CN106960996A - 一种具有杂散抑制型垂直叉指电容的ltcc带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化集总参数LTCC带通滤波器,及其采用的杂散抑制型叉指电容和螺旋电感。带通滤波器包含杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感,其特征在于滤波器为偶数层结构,杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感在滤波器的最顶层通过微带线连接,杂散抑制型垂直叉指电容通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接并且具有缺陷结构。本发明针对60MHz的极低中心频率,提出的微型集总元件10层LTCC滤波器通过使用高阻抗线路可以实现螺旋电感和杂散抑制型垂直叉指电容的小型化、高性能和高可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电子器件领域,具体涉及一种小型化集总参数LTCC带通滤波器及其采用的杂散抑制型叉指电容和螺旋电感。
背景技术
带通滤波器(Band-Pass Filter,BPF)是现代系统级封装(System in Package,SiP)开发中必不可少的关键组件。它也是最大的组件之一,特别是在超外差接收机中变频到较低的中频频带(Intermediate Frequency,IF)(大部分的fIF<200MHz)之后。为了在这些极低频率下实现小型化,由于垂直方向的集成水平较高,低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramic,LTCC)适用于构建集总参数滤波器。很少有文献使用LTCC技术实现几十兆赫频率的带通滤波器,并且大波长使得尺寸减小非常具有挑战性。此外,大型声表滤波器由于尺寸较小而在低频率下占主导地位,但是它们有更高的插入损耗和群延迟,并且同时需要额外的电容器和电感器用于阻抗匹配。
带通滤波器在几十兆赫兹频率下工作需要大电容和大电感构成谐振器。实现大电容的同时减小滤波器尺寸只能通过使用垂直叉指型电容器(Vertically-InterdigitalCapacitor,VIC)来实现。目前,增强VIC的电容的两种方式增加了叉指的尺寸或数量。然而,增加叉指的尺寸对于过滤器尺寸减小没有帮助。增加指状物的数量导致在多个频点处产生不期望的共振或寄生杂散尖峰,从而限制了其可用频带。因为VIC是多导体结构,其呈现通带和阻带。虽然所有的VIC在设计和构建时都显示出这个问题,但目前还没有文献对多层VIC的容值和杂散尖峰的抑制进行探究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的因为出现不期望的共振或寄生杂散尖峰,从而限制可用频带的缺陷,提出了使用高阻抗线路实现多层螺旋电感和一种杂散抑制型垂直叉指电容(Spurious Spikes Suppressed Vertically-InterdigitalCapacitor,SVIC)。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是一种小型化集总参数LTCC带通滤波器,包含杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感,其特征在于滤波器为偶数层结构,杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感在滤波器的最顶层通过微带线连接,杂散抑制型垂直叉指电容通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接并且具有缺陷结构。
本发明进一步提出一种上述小型化集总参数LTCC带通滤波器采用的杂散抑制型叉指电容,该叉指电容具有八节方形叉指的垂直叉指电容,均由8节叉指构成,每节叉指分别位于第1、2、3、4、5、6、7、8层,垂直过孔连接第1、3、5、7叉指电容的开路端,在第3、5、7节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过,另一垂直过孔连接第2、4、6、8叉指电容的另一开路端,在第2、4、6节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过。
本发明还进一步提出一种上述小型化集总参数LTCC带通滤波器采用的螺旋电感,该螺旋电感采用三维多层螺旋结构,有效提高了电感的Q值,电感L1设计成正方形,电感L2设计成矩形。
作为优选,上述螺旋电感由9.5圈0.2mm宽的高阻抗线来实现螺旋电感结构。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1,本发明针对60MHz的极低中心频率,提出了一种微型集总元件10层低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器。通过使用高阻抗线路实现螺旋电感和杂散抑制型垂直叉指电容(SVIC)实现小型化、高性能和高可靠性。
2,杂散抑制型垂直叉指电容(SVIC)通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接并增加缺陷结构和通孔,实现垂直交叉指型电容(VIC)的电容值增加和杂散抑制,而Q值不会下降。
附图说明
图1为本发明的滤波器拓扑结构。
图2为本发明的SVIC三维结构图。
图3为本发明的SVIC结构等效模型图。
图4为本发明的传统VIC和SVIC电容值和Q值以及电容有效带宽仿真结果。
图5为本发明的螺旋电感的平面图、三维图、电磁仿真电感值和Q值。
图6为本发明的滤波器仿真和测试结果。
图7为本发明的滤波器三维结构图。
图8为本发明的滤波器的平面结构图与实物照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明针对60MHz的极低中心频率提出了一种微型集总元件10层低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器。通过使用高阻抗线路实现螺旋电感和杂散抑制型垂直叉指电容(SVIC)实现小型化。通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接,实现垂直交叉指型电容(VIC)的电容值增加和杂散抑制,而Q值不会下降。
为达到小型化的目的,所以选择具有较少元件的电路拓扑结构。为使设计的带通滤波器在60MHz的中心频率处具有15MHz带宽,选择了具有八个元件的公知电路模型,如图1所示。C3在输入与输出间引入反馈电容,用于确定两个传输零点的位置以增强滤波器的选择性。
本发明提出的滤波器是由电容和电感组成的10层电路,其中电容为8层,电感为10层。这里的电容在传统VIC的基础上增加了缺陷结构,以便达到电容尺寸的减小,性能不会下降还抑制了杂散。
提出的杂散抑制型叉指电容中,C1,C2,C3被设计成具有八节方形叉指的VIC以减小尺寸,叉指电容由8节叉指构成,每节叉指分别位于第1、2、3、4、5、6、7、8层。
从1端口方向看,第2、4、6、8节叉指的开路末端用垂直过孔连接,在第3、5、7节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过;从2端口方向看,第1、3、5、7叉指的开路末端用过孔连接,在第2、4、6节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过,如图2所示。
所提出的SVIC结构明显减少了通带与阻带的数量,从而减少了杂散。另外,SVIC结构也提高了有效电容值。在图3(a)中,叉指由串联电感表示,电容耦合由电容Cij建模,其中i和j是叉指数。图3(b)展示了当添加垂直通孔连接时如何修改多层结构。可知,随着阻带的数量减少,频率响应中的寄生尖峰被抑制,容值得到增加而Q值却没有降低,如图4(a)所示。
本发明用常规的VIC和提出的SVIC分别构建模型时,使用SVIC的模型实现了大约8%的尺寸减小。此外,消除了3.4GHz,5.4GHz和7.4GHz的杂散尖峰,并且工作带宽从3.4GHz扩展到9.8GHz,因为当间隔叉指连接时,电流密度分布会改变。在10GHz附近仍存在固有谐振,因为连接的叉指在该频率下相当于四分之一波长谐振器,如图4(b)。
图1拓扑结构中电感L1和L2均采用三维多层螺旋结构,9.5圈0.2mm宽的高阻抗线用来实现螺旋电感结构,有效提高了电感的Q值,因为电感Q值对滤波器的通带内插损影响非常大。电感L1设计成正方形,以减少优化参数,其平面和三维图分别如图5(a)和(b)所示;电感L2设计成矩形,以降低整个滤波器的水平Y方向长度,其平面和三维图分别如图5(c)和(d)所示。
如图1所示,为使设计的带通滤波器在60MHz的中心频率处具有15MHz带宽,选择了具有八个元件的公知电路模型。C3在输入与输出间引入反馈电容,用于确定两个传输零点的位置以增强滤波器的选择性,两个传输零点分别在位于34MHz和88MHz处。
如图2所示,C1,C2,C3被设计成具有八节方形叉指的VIC以减小尺寸,叉指电容由8节叉指构成,每节叉指分别位于第1、2、3、4、5、6、7、8层。新颖性在于从1端口方向看,第2、4、6、8节叉指的开路末端用垂直过孔连接,在第3、5、7节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过;从2端口方向看,第1、3、5、7叉指的开路末端用过孔连接,在第2、4、6节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过。所提出的SVIC结构明显减少了通带与阻带的数量,从而减少了杂散。另外,SVIC结构也提高了有效电容值。
在图3(a)中,叉指由串联电感表示,电容耦合由电容Cij建模,其中i和j是叉指数。图3(b)展示了当添加垂直通孔连接时如何修改多层结构。可知,随着阻带的数量减少,频率响应中的寄生尖峰被抑制。
使用传统VIC结构60MHz时候C1和C3电容值分别为43pF和7.5pF,而采用SVIC电容C1和C3电容值分别为46pF和8.5pF,而Q值却没有降低,如图4(a)所示。所提出的带通滤波器用常规的VIC和提出的SVIC分别构建模型时,使用SVIC的模型实现了大约8%的尺寸减小。
如图4(b)所示,SVIC电容消除了3.4GHz,5.4GHz和7.4GHz的杂散尖峰,并且工作带宽从3.4GHz扩展到9.8GHz。
集总参数滤波器中,电感Q值对滤波器的通带内插入损耗影响非常大。为了提高电感的Q值,图1拓扑结构中电感L1和L2均采用三维多层螺旋结构,9.5圈0.2mm宽的高阻抗线用来实现螺旋电感结构。电感L1设计成正方形,以减少优化参数,其平面和三维图分别如图5(a)和(b)所示;电感L2设计成矩形,以降低整个滤波器的水平Y方向长度,其平面和三维图分别如图5(c)和(d)所示。当频率为60MHz时,L1和L2的电感值分别为123nH和317nH,Q值分别为43和42,如图5(e)所示。
该滤波器由10层LTCC组成,其中包含8层电容和10层电感,Ferro-A6M烧制后的基板具有0.1mm厚度,介电常数为5.9,损耗角正切为0.002。该滤波器最终电磁优化后的尺寸参数为WC1=WC2=3.15mm,WC3=1.1mm,L1=2.4mm,L2=3.8mm,L3=1.1mm,r=0.2mm,R=0.3mm,其中参数分别在图2和5中定义。所提出的带通滤波器的结构,俯视图和照片分别示于图7和图8(a)和(b)中。
如图6所示,仿真结果与测量结果非常吻合。滤波器中心频率为60MHz,基于15dB回波损耗其带宽为18MHz。两个传输零点分别位于34MHz和88MHz频率处。通带内插损为1.95dB。测量的通带插入损耗较高是由于顶部金属层具有较大的表面粗糙度从而具有较高电阻损耗。
如图8所示,所提出的滤波器整体尺寸为10mm×10mm×1mm(不包括GSG探针测试预留微带线面积),该尺寸等效为0.004×0.004×0.0004λg(λg为厚度为1mm Ferro A6M基板在60MHz频率的波导波长)。
表1为本发明提出的滤波器和4个现有技术文献提出的LTCC集总滤波器的尺寸和性能比较情况,可以看出在尺寸、插损和相对带宽等方面性能都是最佳。
表1
上述现有技术文献分别为:
[1]H.-H.Huang,C.-H.Chen,and T.-S.Horng.Quasi-lumped bandpass filterwith sharp transition edge and wide stopband rejection.IET Electronicsletters,2013,49(9):479~480
[2]G.Brzezina,L.Roy,and L.MacEachern.Design enhancement of miniaturelumped-element LTCC bandpass filter,IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,2009,57(4):815~823
[3]Arabi,E.,Lahti,M.,Vaha-Heikkila,T.,and Shamim,A.A3-D miniaturizedhigh selectivity bandpass filter in LTCC technology.IEEE Microwave andWireless Components letters,2009,19(11):710~712
[4]S.Hwang,S.Min,M.Swaminathan,V.Sundaram,and R.Tummala.Thin-filmhigh-rejection filter integration in low-loss organic substrate.IEEETransactions on Components,Packaging,and Manufacturing Technology,2011,1:1160~1170
综上所述,本发明针对60MHz的极低中心频率,提出了一种微型集总元件10层低温共烧陶瓷(LTCC)滤波器。通过使用高阻抗线路实现螺旋电感和的杂散抑制型垂直叉指电容(SVIC)实现小型化。通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接,实现垂直交叉指型电容(VIC)的电容值增加和杂散抑制,而Q值不会下降。与现有其他文献相比所提出的滤波器的等效尺寸为最小。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式,本发明的保护范围并不以上述实施方式为限,但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化,皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.一种小型化集总参数LTCC带通滤波器,包含杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感,其特征在于滤波器为偶数层结构,杂散抑制型垂直叉指电容与三维螺旋电感在滤波器的最顶层通过微带线连接,杂散抑制型垂直叉指电容通过将间隔指的开路末端用垂直过孔连接并且具有缺陷结构。
2.一种权利要求1所述的小型化集总参数LTCC带通滤波器采用的杂散抑制型叉指电容,其特征在于:所述叉指电容具有八节方形叉指的垂直叉指电容,均由8节叉指构成,每节叉指分别位于第1、2、3、4、5、6、7、8层,垂直过孔连接第1、3、5、7叉指电容的开路端,在第3、5、7节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过,另一垂直过孔连接第2、4、6、8叉指电容的另一开路端,在第2、4、6节叉指上有缺陷结构以便于通孔穿过。
3.一种权利要求1所述的小型化集总参数LTCC带通滤波器采用的螺旋电感,其特征在于:所述螺旋电感采用三维多层螺旋结构,有效提高了电感的Q值,电感L1设计成正方形,电感L2设计成矩形。
4.根据权利要求3所述的螺旋电感,其特征在于所述螺旋电感由9.5圈0.2mm宽的高阻抗线来实现螺旋电感结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170718 |