CN106450601B

CN106450601B - 一种基于耦合控制的ltcc滤波开关

Info

Publication number: CN106450601B
Application number: CN201610630135.5A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 徐金旭; 宋校曲
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-07-31
Filing date: 2016-07-31
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2036-07-31
Also published as: CN106450601A

Abstract

本发明公开一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，包括两个半波长谐振器，两条馈电线，PIN管及PIN管的偏置电路等；PIN管及其偏置电路连接到馈电线的其中一个末端，控制器件的开与关状态；当器件处于开状态时，PIN管闭合，信号不通过PIN管，不产生额外的损耗；当器件处于关状态时，谐振器与馈电线的耦合通过PIN管控制为接近于零，实现高隔离；对比于传统的滤波器与开关的级联形式，本发明的滤波开关具有更低的损耗和更高的隔离效果；此外，本发明采用LTCC多层结构来进行设计，不仅增加了设计自由度，还减小了器件体积。

Description

一种基于耦合控制的LTCC滤波开关

技术领域

本发明涉及可应用于射频前端电路中的滤波开关，具体涉及一种基于耦合控制的LTCC滤波开关。

背景技术

在工业和消费电子领域，有源和无源器件有着各种各样的需求。如滤波器、功分器、耦合器和振荡器等等。在设计射频前端的时候，常常需要将各种器件级联起来，这时可能会差生各部件之间不匹配，插损增大等问题。而融合设计的方法可以有效的克服这些问题。

开关和滤波器都是射频前端的重要组成部分。他们在移动通信，高速无线局域网，遥感测绘等领域都有广泛的应用。在实际应用中，开关的设计常常需要抑制带外噪声。在射频前端的设计中，开关常常会和滤波器级联。这样的话，系统总的插损是开关和滤波器的插损之和。因此，用级联的方法搭建系统，插损会比较大，而且隔离也只能通过调节晶体管或者二极管来实现，通常隔离不会大于30 dB。克服这些问题的方法之一，就是采用融合设计的方法，用滤波开关来代替这两个器件的级联系统，在减小插损的同时，还可以利用滤波器的特性来增大隔离。滤波开关的设计中，常用低频或直流信号对滤波电路的部分参数进行改变，从而控制滤波器的通断。滤波开关可以将滤波器和开关集成到一起，从而缩小了体积，降低了插损。因此，将开关和滤波器集成在一起的滤波开关有着很高的应用价值。

低温共烧陶瓷（LTCC）技术，是一种将多层金属导体埋入陶瓷基板中构成电路的技术。它能够极大的缩小电路的体积，并且将平面电路的设计扩展到三维空间中个，拥有更高的设计自由度。LTCC在小型化器件的生成加工中有着广泛的应用，如LTCC滤波器，LTCC滤波巴伦等。

发明内容

为了克服以上提到的射频器件小型化与结构复杂之间的设计矛盾，本发明提供了一种基于耦合控制的LTCC滤波开关。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。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，有利于批量生产，良好的高频性能等传统微带双工器没有的特点。

本发明的目的采用如下技术方案实现。

一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，融合了滤波器与开关的功能，该基于耦合控制的LTCC滤波开关分布于十二层金属层上，包括第一谐振器，第二谐振器，第一馈电线，第二馈电线，输入端口，输出端口，四层地板，PIN管以及PIN管的偏置电路；第一馈电线与第一谐振器形成上下层的宽边耦合，第一谐振器与第二谐振器相互靠近形成耦合，第二谐振器与第二馈电线形成上下层的宽边耦合，因而形成一个滤波网络；PIN管及PIN管的偏置电路与第一馈电线位于第十二层的一个末端和第二馈电线位于第十二层的一个末端连接上。

进一步地，所述第一谐振器在LTCC金属层上设置为对称结构，分布在第二导体层、第五导体层、第六导体层、第七导体层、第八导体层和第十导体层上，第一谐振器由第二十九带状线、第二十五带状线、第二十一带状线、第十三带状线、第五带状线、第十七带状线、第一带状线、第十九带状线、第七带状线、第十五带状线、第二十三带状线、第二十七带状线和第三十三带状线依次连接而成；所述的第一馈电线和第二馈电线分布在第三导体层、第六导体层和第十导体层上，且相互对称，第一馈电线由第三十一带状线、第九带状线、第三带状线和第十一带状线依次连接而成。

进一步地，PIN管及PIN管的偏置电路连接在第一馈电线的一个末端和第二馈电线的一个末端上；第一馈电线和第二馈电线的末端中，除了连接PIN管及PIN管的偏置电路的末端外，其余的连接到地板，设置为短路端；并且第一馈电线的第三十一带状线和第二馈电线的第三十二带状线的长度设置为能抵消PIN管及PIN管的偏置电路所带来的电容效应，用来提高关状态下的隔离效果。

进一步地，第一谐振器和第二谐振器均为半波长谐振器，位于该两个半波长谐振器两端的第二十九带状线、第三十带状线(50)、第三十三带状线和第三十四带状线的末端进行弯折，使得这四条带状线的开路端不参与耦合，用来产生传输零点，增强带外抑制特性。

进一步地，所述的第一谐振器和第二谐振器的长度为工作通带中心频率所对应的波导波长的一半。

进一步地，所述的四层地板分布于第一导体层、第四导体层、第九导体层和第十一导体层上。

进一步地，所述的PIN管及PIN管的偏置电路焊接于整个LTCC滤波开关的最上层即第十二导体层上。

进一步地，通过控制PIN管的通断，实现两个馈电线与两个谐振器之间耦合系数的控制，从而控制滤波器的通断；输入端口和输出端口设置在馈电线的中间部位上，用来实现开与关状态的耦合控制；器件对半波长谐振器开路端进行弯折，使谐振器末端不参与耦合，用来产生传输零点，增强带外抑制；利用LTCC的多层特性，两个馈电线与两个谐振器之间通过宽边耦合，在导通状态下获得更强的耦合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明用控制耦合系数的方式改变滤波器的通断，与传统的滤波器级联开关相比，具有更小的体积；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；

2.本发明使用选择性耦合技术来实现对滤波器开关的通断，使得滤波器导通时插损不受影响，而断开时有很高的抑制。

3.本发明采用融合设计的方法将两个器件融合为一个器件，有效的减小了插损。

附图说明

图1是本发明的立体结构分层示意图；

图2是本发明的第一导体层俯视示意图；

图3是本发明的第二导体层俯视示意图；

图4是本发明的第三导体层俯视示意图；

图5是本发明的第四导体层俯视示意图；

图6是本发明的第五导体层俯视示意图；

图7是本发明的第六导体层俯视示意图；

图8是本发明的第七导体层俯视示意图；

图9是本发明的第八导体层俯视示意图；

图10是本发明的第九导体层俯视示意图；

图11是本发明的第十导体层俯视示意图；

图12是本发明的第十一导体层俯视示意图；

图13是本发明的第十二导体层俯视示意图；

图14是本发明的LTCC滤波开关实施例的导通时的频率响应特性曲线图。

图15是本发明的LTCC滤波开关实施例的断开时的频率响应特性曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

如图1和图2所示，第一导体层1是一块金属地板和两个端口连接贴片。

如图1和图3所示，第二导体层2是第一带状线21和第二带状线22组成。第一带状线21和第二带状线22通过弯折减小体积。

如图1和图4所示，第三导体层3是第三带状线23和第四带状线24组成。第三导体层3是第三带状线23和第四带状线24分别与第二导体层2是第一带状线21和第二带状线22耦合，通过改变耦合部分的长度可以控制馈电的强弱。滤波器的馈电端口在第三带状线23和第四带状线24的中点。

如图1和图5所示，第四导体层4是一块金属地。第四导体层4上的方形开孔，用来被金属化过孔通过。

如图1和图6所示，第五导体层5是第五带状线25、第六带状线26、第七带状线27和第八带状线28组成。

如图1和图7所示，第六导体层6是第九带状线29、第十带状线30、第十一带状线31、第十二带状线32组成、第十三带状线33、第十四带状线34、第十五带状线35和第十六带状线36组成。

如图1和图8所示，第七导体层7是第十七带状线37、第十八带状线38、第十九带状线39、第二十带状线40组成、第二十一带状线41、第二十二带状线42、第二十三带状线43和第二十四带状线44组成。

如图1和图9所示，第八导体层8是第二十五带状线45、第二十六带状线46、第二十七带状线47和第二十八带状线48组成。。

如图1和图10所示，第九导体层9是一块金属地板，上面的方形开孔，用来被金属化过孔通过。

如图1和图11所示，第十导体层10是第二十九带状线49、第三十带状线50、第三十一带状线51、第三十二带状线52组成、第三十三带状线53、第三十四带状线54组成。

如图1和图12所示，第十一导体层11是一块金属地板，上面的方形开孔，用来被金属化过孔通过。

如图1和图13所示，第十二导体层12边缘是金属地，上面有6个金属贴片，用来焊接电感，电容和二极管等集总原件，PIN管及PIN管的偏置电路焊接于整个器件的最上层第十二导体层上12，图中用本领域常用的二极管、电容和电感符号表示。

如图1所示，一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，融合了滤波器与开关的功能，滤波开关通过控制PIN管的通断，实现馈电线与谐振器之间耦合系数的控制，从而控制滤波器的通断；输入端口和输出端口设置在馈电线的中间部位上，用来实现开与关状态的耦合控制；器件对半波长谐振器开路端进行弯折，使谐振器末端不参与耦合，用来产生传输零点，增强带外抑制；器件利用LTCC的多层特性，馈电线与谐振器之间宽边耦合，在导通状态下获得更强的耦合。

本实施例中，滤波开关的中心频率由半波长谐振器长度决定，终端短路的馈电线与半波长谐振器选择性耦合；在二极管截止时，馈电线和半波长谐振器正常耦合，滤波器导通；在二极管导通时，馈电线与半波长谐振器之间耦合系数为0，滤波器断开。根据以上分析，本实施例获得了所需的滤波开关。

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13所示，L₁至L₂₅标明了本实施例的各尺寸长度，具体如下：L ₁=4.4mm，L ₂=4.2mm，L ₃=7.9mm，L ₄=6.8mm，L ₅=6.2mm，L ₆=3.7mm，L ₇=1.8mm，L ₈=4.15mm，L ₉=7.2mm，L ₁₀=2.0mm。本案例中所述的带状线所采用的宽度均为W等于0.2mm；每层介质基板的厚度为0.1mm，可由多层叠成不同的高度，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4.4mm*4.2mm*2mm，具有小型化的特点。

实验结果如图14和图15所示，图中包含滤波开关导通和断开状态下的S₁₁和S₂₁两条曲线，该LTCC滤波开关工作于1.4 GHz，在导通状态下，通带内插入损耗约为2.33 dB,回波损耗大于20 dB，带外抑制大于20 dB。在断开状态下，LTCC滤波开关在通带附近范围内有大于47 dB的抑制。可见该LTCC滤波开关在导通时具有很好的滤波响应，在断开时有很高的抑制效果。

综上，本发明提供了一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，具有体积小，插损小，滤波效果好，断开状态抑制高的优异性能，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。

以上所描述的实施例是本发明中的一个教好的实施例，并不用以限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所做的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。

Claims

1.一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，融合了滤波器与开关的功能，其特征在于：该基于耦合控制的LTCC滤波开关分布于十二层金属层上，包括第一谐振器，第二谐振器，第一馈电线，第二馈电线，输入端口，输出端口，四层地板，PIN管以及PIN管的偏置电路；第一馈电线与第一谐振器形成上下层的宽边耦合，第一谐振器与第二谐振器相互靠近形成耦合，第二谐振器与第二馈电线形成上下层的宽边耦合，因而形成一个滤波网络；PIN管及PIN管的偏置电路与第一馈电线位于第十二层的一个末端和第二馈电线位于第十二层的一个末端连接上；所述第一谐振器在LTCC金属层上设置为对称结构，分布在第二导体层（2）、第五导体层（5）、第六导体层（6）、第七导体层（7）、第八导体层（8）和第十导体层（10）上，第一谐振器由第二十九带状线（49）、第二十五带状线（45）、第二十一带状线（41）、第十三带状线（33）、第五带状线（25）、第十七带状线（37）、第一带状线（21）、第十九带状线（39）、第七带状线（27）、第十五带状线（35）、第二十三带状线（43）、第二十七带状线（47）和第三十三带状线（53）依次连接而成；所述的第一馈电线和第二馈电线分布在第三导体层（3）、第六导体层（6）和第十导体层（10）上，且相互对称，第一馈电线由第三十一带状线（51）、第九带状线（29）、第三带状线（23）和第十一带状线（31）依次连接而成；PIN管及PIN管的偏置电路连接在第一馈电线的一个末端和第二馈电线的一个末端上；第一馈电线和第二馈电线的末端中，除了连接PIN管及PIN管的偏置电路的末端外，其余的连接到地板，设置为短路端；并且第一馈电线的第三十一带状线（51）和第二馈电线的第三十二带状线（52）的长度设置为能抵消PIN管及PIN管的偏置电路所带来的电容效应；第一谐振器和第二谐振器均为半波长谐振器，位于两个半波长谐振器两端的第二十九带状线（49）、第三十带状线(50)、第三十三带状线（53）和第三十四带状线（54）的末端进行弯折。

2.如权利要求1所述的一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，其特征在于，所述的第一谐振器和第二谐振器的长度为工作通带中心频率所对应的波导波长的一半。

3.如权利要求1所述的一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，其特征在于，所述的四层地板分布于第一导体层（1）、第四导体层（4）、第九导体层（9）和第十一导体层（11）上。

4.如权利要求1所述的一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，其特征在于，所述的PIN管及PIN管的偏置电路焊接于整个LTCC滤波开关的最上层即第十二导体层上（12）。

5.如权利要求1所述的一种基于耦合控制的LTCC滤波开关，其特征在于，通过控制PIN管的通断，实现两个馈电线与两个谐振器之间耦合系数的控制，从而控制滤波器的通断；输入端口和输出端口设置在馈电线的中间部位上，用来实现开与关状态的耦合控制；器件对半波长谐振器开路端进行弯折，使谐振器末端不参与耦合，用来产生传输零点，增强带外抑制；利用LTCC的多层特性，两个馈电线与两个谐振器之间通过宽边耦合。