CN105024123A

CN105024123A - 一种基于ltcc集总半集总结构高性能滤波器组

Info

Publication number: CN105024123A
Application number: CN201510484438.6A
Authority: CN
Inventors: 周衍芳; 许心影; 戴永胜; 刘毅; 乔冬春; 李博文; 陈烨
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-07
Filing date: 2015-08-07
Publication date: 2015-11-04

Abstract

本发明提出一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组，包括宽带单刀双掷开关芯片、第一滤波器和第二滤波器；单刀双掷开关芯片的第一输出端口和第二输出端口分别连接到第一滤波器和第二滤波器的第一输入端口和第二输出端口，通过单刀双掷开关芯片控制不同的通路工作。本发明能对一路信号进行不同频段下自如地筛选，并且插入损耗小、驻波性能好、带外抑制高、体积小。

Description

一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组

技术领域

本发明属于滤波器组技术领域，具体涉及一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组。

背景技术

近年来，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，对微波滤波器的性能、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滤波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、阻带频率范围、通带插入损耗、阻带衰减、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。然而在有的特殊情况下，对信号进行不同频率的筛选提出了新的要求，所以滤波器组在这种情况系提供了稳定出色的应用。

低温共烧陶瓷(LTCC)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。由于LTCC技术具有三维立体集成优势，在微波频段被广泛用来制造各种微波无源元件，实现无源元件的高度集成。基于LTCC工艺的叠层技术，可以实现三维集成，从而使各种微型微波滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等诸多优点。

如果只用一路滤波器，只能对一路信号进行一个频段的筛选，然而如果采用滤波器组，在综合高性能开关芯片，就可以实现不同频段下的选择与切换自如的同时实现高性能高效滤波。此外，实现相同的性能参数的滤波器，采用LTCC工艺所需体积通常会比传统的实现工艺(如微带线或带状线结构)要大得多，因而在工程应用上的优势就凸显出来，采用LTCC工艺实现，会在尽可能小的体积内，实现最优化的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组，能对一路信号进行不同频段下自如地筛选，并且插入损耗小、驻波性能好、带外抑制高、体积小、重量轻、可靠性高、使用方便、适用范围广、成品率高、批量一致性好、造价低。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组，包括宽带单刀双掷开关芯片、第一滤波器和第二滤波器；单刀双掷开关芯片的第一输出端口和第二输出端口分别连接到第一滤波器和第二滤波器的第一输入端口和第二输出端口，通过单刀双掷开关芯片控制不同的通路工作。

进一步，单刀双掷开关芯片包括信号输入端口、第一开关输出端口、第二开关输出端口、第一输出选择控制端以及第二输出选择控制端。

进一步，第一滤波器包括50欧姆表贴结构的第一滤波输入端口、第一滤波输出端口、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一接地端、第二接地端、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元、第一屏蔽层和第二屏蔽层；第二谐振单元位于第一谐振单元的下方，第三谐振单元位于第二谐振单元的右侧，第二谐振单元与第三谐振单元关于中轴平面对称；第一屏蔽层和第二屏蔽层分别位于第一滤波器的上下最外侧；第一谐振单元由第一电感和第一电容构成，第二谐振单元由第二电感和第二电容构成，第三谐振单元由第三电感和第三电容构成，第四谐振单元由第四电感和第四电容构成；第一电感的一端与第一电容的一端相连，另外一端接第一接地端，第一电容的另一端接地，同时，第一电感与第一电容的连接处连接第一输入端口；第二电感和第三电感的一端接第一接地端，另外一端分别与第二电容和第三电容的一端连接，第二电容和第三电容的另一端接第二接地端；在第三谐振单元的上方是第四谐振单元，第四谐振单元与第一谐振单元左右对称，Z形级间耦合单元位于四级谐振单元的上方。

进一步，第二滤波器包括50欧姆表贴的第二滤波输入端口、第二滤波输出端口、第三屏蔽层、第四屏蔽层、第三接地端、第四接地端、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元；第五谐振单元由第五电感、第五一电容以及第五二电容构成、第二谐振单元由第六电感、第六一电容以及第六二电容构成、第三谐振单元由第七电感、第七一电容以及第七二电容构成、第四谐振单元由第八电感、第八一电容以及第八二电容构成；第五电感与第五一电容并联后接第二滤波输入端，第五电感另一端与第五二电容串联后接地；第六电感与第六一电容串联后与第六二电容并联，并联之后一端接第二滤波输入端口，另一端接第三级谐振单元；第七电感与第七一电容并联之后与接地的第七二电容相串联；第八电感与第八一电容串联后与第八二电容并联，并联的输出端与滤波器的第二输出端口相连；第三屏蔽层和第四屏蔽层分别位于第二滤波器上下最外侧，且第三屏蔽层和第四屏蔽层均与第三接地端和第四接地端相连。

进一步，第一滤波器中的第一滤波输入端口、第一滤波输出端口、第一屏蔽层、第二屏蔽层、第一接地端、第二接地端、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元、第一屏蔽层和第二屏蔽层，以及第二滤波器中的第二滤波输入端口、第二滤波输出端口、第三屏蔽层、第四屏蔽层、第三接地端、第四接地端、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元，均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)实现了滤波器频率选择性好、通带响应平坦、过渡带陡峭、带外抑制好、回波损耗小、插入损耗小的优点；(2)实现了开关插损小，驻波好的优点；(3)本发明针对不同频率通路采用了不同的结构实现，最大程度地优化了系统性能；(4)本发明体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、实现结构简单、成本低、可实现大批量生产。

附图说明

图1是本发明基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组的整体结构示意图。

图2是本发明中第一滤波器的结构示意图。

图3是本发明中第二滤波器的结构示意图。

图4是本发明仿真实验中第一滤波器所在支路导通时的两个输出端口的S参数幅频特性曲线图。

图5是本发明仿真实验中第一滤波器所在支路导通时的输入端口的驻波特性曲线图。

图6是本发明仿真实验中第二滤波器所在支路导通时的两个输出端口的S参数幅频特性曲线图。

图7是本发明仿真实验中第二滤波器所在支路导通时的输入端口的驻波特性曲线图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合图1、图2、图3，本发明一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组，包括宽带单刀双掷开关芯片Switch、第一滤波器Filter1和第二滤波器Filter2。单刀双掷开关芯片Switch的第一输出端口RFOut1和第二输出端口RFOut2分别连接到第一滤波器Filter1和第二滤波器Filter2的第一输入端口In1和第二输出端口In2，通过单刀双掷开关芯片Switch控制不同的通路工作，从而实现自由选频。

单刀双掷开关芯片Switch包括信号输入端口RFIn、第一开关输出端口RFOut1、第二开关输出端口RFOut2、第一输出选择控制端V1以及第二输出选择控制端V2。

第一滤波器Filter1和第二滤波器Filter2总体结构不同，工作在不同的频段上，但都是采用了LTCC工艺技术实现。

第一滤波器Filter1包括50欧姆表贴结构的第一滤波输入端口In1、第一滤波输出端口Out1、第一屏蔽层Sd1、第二屏蔽层Sd2、第一接地端Gnd1、第二接地端Gnd2、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元Z1、第一屏蔽层Sd1和第二屏蔽层Sd2；第二谐振单元位于第一谐振单元的下方，第三谐振单元位于第二谐振单元的右侧，第二谐振单元与第三谐振单元关于中轴平面对称；第一屏蔽层Sd1和第二屏蔽层Sd2位于第一滤波器Filter1的上下最外侧。

每级谐振单元均由集总的电感和电容构成，第一谐振单元由第一电感L1和第一电容C1构成，第二谐振单元由第二电感L2和第二电容C2构成，第三谐振单元由第三电感L3和第三电容C3构成，第四谐振单元由第四电感L4和第四电容C4构成；第一电感L1的一端与第一电容C1的一端相连，另外一端接第一接地端Gnd1，第一电容C1的另一端接地，同时，第一电感L1与第一电容C1的连接处连接第一输入端口In1；第二电感L2和第三电感L3的一端接第一接地端Gnd1，另外一端分别与第二电容C2和第三电容C3的一端连接，第二电容C2和第三电容C3的另一端接第二接地端Gnd2；在第三谐振单元的上方是第四谐振单元，第四谐振单元与第一谐振单元左右对称，Z形级间耦合单元Z1位于四级谐振单元的上方。

第二滤波器Filter2包括50欧姆表贴的第二滤波输入端口In2、第二滤波输出端口Out2、第三屏蔽层Sd3、第四屏蔽层Sd4、第三接地端Gnd3、第四接地端Gnd4、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元。

所述每级谐振单元都由一个集总的电感和两个集总的电容构成，第五谐振单元由第五电感L5、第五一电容C51以及第五二电容C52构成、第二谐振单元由第六电感L6、第六一电容C61以及第六二电容C62构成、第三谐振单元由第七电感L7、第七一电容C71以及第七二电容C72构成、第四谐振单元由第八电感L8、第八一电容C81以及第八二电容C82构成。第五电感L5与第五一电容C51并联后接第二滤波输入端In2，第五电感L5另一端与第五二电容C52串联后接地；第六电感L6与第六一电容C61串联后与第六二电容C62并联，并联之后一端接第二滤波输入端口In2，另一端接第三级谐振单元；第三级谐振单元与第一级谐振单元类似，由第七电感L7与第七一电容C71并联之后与接地的第七二电容C72相串联；第四级谐振单元与第二级结构类似，由第八电感L8与第八一电容C81串联后与第八二电容C82并联，并联的输出端与滤波器的第二输出端口Out2相连；第三屏蔽层Sd3和第四屏蔽层Sd4位于第二滤波器Filter2上下的最外侧，第三屏蔽层Sd3和第四屏蔽层Sd4均与第三接地端Gnd3和第四接地端Gnd4相连。

第一滤波器Filter1中的第一滤波输入端口In1、第一滤波输出端口Out1、第一屏蔽层Sd1、第二屏蔽层Sd2、第一接地端Gnd1、第二接地端Gnd2、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元Z1、第一屏蔽层Sd1和第二屏蔽层Sd2，以及第二滤波器Filter2中的第二滤波输入端口In2、第二滤波输出端口Out2、第三屏蔽层Sd3、第四屏蔽层Sd4、第三接地端Gnd3、第四接地端Gnd4、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元，均均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。由于是采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有非常高的可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体集成和多层折叠结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，从而使体积大幅减小。

为了进一步说明本发明的设计效果，使用Ansys公司的HFSS和安捷伦公司的ADS软件对本发明基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组进行分析、建模与仿真，第一滤波器和第二滤波器的仿真尺寸分别为4.2mm×4.8mm×1.5mm和5mm×8mm×2.35mm，信号首先通过单刀双掷开关芯片，可以通过开关的选择滤波器的通路，完成对信号频率的自由选择。

图4中，横坐标对应扫描频率，纵坐标对应第一滤波器导通时1端口到2/3端口的传输参数，dBS(2,1)、dBS(3,1)，m1/m2/m3标出了通带内不同点的S21、S31值，可以看到，第一滤波器的通带范围是140～200MHz，插损最大在3.3dB，另外一个通道的隔离度超过38dB，插损在可以接受，隔离度较好；

图5中，横坐标对应扫描频率，纵坐标对应第一滤波器导通时1端口的驻波系数vswr(S(1,1))，m1/m2标出了通带内不同点的驻波参数，可以看到，开关导通第一滤波器时，带内驻波最大在1.5左右，驻波较好；；

图6中，横坐标对应扫描频率，纵坐标对应第二滤波器导通时1端口到2/3端口的传输参数，dBS(2,1)、dBS(3,1)，m1/m2/m3标出了通带内不同点的S21、S31值，可以看到，第二滤波器的通带范围是85～140MHz，插损最大在2.3dB，另外一个通道的隔离度超过39dB，插损较好，端口隔离较好

图7中，横坐标对应扫描频率，纵坐标对应第二滤波器导通时1端口的驻波系数vswr(S(1,1))，m1/m2标出了通带内不同点的驻波参数，可以看到，开关导通第二滤波器时，带内最大驻波不超过1.5，驻波较好。

由上可以看出，本发明通带带宽为2.7GHz～2.9GHz，两输出端口在通带内的幅频特性基本一致，两端口的相位一致性也极好，两输出端口的相位差最大才0.2度，输入端口回波损耗优于21dB。

Claims

1.一种基于LTCC集总半集总结构高性能滤波器组，其特征在于，包括宽带单刀双掷开关芯片(Switch)、第一滤波器(Filter1)和第二滤波器(Filter2)；单刀双掷开关芯片(Switch)的第一输出端口(RFOut1)和第二输出端口(RFOut2)分别连接到第一滤波器(Filter1)和第二滤波器(Filter2)的第一输入端口(In1)和第二输出端口(In2)，通过单刀双掷开关芯片(Switch)控制不同的通路工作。

2.如权利要求1所述高性能滤波器组，其特征在于，单刀双掷开关芯片(Switch)包括信号输入端口(RFIn)、第一开关输出端口(RFOut1)、第二开关输出端口(RFOut2)、第一输出选择控制端(V1)以及第二输出选择控制端(V2)。

3.如权利要求2所述高性能滤波器组，其特征在于，第一滤波器(Filter1)包括50欧姆表贴结构的第一滤波输入端口(In1)、第一滤波输出端口(Out1)、第一屏蔽层(Sd1)、第二屏蔽层(Sd2)、第一接地端(Gnd1)、第二接地端(Gnd2)、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元(Z1)、第一屏蔽层(Sd1)和第二屏蔽层(Sd2)；第二谐振单元位于第一谐振单元的下方，第三谐振单元位于第二谐振单元的右侧，第二谐振单元与第三谐振单元关于中轴平面对称；第一屏蔽层(Sd1)和第二屏蔽层(Sd2)分别位于第一滤波器(Filter1)的上下最外侧；

第一谐振单元由第一电感(L1)和第一电容(C1)构成，第二谐振单元由第二电感(L2)和第二电容(C2)构成，第三谐振单元由第三电感(L3)和第三电容(C3)构成，第四谐振单元由第四电感(L4)和第四电容(C4)构成；第一电感(L1)的一端与第一电容(C1)的一端相连，另外一端接第一接地端(Gnd1)，第一电容(C1)的另一端接地，同时，第一电感(L1)与第一电容(C1)的连接处连接第一输入端口(In1)；第二电感(L2)和第三电感(L3)的一端接第一接地端(Gnd1)，另外一端分别与第二电容(C2)和第三电容(C3)的一端连接，第二电容(C2)和第三电容(C3)的另一端接第二接地端(Gnd2)；在第三谐振单元的上方是第四谐振单元，第四谐振单元与第一谐振单元左右对称，Z形级间耦合单元(Z1)位于四级谐振单元的上方。

4.如权利要求3所述高性能滤波器组，其特征在于，第二滤波器(Filter2)包括50欧姆表贴的第二滤波输入端口(In2)、第二滤波输出端口(Out2)、第三屏蔽层(Sd3)、第四屏蔽层(Sd4)、第三接地端(Gnd3)、第四接地端(Gnd4)、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元；

第五谐振单元由第五电感(L5)、第五一电容(C51)以及第五二电容(C52)构成、第二谐振单元由第六电感(L6)、第六一电容(C61)以及第六二电容(C62)构成、第三谐振单元由第七电感(L7)、第七一电容(C71)以及第七二电容(C72)构成、第四谐振单元由第八电感(L8)、第八一电容(C81)以及第八二电容(C82)构成；第五电感(L5)与第五一电容(C51)并联后接第二滤波输入端(In2)，第五电感(L5)另一端与第五二电容(C52)串联后接地；第六电感(L6)与第六一电容(C61)串联后与第六二电容(C62)并联，并联之后一端接第二滤波输入端口(In2)，另一端接第三级谐振单元；第七电感(L7)与第七一电容(C71)并联之后与接地的第七二电容(C72)相串联；第八电感(L8)与第八一电容(C81)串联后与第八二电容(C82)并联，并联的输出端与滤波器的第二输出端口(Out2)相连；第三屏蔽层(Sd3)和第四屏蔽层(Sd4)分别位于第二滤波器(Filter2)上下最外侧，且第三屏蔽层(Sd3)和第四屏蔽层(Sd4)均与第三接地端(Gnd3)和第四接地端(Gnd4)相连。

5.如权利要求4所述高性能滤波器组，其特征在于，第一滤波器(Filter1)中的第一滤波输入端口(In1)、第一滤波输出端口(Out1)、第一屏蔽层(Sd1)、第二屏蔽层(Sd2)、第一接地端(Gnd1)、第二接地端(Gnd2)、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、Z形级间耦合单元(Z1)、第一屏蔽层(Sd1)和第二屏蔽层(Sd2)，以及第二滤波器(Filter2)中的第二滤波输入端口(In2)、第二滤波输出端口(Out2)、第三屏蔽层(Sd3)、第四屏蔽层(Sd4)、第三接地端(Gnd3)、第四接地端(Gnd4)、第五谐振单元、第六谐振单元、第七谐振单元、第八谐振单元，均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。