CN104638323B - 基于ltcc技术的高选择性宽带多阶带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的高选择性宽带多阶带通滤波器，采用LTCC工艺实现多层立体绕线与层间耦合，包括两对开路/短路耦合线，两对开路耦合线，两条短路线，一块金属板和多个金属化过孔。通过调节耦合线间距、线宽等参量可以有效地控制耦合量的大小，从而灵活地控制带宽。电路输入/输出端口间有两条不同的传输路径，两对开路/短路耦合线形成传输路径1，两对开路耦合线与加载的两条短路线形成传输路径2，采用立体绕线分布，有效地减小了电路尺寸。金属板位于正中央，有效隔绝各部分间多余的耦合。该滤波器在两条传输路径的共同作用下实现了良好的通带特性与多个带外零点，结构设计简单，体积小，电性能好，易于实现电路集成与系统封装。
Description
技术领域
本发明涉及微波滤波器技术领域，尤其涉及一种基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器。
背景技术
随着通信技术的迅速发展，人们对信息传输系统的要求越来越高，微波滤波器作为现代通信系统中的重要组件，其技术的发展与通信技术的发展是息息相关的，新型滤波器的研究与应用在现代射频/微波电路系统小型化、平面化、模块化和可靠性发展的迫切需求下越来越至关重要，因此设计具有高选择性的小型化宽带滤波器具有较高的意义和价值。为了提高滤波器的频率选择性，级联带阻滤波器是常用的方法之一，缺点在于大大增加了整体滤波器的体积；通过加载枝节引入传输零点也是提高选择性的方法，但是滤波器的损耗会不可避免的增加。近年来,基于两路信号干扰技术的宽带滤波器结构受到越来越多的关注，如文献1(“R.Gómez-García,J.I.Alonso,Design of sharp-rejection and low-loss wide-band planar filters using signal-interference techniques,IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.15,no.8,pp.530–532,Aug.2005”)，以及文献2(“K.W.Wong,L.Chiu,and Q.Xue,Wideband parallel-strip bandpass filter usingphase inverter,IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.18,no.8,pp.503–505,Aug.2008”)中都比较详细地介绍了此种技术在宽带滤波器设计中的应用。以往设计的结构存在的缺点有：(1)低频隔直性能不佳；(2)结构体积较大，电路复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，该带通滤波器整体为中心对称结构，包括第一开路/短路耦合线、第二开路/短路耦合线、第一开路耦合线、第二开路耦合线、第一短路线、第二短路线和金属板，其中第一开路/短路耦合线、第一开路耦合线和第一短路线位于金属板的上方，第二开路/短路耦合线、第二开路耦合线和第二短路线位于金属板的下方，第一开路/短路耦合线与第二开路/短路耦合线关于滤波器的中心点中心对称，第一开路耦合线和第二开路耦合线关于滤波器的中心点中心对称，第一短路线和第二短路线关于滤波器的中心点中心对称；
第一开路/短路耦合线的一端通过金属化过孔与金属板相连，所述第一开路/短路耦合线的另一端通过金属化过孔与第一开路耦合线的一端相连，所述第一开路耦合线的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第一短路线的一端相连，所述第一短路线的另一端通过金属化过孔与金属板相连，第二开路/短路耦合线的一端通过金属化过孔与金属板相连，所述第二开路/短路耦合线的另一端通过金属化过孔与第二开路耦合线的一端相连，所述第二开路耦合线的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第二短路线的一端相连，所述第二短路线的另一端通过金属化过孔与金属板相连，第一开路耦合线和第二开路耦合线通过位于中心位置的金属化过孔相连，所述连接第一开路耦合线和第二开路耦合线的金属化过孔贯穿金属板并与金属板不接触；
第一开路耦合线、第二开路耦合线、第一短路线、第二短路线均采用矩形环绕方式，第一开路/短路耦合线、第二开路/短路耦合线均采用S形环绕方式，第一端口与第二端口均通过贯穿矩形金属片的金属化过孔连接金属板。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明基于四分之一波长耦合线，通过调节耦合间距、金属带线环绕形状、金属带线宽度、金属带线与金属板之间间距等参量可以方便地调节耦合系数，外部品质因数和零点位置，从而获得所需的滤波器响应。
(2)本发明采用LTCC多层工艺，有效地减小了电路尺寸。
(3)本发明在得到高选择性带通响应的同时，带外可以产生五个零点，带外谐波抑制频段达到三个倍频。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器的三维结构示意图。
图2为本发明基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器的主视图。
图3为本发明基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器的HFSS软件仿真结果图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，该带通滤波器整体为中心对称结构，包括第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2、第一开路耦合线3、第二开路耦合线4、第一短路线5、第二短路线6和金属板7，其中第一开路/短路耦合线1、第一开路耦合线3和第一短路线5位于金属板7的上方，第二开路/短路耦合线2、第二开路耦合线4和第二短路线6位于金属板7的下方，第一开路/短路耦合线1与第二开路/短路耦合线2关于滤波器的中心点中心对称，第一开路耦合线3和第二开路耦合线4关于滤波器的中心点中心对称，第一短路线5和第二短路线6关于滤波器的中心点中心对称；
第一开路/短路耦合线1的一端通过金属化过孔与金属板7相连，所述第一开路/短路耦合线1的另一端通过金属化过孔与第一开路耦合线3的一端相连，所述第一开路耦合线3的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第一短路线5的一端相连，所述第一短路线5的另一端通过金属化过孔与金属板7相连，第二开路/短路耦合线2的一端通过金属化过孔与金属板7相连，所述第二开路/短路耦合线2的另一端通过金属化过孔与第二开路耦合线4的一端相连，所述第二开路耦合线4的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第二短路线6的一端相连，所述第二短路线6的另一端通过金属化过孔与金属板7相连，第一开路耦合线3和第二开路耦合线4通过位于中心位置的金属化过孔相连，所述连接第一开路耦合线3和第二开路耦合线4的金属化过孔贯穿金属板7并与金属板7不接触；
第一开路耦合线3、第二开路耦合线4、第一短路线5、第二短路线6均采用矩形环绕方式，第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2均采用S形环绕方式，第一端口P1与第二端口P2均通过贯穿矩形金属片8的金属化过孔连接金属板7。
第一端口P1和第二端口P2位于金属板7的上方，所述第一端口P1和第二端口P2呈中心对称设置，第一开路/短路耦合线1与第一开路耦合线3相连处通过金属化过孔与第二端口P2连接，第二开路/短路耦合线2与第二开路耦合线4相连处通过金属化过孔与第一端口P1连接，所述连接第二开路/短路耦合线2与第二开路耦合线4的金属化过孔贯穿金属板7并与金属板7不接触。
所述第一开路/短路耦合线1和第二开路/短路耦合线2具有相同的长度、宽度和耦合间距，所述第一开路耦合线3和第二开路耦合线4具有相同的长度、宽度和耦合间距，所述第一短路线5和第二短路线6具有相同的长度和宽度，所述第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2、第一开路耦合线3和第二开路耦合线4均是垂直耦合无偏移。
所述第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2、第一开路耦合线3、第二开路耦合线4、第一短路线5和第二短路线6的长度均为该带通滤波器通带中心频率波长的四分之一，所述第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2、第一开路耦合线3、第二开路耦合线4、第一短路线5和第二短路线6的宽度均为0.15-2mm，所述第一开路/短路耦合线1、第二开路/短路耦合线2、第一开路耦合线3和第二开路耦合线4的耦合间距均为0.15-0.6mm。
优选的，中心位置的三个金属化过孔垂直投影相互重合。
优选的，第一开路/短路耦合线1、第一开路耦合线3和第一短路线5的空间垂直投影不重叠。
优选的，所述第一开路/短路耦合线1上层的一端通过金属化过孔与金属板7相连，第一开路/短路耦合线1上层的另一端开路，第一开路/短路耦合线1下层的一端通过金属化过孔与第一开路耦合线3的一端相连，第一开路/短路耦合线1下层的另一端开路。
优选的，所述第一开路耦合线3上层的一端通过金属化过孔与第一开路/短路耦合线1相连，第一开路耦合线3上层的另一端通过金属化过孔与第一短路线5的一端相连，第一开路耦合线3下层的一端通过金属化过孔与第二开路耦合线4相连，第一开路耦合线3下层的另一端开路。
优选的，所述第一开路/短路耦合线1和第二开路/短路耦合线2的宽度均为0.3mm，所述第一开路耦合线3和第二开路耦合线4的宽度均为0.15mm，所述第一短路线5和第二短路线6的宽度均为0.5mm，所述第一开路/短路耦合线1和第二开路/短路耦合线2的耦合间距均为0.384mm，所述第一开路耦合线3和第二开路耦合线4的耦合间距均为0.48mm。
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例
根据上述高选择性宽带多阶带通滤波器电路模型，从端口P1到端口P2有两条不同的传输路径(开路/短路耦合线和开路耦合线之间的奇/偶模特性阻抗为Zoo和Zoe)，两对开路/短路耦合线形成了传输路径1；两对开路耦合线与加载的两条短路线形成了传输路径2，由于模型整体是中心对称电路结构，所以可以很方便的运用奇/偶模理论进行分析。对于传输路径1而言，由于本身中间为短路特性，所以奇/偶模激励时，中间的短路特性不改变。对于传输路径2而言，当偶模从两个端口激励时,传输路径2中间为开路特性；当奇模从两个端口激励时，传输路径2中间为短路特性。
随着开路/短路耦合线和开路耦合线各自之间耦合系数k(k＝(Zoe-Zoo)/(Zoe+Zoo))的增大,该宽带滤波器的带宽不断增加。由于传输路径1和传输路径2中的耦合线的奇偶模值可以通过耦合间距与耦合线宽来调节，因此可以很方便的通过调节耦合线之间的耦合系数来控制该滤波器的带宽。利用开路/短路耦合线和开路耦合线本身的谐振特性，很容易在该滤波器通带外产生两个传输零点，分别位于0和2f0(f0为通带的中心频率)处。靠近通带两端的两个传输零点主要是由于传输路径1和传输路径2信号的叠加而产生的，由于这两个传输零点的引入，使得该宽带多阶带通滤波器结构具有类椭圆滤波器的特性，以此改善了该滤波器结构的边缘选择特性和谐波抑制特性。
图1采用的LTCC基板材料的相对介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，金属材料为银。除端口处，其余金属化过孔的直径均为0.2mm，开路/短路耦合线1、2的宽度设置为0.3mm，长度为10.6mm，耦合间距为0.384mm，开路耦合线3、4的宽度设置为0.15mm，长度为10.5mm，耦合间距为0.48mm，短路线5、6的宽度设置为0.5mm，长度为11mm。
图2是图1中高选择性宽带多阶带通滤波器的正视图。该滤波器总共有十层金属层，S1为0.192mm，S2为0.48mm，S3为0.384mm，S4为0.864mm，S5为0.096mm。
图3是图1中高选择性宽带多阶带通滤波器的的仿真结果。该滤波器的中心频率为3GHz，带内有5个极点，相对带宽为24.3％，带内回波损耗优于17dB，插入损耗为1.3dB，带外抑制达到了2.85f0(|S21|>20dB)。此外带外还有5个传输零点，分别位于2.5GHz、3.7GHz、4.4GHz、6.1GHz和8.1GHz，这些传输零点极大地提升了滤波器的带外谐波抑制特性。本发明的滤波器尺寸仅为8.5mm×6.7mm×1.92mm，即0.2λg×0.16λg×0.0046λg，其中λg为在该滤波器中心频率处基板的导波波长。
因此，本发明提出的高选择性宽带多阶带通滤波器，通过调节耦合间距、金属带线环绕形状、金属带线宽度、金属带线与金属板之间间距等参量可以方便地调节耦合系数，外部品质因数和零点位置，从而获得所需的滤波器响应，一方面在宽带响应情况下实现了较高的频率选择性，带外产生了多了传输零点，谐波抑制特性大大提高；另一方面，由于采用LTCC工艺以及多层耦合结构，有效地减小了滤波器的体积，相对于现有的平面滤波器，其小型化优势十分明显。
Claims (8)
1.一种基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，该带通滤波器整体为中心对称结构，包括第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)、第一开路耦合线(3)、第二开路耦合线(4)、第一短路线(5)、第二短路线(6)和金属板(7)，其中第一开路/短路耦合线(1)、第一开路耦合线(3)和第一短路线(5)位于金属板(7)的上方，第二开路/短路耦合线(2)、第二开路耦合线(4)和第二短路线(6)位于金属板(7)的下方，第一开路/短路耦合线(1)与第二开路/短路耦合线(2)关于滤波器的中心点中心对称，第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)关于滤波器的中心点中心对称，第一短路线(5)和第二短路线(6)关于滤波器的中心点中心对称；
第一开路/短路耦合线(1)的一端通过金属化过孔与金属板(7)相连，所述第一开路/短路耦合线(1)的另一端通过金属化过孔与第一开路耦合线(3)的一端相连，所述第一开路耦合线(3)的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第一短路线(5)的一端相连，所述第一短路线(5)的另一端通过金属化过孔与金属板(7)相连，第二开路/短路耦合线(2)的一端通过金属化过孔与金属板(7)相连，所述第二开路/短路耦合线(2)的另一端通过金属化过孔与第二开路耦合线(4)的一端相连，所述第二开路耦合线(4)的另一端通过位于中心位置的金属化过孔与第二短路线(6)的一端相连，所述第二短路线(6)的另一端通过金属化过孔与金属板(7)相连，第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)通过位于中心位置的金属化过孔相连，所述连接第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)的金属化过孔贯穿金属板(7)并与金属板(7)不接触；
第一开路耦合线(3)、第二开路耦合线(4)、第一短路线(5)、第二短路线(6)均采用矩形环绕方式，第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)均采用S形环绕方式，第一端口(P1)与第二端口(P2)均通过贯穿矩形金属片(8)的金属化过孔连接金属板(7)；
第一端口(P1)和第二端口(P2)位于金属板(7)的上方，所述第一端口(P1)和第二端口(P2)呈中心对称设置，第一开路/短路耦合线(1)与第一开路耦合线(3)相连处通过金属化过孔与第二端口(P2)连接，第二开路/短路耦合线(2)与第二开路耦合线(4)相连处通过金属化过孔与第一端口(P1)连接，所述连接第二开路/短路耦合线(2)与第二开路耦合线(4)的金属化过孔贯穿金属板(7)并与金属板(7)不接触。
2.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，所述第一开路/短路耦合线(1)和第二开路/短路耦合线(2)具有相同的长度、宽度和耦合间距，所述第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)具有相同的长度、宽度和耦合间距，所述第一短路线(5)和第二短路线(6)具有相同的长度和宽度，所述第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)、第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)均是垂直耦合无偏移。
3.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，所述第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)、第一开路耦合线(3)、第二开路耦合线(4)、第一短路线(5)和第二短路线(6)的长度均为该带通滤波器通带中心频率波长的四分之一，所述第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)、第一开路耦合线(3)、第二开路耦合线(4)、第一短路线(5)和第二短路线(6)的宽度均为0.15‐2mm，所述第一开路/短路耦合线(1)、第二开路/短路耦合线(2)、第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)的耦合间距均为0.15‐0.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，中心位置的三个金属化过孔垂直投影相互重合。
5.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，第一开路/短路耦合线(1)、第一开路耦合线(3)和第一短路线(5)的空间垂直投影不重叠。
6.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，所述第一开路/短路耦合线(1)上层的一端通过金属化过孔与金属板(7)相连，第一开路/短路耦合线(1)上层的另一端开路，第一开路/短路耦合线(1)下层的一端通过金属化过孔与第一开路耦合线(3)的一端相连，第一开路/短路耦合线(1)下层的另一端开路。
7.根据权利要求1所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，所述第一开路耦合线(3)上层的一端通过金属化过孔与第一开路/短路耦合线(1)相连，第一开路耦合线(3)上层的另一端通过金属化过孔与第一短路线(5)的一端相连，第一开路耦合线(3)下层的一端通过金属化过孔与第二开路耦合线(4)相连，第一开路耦合线(3)下层的另一端开路。
8.根据权利要求3所述的基于LTCC技术的高选择性宽带多阶带通滤波器，其特征在于，所述第一开路/短路耦合线(1)和第二开路/短路耦合线(2)的宽度均为0.3mm，所述第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)的宽度均为0.15mm，所述第一短路线(5)和第二短路线(6)的宽度均为0.5mm，所述第一开路/短路耦合线(1)和第二开路/短路耦合线(2)的耦合间距均为0.384mm，所述第一开路耦合线(3)和第二开路耦合线(4)的耦合间距均为0.48mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170419 Termination date: 20190206 |