5

本实施例提供的带通滤波器与实施例1的区别在于：可调电极20中有三组子电极位于陶瓷基体10的上表面10a上，有两组位于下表面10b上，上表面10a上的三组子电极避开上层接地电极14a而实现与上层谐振器15a的电连接，下表面10b上的两组子电极避开下层接地电极14b、中间耦合层16以及下层谐振器15b而实现与上层谐振器15a的电连接。

实施例6

本实施例提供的带通滤波器与实施例1的区别在于：可调电极20中有三组子电极位于陶瓷基体10的上表面10a上，有两组位于下表面10b上，上表面10a上的三组子电极避开上层接地电极14a以及上层谐振器而实现与下层谐振器15b的电连接，下表面10b上的两组子电极避开下层接地电极14b以及中间耦合层16而实现与下层谐振器15b的电连接。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种中心频率可调的带通滤波器，包括具有上表面(10a)和下表面(10b)的陶瓷基体(10)，所述陶瓷基体(10)内部由上至下依次设有上层接地电极(14a)、上层谐振器(15a)、下层谐振器(15b)、交叉耦合层(16)和下层接地电极(14b)；

其特征在于：所述上表面(10a)和/或所述下表面(10b)上设有可调电极(20)，所述可调电极(20)与所述上层谐振器(15a)或所述下层谐振器(15b)电连接，并且，所述可调电极(20)与所述上层接地电极(14a)、所述下层接地电极(14b)和所述交叉耦合层(16)均绝缘，所述可调电极(20)具有可调节的面积，从而通过改变所述可调电极(20)的面积能够实现对所述带通滤波器的中心频率的调整。

2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述可调电极(20)通过金属导体(30)与所述上层谐振器(15a)或所述下层谐振器(15b)电连接。

3.如权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述可调电极(20)设于所述陶瓷基体(10)的所述上表面(10a)上，并通过所述金属导体(30)与所述上层谐振器(15a)电连接。

4.如权利要求3所述的带通滤波器，其特征在于：所述金属导体(30)为一端连接所述可调电极(20)，另一端连接所述上层谐振器(15a)的实心或空心的柱体；所述上层接地电极(14a)上设有供所述金属导体(30)穿过的通孔，用以避免所述金属导体(30)与所述上层接地电极(14a)导通。

5.如权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述可调电极(20)包括多条导线(22)以及多个电极片(21)，所述导线(22)用于将所述电极片(21)与所述金属导体(30)连通，从而实现所述电极片(21)与所述上层谐振器(15a)或所述下层谐振器(15b)的电连接；通过打断所述导线(22)来减少与所述金属导体(30)电连接的所述电极片(21)，以使所述带通滤波器的中心频率往高频移动；通过连接所述导线(22)来增加与所述金属导体(30)电连接的所述电极片(21)，以使所述带通滤波器的中心频率往低频移动。

6.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于：所述可调电极(20)还包括连接部(23)，各所述导线(22)通过所述连接部(23)与所述金属导体(30)电连接。

7.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述上层谐振器(15a)和所述下层谐振器(15b)各包括多个子谐振器，所述可调电极(20)包括多组子电极，所述上层谐振器(15a)或所述下层谐振器(15b)的每个所述子谐振器与一组所述子电极电连接。

8.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述上层谐振器(15a)和所述下层谐振器(15b)为带状线谐振器。