CN105071009B - 一种基于公共谐振器的ltcc双工器 - Google Patents
一种基于公共谐振器的ltcc双工器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于公共谐振器的LTCC双工器，包括两个工作于不同频段的半波长谐振器，一个支节加载谐振器，六层地板和三个贴片，分布于十七层导体层上，谐振器的不同部分通过金属化过孔连接；支节加载谐振器作为公共谐振器，输入端口与它连接；另外两个输出端口分别连接在两个半波长谐振器上；本发明利用谐振器开路端的容性加载以及半波长谐振器中点电压为零的特性实现了带内隔离大于40dB的效果；本发明采用的多层LTCC结构，具有体积小，插损小，滤波效果好，隔离效果好的优异性能，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。
Description
技术领域
本发明涉及可应用于射频前端电路中的双工器，尤其涉及一种基于公共谐振器的LTCC双工器。
背景技术
多工器广泛应用于各种通信系统中，包括无线传输系统、无线蜂窝系统、卫星通信系统和无线宽带系统等。它们是频率选择性的器件，用来融合或者分离多端口网络中不同频率的信号。在设计中，它们经常采用多组的滤波器来实现，比如采用不同频段的滤波器和一个共用的分支线。
双工器是一种最简单的多工器，它是无源的三端口器件，用来连接两个不同频率的滤波网络到一个共同的终端。双工器可以实现两个工作于不同频率的发射机同时使用同一个天线，因此可以实现体积的缩减，得到高度集成化器件。
无线蜂窝系统中的基站和无线通信设备都需要驱动各种包含滤波器的设备以完成不同的通信功能。图1展示了一个蜂窝基站的射频前端模块，双工器在整个系统中是一个关键的器件，同时这个系统还包含一个功分器和两个在选择性和隔离上都具有严格要求的滤波器。这些滤波器工作在不同的频段上。在这个系统中，由于双工器的使用，发射和接收可以同时工作在一个天线上。另外，发射机上需要保证相对较高的功率，因此发射滤波器需要具有较高的功率承载能力，而接收机就需要侦查出较弱的信号。总的来说，为了防止接收机中的低噪放接收到发射机中的高功率信号，接收滤波器需要在发射频段内具有较好的隔离；类似地，为了抑制功率放大器产生的带外噪声，发射滤波器需要具有很好的阻带抑制效果。因此，发射机与接收机之间的隔离是一个很重要的指标。
为了设计出符合要求的双工器，常用的方法是采用分支线结构连接两组不同的滤波网络，这样得到的电路结构往往比较复杂，在设计方法上还需要改进。而传统的印制电路板技术由于平面结构的限制，不利于实现射频器件小型化设计。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于公共谐振器的LTCC双工器，该双工器采用低温共烧陶瓷技术，即LTCC技术，在多个金属层上设计电路，并且应用公共谐振器，既缩小了器件的体积又实现了高隔离的输出效果。LTCC多层结构的双工器除了具有小型化、轻量化的优点，还具有成本低，利于批量生产的优点，良好的高频性能等传统微带双工器没有的特点。
本发明的目的通过以下的技术方案来实现：
一种基于公共谐振器的LTCC双工器，该双工器工作于低频段和高频段上，所述LTCC双工器器件分布于一个十七层的LTCC导体层上和导体层之间的十六层介质基板组成，包括：一个工作于两个频段的第一谐振器、一个工作于低频段的第二谐振器、一个工作于高频段的第三谐振器、六层地板、三个金属贴片以及一个输入端口和两个输出端口；
所述第一谐振器与第二谐振器相互耦合形成低频段滤波网络，第一谐振器与第三谐振器相互耦合形成高频段滤波网络；所述第一谐振器设置为中心支节加载的谐振器；
第一谐振器的两个开路端和第二谐振器的两个开路端都设置为耦合结构，用以实现容性加载，并在高频段处形成传输零点；
所述第三谐振器与第一谐振器加载的支节进行耦合，用以实现高频段滤波网络的信号到低频段滤波网络的隔离。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
使用两个半波长谐振器分别谐振于两个网络的工作频段，一个公共的中心枝节加载谐振器与这两个半波长谐振器分别形成滤波网络，实现双工功能，相较于一般技术所采用的多组谐振器与T型分支级联的方法，有效地减少了谐振器的使用数量，缩小了器件的尺寸；同时，本发明采用了LTCC多层结构工艺制造，进一步使器件结构更加紧凑；以上两种特征显著地减小了器件的体积。
利用容性加载以及半波长谐振器中点电压为零的特性，实现了两个输出端口高隔离的效果；同时使用贴片来实现对耦合系数的控制，设计方便，容易实现。
附图说明
图1是现有技术提供的一个蜂窝基站的射频前端模块结构图；
图2是本发明立体结构分层结构示意图；
图3是本发明第一导体层俯视示意图；
图4是本发明第二导体层俯视示意图；
图5是本发明第三导体层俯视示意图；
图6是本发明第四导体层俯视示意图；
图7是本发明第五导体层俯视示意图；
图8是本发明第六导体层俯视示意图；
图9是本发明第七导体层俯视示意图；
图10是本发明第八导体层俯视示意图；
图11是本发明第九导体层俯视示意图；
图12是本发明第十导体层俯视示意图；
图13是本发明第十一导体层俯视示意图；
图14是本发明第十二导体层俯视示意图；
图15是本发明第十三导体层俯视示意图；
图16是本发明第十四导体层俯视示意图；
图17是本发明第十五导体层俯视示意图；
图18是本发明第十六导体层俯视示意图；
图19是本发明第十七导体层俯视示意图；
图20是本发明的LTCC双工器实施例的频率响应特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。
如图2所示，为本双工器立体结构分层结构示意图，所述双工器工作于低频段和高频段上，所述LTCC双工器器件分布于一个十七层的LTCC导体层上和导体层之间的十六层介质基板组成，包括：一个工作于两个频段的第一谐振器、一个工作于低频段的第二谐振器、一个工作于高频段的第三谐振器、六层地板、三个金属贴片以及一个输入端口和两个输出端口；
所述第一谐振器与第二谐振器相互耦合形成低频段滤波网络，第一谐振器与第三谐振器相互耦合形成高频段滤波网络；所述第一谐振器设置为中心支节加载的谐振器；
第一谐振器的两个开路端和第二谐振器的两个开路端都设置为耦合结构，用以实现容性加载，并在高频段处形成传输零点；
所述第三谐振器与第一谐振器加载的支节进行耦合，用以实现高频段滤波网络的信号到低频段滤波网络的隔离。
如图3所示，第一导体层1是一块金属地板和三个端口连接贴片。
如图2和图4所示，第二导体层2是第一带状线21弯折成一个开口向下的矩形开口环。
如图2和图5所示，第三导体层3是一块金属地板，中间有两个矩形开孔，用来被金属化过孔通过。
如图2和图6所示，第四导体层4由第二带状线22和第三带状线23组成；第二带状线中间部分向内弯折，用来减小体积；高频段滤波网络的输出端口53从第三带状线中引出来。
如图2和图7所示，第五导体层5是一块金属贴片，它的长度和宽度可以用来控制第一谐振器与第三谐振器之间的耦合系数。
如图2和图8所示，第六导体层6由第四带状线24和第五带状线25组成，呈左右放置；第四带状线24中间部分向内弯折，第五带状线弯折成“弓”字形，用来减小体积。
如图2和图9所示，第七导体层7是一块金属地板，上面有一个方形开孔，用来被金属化过孔通过。
如图2和图10所示，第八导体层8由第六带状线26经过多次弯折形成，呈左右对称形状；输入端口51从其中引出。
如图2和图11所示，第九导体层9由两条弯折的第七带状线27和第八带状线28组成，呈左右对称放置并相互靠近形成耦合。
如图2和图12所示，第十导体层10是一块金属地板，上面有四个方形开孔，用来被金属化过孔通过。
如图2和图13所示，第十一导体层11由两条弯折的第九带状线29和第十带状线30组成，呈左右对称放置。
如图2和图14所示，第十二导体层12是两块金属贴片，它们的长度和宽度可以控制低频滤波网络的耦合系数。
如图2和图15所示，第十三导体层13由两条弯折的第十一带状线31和第十二带状线32组成，呈左右对称放置，它们的形状大小和第十一导体层完全相同。
如图2和图16所示，第十四导体层14是一块金属地板，上面有四个方形开孔，用来被金属化过孔通过，它的形状大小和第十导体层10完全相同。
如图2和图17所示，第十五导体层15由两条弯折的第十三带状线33和第十四带状线34组成，呈左右对称放置并相互靠近形成耦合，它们的形状和第九导体层9完全相同。
如图2和图18所示，第十六导体层16由第十五带状线35弯折而成，低频段滤波网络的输出端口52从第十五带状线35引出。
如图2和图19所示，第十七导体层17是一块金属地板和三个端口连接贴片，它的形状与第一导体层1完全相同。
本实施例中，滤波网络的中心频率由半波长谐振器长度决定，两输出端口的滤波特性由枝节加载谐振器与两个半波长谐振器分别形成滤波网络得到，高隔离由低频段滤波网络的容性加载和半波长谐振器中点电压为零的特性得到；根据以上分析，本实施例获得了所需的双工器。
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19所示，L1至L25标明了本实施例的各尺寸长度，具体如下：L1等于2.6mm、L2等于2.4mm、L3等于0.45mm、L4等于0.7mm、L5等于0.35mm、L6等于0.9mm、L7等于1.7mm、L8等于0.8mm、L9等于1mm、L10等于1.9mm、L11等于0.4mm、L12等于0.5mm、L13等于0.7mm、L14等于1mm、L15等于0.58mm、L16等于0.7mm、L17等于0.75mm、L18等于1.1mm、L19等于0.7mm、L20等于0.8mm、L21等于0.75mm、L22等于0.35mm、L23等于0.5mm、L24等于0.5mm、L25等于0.2mm。本实施例中所述的带状线所采用的宽度均为W等于0.2mm；本实施例所采用的十六层介质基板中，由下至上第一、六、七和十六层为0.2mm，其余均为0.1mm，但本发明的介质基板厚度不仅限于此；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，介质损耗正切角为0.002，整个器件体积为2.6mm*2.4mm*2mm，具有小型化的特点。
实验结果如图20所示，图中包含S11,S21,S31以及S23四条曲线，该LTCC双工器工作于3.5和5.2GHz，两个工作网络的损耗分别为1.72dB和1.95dB，通带内回波损耗大于10dB，S21在2.7GHz，5GHz，5.35GHz和6.75GHz处各有一个传输零点，保证了高选择性和宽阻带的效果，S31在3.2GHz和7.2GHz处有各一个传输零点；S23在通带内小于-40dB,且在整个频率范围内小于-35dB,可见，该LTCC双工器具有很好的隔离效果。
上述实施例提供的双工器，具有体积小、插损小、滤波效果好、隔离效果好的优异性能，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。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (1)
1.一种基于公共谐振器的LTCC双工器，该双工器工作于低频段和高频段上，其特征在于，所述LTCC双工器器件由十七层LTCC导体层和导体层之间的十六层介质基板组成，包括：一个工作于两个频段的第一谐振器、一个工作于低频段的第二谐振器、一个工作于高频段的第三谐振器、六层地板，三个金属贴片以及一个输入端口和两个输出端口；
所述第一谐振器与第二谐振器相互耦合形成低频段滤波网络，第一谐振器与第三谐振器相互耦合形成高频段滤波网络；所述第一谐振器设置为中心支节加载的谐振器；
第一谐振器的两个开路端和第二谐振器的两个开路端都设置为耦合结构，用以实现容性加载，并在高频段处形成传输零点；
所述第三谐振器与第一谐振器加载的中心支节进行耦合，用以实现高频段滤波网络的信号到低频段滤波网络的隔离，所述中心支节是指第五带状线(25)；
所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器由上而下分布于所述十七层的LTCC金属导体层上，其中，
第一谐振器设置在中间位置，分布在第六导体层(6)、第八导体层(8)、第九导体层(9)和第十一导体层(11)上，并由第五带状线(25)、第六带状线(26)、第七带状线(27)、第八带状线(28)、第九带状线(29)和第十带状线(30)通过金属化过孔连接组成；
第三谐振器分布在第二导体层(2)、第四导体层(4)和第六导体层(6)上，并由第一带状线(21)、第二带状线(22)、第三带状线(23)和第四带状线(24)通过金属化过孔连接组成；
第二谐振器分布在第十三导体层(13)、第十五导体层(15)和第十六导体层(16)上，并由第十一带状线(31)、第十二带状线(32)、第十三带状线(33)、第十四带状线(34)和第十五带状线(35)通过金属化过孔连接组成；
所述第五带状线(25)通过金属化过孔与与第六带状线(26)连接；
所述第七带状线(27)和第八带状线(28)位于第九导体层(9)中，并设置在第一谐振器的末端，且第七带状线(27)和第八带状线(28)相互靠近形成耦合；
所述第十三带状线(33)和第十四带状线(34)位于第十五导体层(15)中，并设置在第二谐振器的末端，且第十三带状线(33)和第十四带状线(34)相互靠近形成耦合；
所述三个金属贴片设置在谐振器之间，用于控制谐振器之间的耦合系数；其中
第一贴片(41)设置在第五导体层(5)上，位于第二带状线(22)和第五带状线(25)之间，且通过第一贴片的长度和宽度控制高频段滤波网络的耦合系数；
第二贴片(42)和第三贴片(43)设置在第十二导体层(12)上，第二贴片位于第九带状线(29)和第十一带状线(31)之间；第三贴片(43)位于第十带状线(30)和第十二带状线(32)之间，且通过第二贴片(42)和第三贴片(43)的长度和宽度控制低频段滤波网络的耦合系数；
所述第一谐振器与输入端口(51)相连；第二谐振器与第一输出端口(52)相连；第三谐振器与第二输出端口(53)相连；
所述第二谐振器的长度为低频段滤波网络工作频率所对应的波导波长的一半；第三谐振器的长度为高频滤波网络工作频率所对应的波导波长的一半；
所述六层地板分别由上而下设置在第一导体层(1)、第三导体层(3)、第七导体层(7)、第十导体层(10)、第十四导体层(14)和第十七导体层(17)上。
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