CN108322197A - 一种ltcc低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LTCC滤波器，包括传输端口，还包括陶瓷体和电抗元件，电抗元件位于陶瓷体的内部，形成具有多层结构的金属层；电抗元件包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；第一电感、第三电感、第五电感和第七电感均位于金属层的第一层到第四层，第二电感位于金属层的第五层和第六层，第四电感和第六电感均位于金属层的第五层到第八层；第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均位于金属层的第九层和第十层；电抗元件通过圆形通孔柱实现导通。所述滤波器抑制度高、截止频率边带陡峭度大；具有较小的驻波比，且阻抗匹配性能良好；并且滤波器频选特性优秀。

Description

一种LTCC低通滤波器

技术领域

本发明涉及低通滤波器技术领域，尤其涉及一种LTCC低通滤波器。

背景技术

低温共烧陶瓷技术(LTCC)属于MCM-C(陶瓷基片多芯片组件)中的一种，采用多层印制金属图案的陶瓷作为基板材料，并通过打孔填充金属浆料(一般为银)构成互连结构，一方面可以作为传统面对恶劣环境条件性能和寿命表现疲态的PCB基板的完美替代；一方面由于内部电路结构的不同可构成具有滤波、阻抗转换、信号收发等功能的无源器件,比如滤波器，巴伦，天线。而滤波器作为射频前端的一个关键部件，其频选特性的好坏直接影响整个模块乃至整个系统的性能表现，因此研究滤波器意义重大。

滤波器根据频率响应的不同大致可分为三大类：巴特沃兹型、契比雪夫型及椭圆函数型。初学者一般采用契比雪夫型，因其可同时兼顾衰减特性和通带平坦度；如若通带平坦度要求较高，则采用巴特沃思型；而椭圆函数由于通过控制阻带内传输零点，衰减特性方面优势明显，本技术方案设计的高陡直度低通滤波器采用改进型的椭圆函数型，是为了解决现有技术中基于椭圆函数型的滤波器的频选特性不佳，不能满足北斗导航系统和GPS导航系统的频率选择特性的要求。

发明内容

本发明提供了一种LTCC低通滤波器，包括传输端口，还包括陶瓷体和电抗元件，所述传输端口位于所述陶瓷体的侧表面；所述电抗元件通过LTCC封装技术被封装在所述陶瓷体的内部，形成具有多层结构的金属层；

所述电抗元件包括电感组件和电容组件，所述电感组件包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感和第七电感，所述电容组件包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；

所述第一电感、第三电感、第五电感和第七电感均位于所述金属层的第一层到第四层，所述第二电感位于所述金属层的第五层和第六层，所述第四电感和第六电感均位于所述金属层的第五层到第八层；所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均位于所述金属层的第九层和第十层；

所述电抗元件通过圆形通孔柱实现导通，所述圆形通孔柱包括第一通孔柱、第二通孔柱、第三通孔柱、第四通孔柱、第五通孔柱和第六通孔柱；所述第一电感、第二电感和第三电感通过第一通孔柱实现电连接，所述第三电感、第四电感和第五电感通过第二通孔柱实现连接，所述第五电感、第六电感和第七电感通过第三通孔柱实现连接；所述第一电容和第二电感通过第四通孔柱实现连接，所述第二电容和第四电感通过第五通孔柱实现连接，所述第三电容和第六电感通过第六通孔柱实现连接。

进一步地，所述传输端口包括输入端、第一输出端和第二输出端；

所述输入端位于所述金属层的第三层，所述第一输出端位于所述金属层的第一层，所述第二输出端位于所述金属层的第九层。

进一步地，所述金属层的第九层为所述电容组件中电容的上极板，所述金属层的第十层为所述电容组件的下极板，且为接地层。

进一步地，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感均采用立体三维螺旋式电感；

所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均采用垂直交指型电容。

进一步地，所述电抗元件的电路连接关系为：

第一电感、第三电感、第五电感和第七电感依次串联，并且，所述第一电感的另一端与所述输入端口相连，所述第七电感的另一端与所述输出端口相连；

所述第二电感和第一电容构成第一串联谐振电路，所述第四电感和第二电容构成第二串联谐振电路，所述第六电感和第三电容构成第三串联谐振电路，所述第一串联谐振电路、第二串联谐振电路和第三串联谐振电路均并联；并且，所述第一串联谐振电路的一端与所述第一电感和第三电感之间的电路电连接；所述第二串联谐振电路的一端与所述第三电感和第五电感之间的电路电连接；所述第三串联谐振电路的一端与所述第五电感和第七电感之间的电路电连接；并且，所述第一串联谐振电路的另一端、第二串联谐振电路的另一端和第三串联谐振电路的另一端均电连接，且接地；

还包括第四电容，所述第四电容的一端与第七电感和输出端口之间的电路电连接；所述第四电容的另一端与所述第一串联谐振电路的另一端电连接。

进一步地，所述低通滤波器在带通范围为0-1.45GHz，驻波比均小于1.5；且驻波比的最大值为1.495。

进一步地，所述低通滤波器在频率范围为1450MHz-1558MHz处，衰减从-3.17dB下降到-42.3dB。

进一步地，还包括接地端，所述接地端位于所述陶瓷体的侧表面；所述接地端由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。

进一步地，还包括标识点，所述标识点位于所述陶瓷体的上表面，用于标明滤波器的正反。

进一步地，所述传输端口由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。

本发明提供的LTCC低通滤波器具有的有益效果是：

所述LTCC低通滤波器的陶瓷体采用LTCC工艺陶瓷材料，成本低、易批量化、体积小、重量轻、安装调试简单等优点；而且稳定性好，可靠性高，适用于酸碱、高低温、高冲击等各种恶劣环境条件下使用。并且，相比其他滤波器，此款滤波器抑制度高，截止频率边带陡峭度大特点，在将近100MHz的频带范围内，绝对衰减达到39dB。进一步地，所述滤波器能够在保证大衰减量的前提下，在通频带范围仍具有较小的驻波比，阻抗匹配性能良好。还有，该滤波器的原理设计中采用了在输出端口加载电容的方式进行再次滤波，改善了滤波器的频选特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它附图。

图1是本发明实施例提供的LTCC滤波器结构示意图；

图2是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第一层金属层的结构图；

图3是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第二层金属层的结构图；

图4是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第三层金属层的结构图；

图5是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第四层金属层的结构图；

图6是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第五层金属层的结构图；

图7是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第六层金属层的结构图；

图8是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第七层金属层的结构图；

图9是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第八层金属层的结构图；

图10是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第九层金属层的结构图；

图11是本发明实施例提供的LTCC滤波器的第十层金属层的结构图；

图12是本发明实施例提供的LTCC滤波器的一种电路原理图；

图13是本发明实施例提供的LTCC滤波器的另一种电路原理图；

图14是本发明实施例提供的LTCC滤波器的产品封装结构示意图；

图15是本发明实施例提供的LTCC滤波器的S参数；

图16是本发明实施例提供的LTCC滤波器的滤波器通带驻波比.

图中：1-L1第一层，2-L3第一层,3-L5第一层,4-L7第一层,5-第一输出端口，6-L1第二层，7-L3第二层,8-L5第二层,9-L7第二层，10-L1第三层，11-L3第三层,12-L5第三层,13-L7第三层，14-输入端口，15-L1第四层，16-L3第四层,17-L5第四层,18-L7第四层，19-L2第一层，20-L4第一层,21-L6第一层,22-L2第二层，23-L4第二层,24-L6第二层,25-L4第三层，26-L6第三层,27-L4第四层，28-L6第四层,29-C1第一层，30-C2第一层,31-第二输出端口，32-C3第一层，33-C4第一层，34-C1第二层，35-C2第二层,36-C3第二层，37-C4第二层；101-第一圆柱通孔,102-第二圆柱通孔,103-第三圆柱通孔，104-第四圆柱通孔，105-第五圆柱通孔,106-第六圆柱通孔，107-第七圆柱通孔，108-第八圆柱通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本技术方案涉及材料学、电子学、微电子学以及射频微波技术等领域，提出了一种适用于导航系统的高边带陡度LTCC低通滤波器的设计与加工方案。本技术方案综合考量器件要求的性能参数及具体使用环境，采用了七阶椭圆函数型滤波器。所述低通滤波器对应的产品加工采用LTCC加工高密度高集成度的封装技术，其一般采用金或者银作为布线金属，因此在烧结过程中不会氧化，无需考虑电镀保护和烧结气氛，减少了工艺复杂度，降低工艺成本。

此外，LTCC的陶瓷基片根据组成成分玻璃、陶瓷及有机物的比例不同，可生成满足各种微波器件的具有不同电气性能(如介电常数)和其它物理性能(如热膨胀系数)的介质材料，大大增加了设计的灵活度。具体地：

本实施例提供了一种LTCC低通滤波器，包括传输端口，还包括陶瓷体和电抗元件，所述传输端口位于所述陶瓷体的侧表面；所述电抗元件通过LTCC封装技术被封装在所述陶瓷体的内部，形成具有多层结构的金属层；

所述电抗元件包括电感组件和电容组件，所述电感组件包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感和第七电感，所述电容组件包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；所述电抗元件的设计布局如下图1所示：

所述第一电感、第三电感、第五电感和第七电感均位于所述金属层的第一层到第四层，所述第二电感位于所述金属层的第五层和第六层，所述第四电感和第六电感均位于所述金属层的第五层到第八层；所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均位于所述金属层的第九层和第十层；

所述电抗元件通过圆形通孔柱实现导通，导通效果较好且工艺容易实现；所述圆形通孔柱包括第一通孔柱、第二通孔柱、第三通孔柱、第四通孔柱、第五通孔柱和第六通孔柱；所述第一电感、第二电感和第三电感通过第一通孔柱实现电连接，所述第三电感、第四电感和第五电感通过第二通孔柱实现连接，所述第五电感、第六电感和第七电感通过第三通孔柱实现连接；所述第一电容和第二电感通过第四通孔柱实现连接，所述第二电容和第四电感通过第五通孔柱实现连接，所述第三电容和第六电感通过第六通孔柱实现连接。

其中，所述传输端口包括输入端、第一输出端和第二输出端；所述输入端位于所述金属层的第三层，所述第一输出端位于所述金属层的第一层，所述第二输出端位于所述金属层的第九层。所述传输端口由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。

其中，所述金属层的第九层为所述电容组件中电容的上极板，所述金属层的第十层为所述电容组件的下极板，且为接地层。

进一步地，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感均采用立体三维螺旋式电感；所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均采用垂直交指型电容，也就是采用节省空间的VIC方式。

详细地，具体如图2-11所示：金属层的第一层包括第一层1(L1)，第一层2(L3),第一层3(L5),第一层4(L7),第一输出端口5，第二层6(L1)，第二层7(L3),第二层8(L5),第二层9(L7)，第三层10(L1)，第三层11(L3),第三层12(L5),第三层13(L7)，输入端口14，第四层15(L1)，第四层16(L3),第四层17(L5),第四层18(L7)，第一层19(L3)，第一层20(L4),第一层21(L6),第二层22(L3)，第二层23(L4),第二层24(L6),第三层25(L4)，第三层26(L6),第四层27(L4)，第四层28(L6),第一层29(C1)，第一层30(C2),第二输出端口31，第三电容C3第一层32，C4第一层33，第一电容C1第二层34，第二电容C2第二层35,第三电容C3第二层36，第四电容C4第二层37；第一圆柱通孔101,第二圆柱通孔102,第三圆柱通孔103，第四圆柱通孔104，第五圆柱通孔105,第六圆柱通孔106，第七圆柱通孔107，第八圆柱通孔108。其中，所述第一输出端口5和第二输出端口31属于同一个输出端口，通过外部端口相互连接。

详细地，本实施例给出一种低通滤波器的电路原理图如图12所示，其中P1为输入端口，P2为输出端口，一共包含有七个电感(L1-L7)，四个电容(C1-C4)；其中C1和L2，C2和L4，C3和L6分别构成串联谐振，通过控制它们的参数可对阻带内的各个传输零点进行精准控制，进而实现对频带信号的有效筛选。另外，在图12所述电路原理基础上，在其P2端口处另外增加一个电容C4，如图13所示，以进一步增强其滤波特性。对应地，其中的电抗元件的电路具体连接关系为：

第一电感、第三电感、第五电感和第七电感依次串联，并且，所述第一电感的另一端与所述输入端口相连，所述第七电感的另一端与所述输出端口相连；

所述第二电感和第一电容构成第一串联谐振电路，所述第四电感和第二电容构成第二串联谐振电路，所述第六电感和第三电容构成第三串联谐振电路，所述第一串联谐振电路、第二串联谐振电路和第三串联谐振电路均并联；并且，所述第一串联谐振电路的一端与所述第一电感和第三电感之间的电路电连接；所述第二串联谐振电路的一端与所述第三电感和第五电感之间的电路电连接；所述第三串联谐振电路的一端与所述第五电感和第七电感之间的电路电连接；并且，所述第一串联谐振电路的另一端、第二串联谐振电路的另一端和第三串联谐振电路的另一端均电连接，且接地；

还包括第四电容，所述第四电容的一端与第七电感和输出端口之间的电路电连接；所述第四电容的另一端与所述第一串联谐振电路的另一端电连接。

进一步地，还包括接地端，所述接地端位于所述陶瓷体的侧表面；所述接地端由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。还包括标识点，所述标识点位于所述陶瓷体的上表面，用于标明滤波器的正反，也就是这个用来标明滤波器的上下以及左右，其中，IN为输出，out为输出。。

依照图14所示，图14为对应的产品示意图，其中，陶瓷体左端为信号的输入端的端口(In)，右端为信号的输出端的端口(Out)，前后两侧为接地端(Gnd)，上表面设有一用于产品定位的标识点(Mark)，用来确定产品的调安装试方向。

进一步地，根据ADS原理图和HFSS模型的优化分析结果，得到的S仿真结果如图15所示，通频带驻波比如图16所示。从图15可以看出，所述低通滤波器在频率范围为1450MHz-1558MHz处，衰减从-3.17dB下降到-42.3dB。也就是说，频率范围为1450-1558MHz衰减降低约为39dB，边带陡峭度极高，其中1450MHz处小于-3.2dB，1558-1581MHz段衰减数值逼近-40dB。从图16可以看出，所述低通滤波器在带通范围内(DC-1.45GHz)，输出驻波比均小于1.5；且驻波比的最大值为1.495。考虑实际加工的工艺误差，参考容差分析结果，实际产品的驻波比能够基本能够控制到1.53左右，符合在北斗和GPS导航系统的应用需求。

综上所述，所述LTCC低通滤波器属于七阶椭圆形滤波器，通过十层金属层和层间金属通孔连接结构的设计，进一步采用LTCC工艺技术，实现所述低通滤波器在DC-1.45GHz通带范围内的驻波比均小于1.5；在频率范围1450-1558MHz处衰减绝对值陡降约为39dB(衰减曲线近乎呈垂直)，达到北斗和GPS导航系统的应用需求，解决了适用于北斗导航系统频段和GPS导航系统的频率选择特性，具体是适用于BD2(北斗二代)的B1频段(1561.098MHZ±2.046MHZ)和GPS的L1频段(1575.42MHZ±1.023MHZ)。

因此，所述滤波器的陶瓷体采用的是LTCC工艺陶瓷材料，成本低、易批量化、体积小、重量轻、安装调试简单等优点；而且稳定性好，可靠性高，适用于酸碱、高低温、高冲击等各种恶劣环境条件下使用。并且，相比其他滤波器，此款滤波器抑制度高，截止频率边带陡峭度大特点，在将近100MHz的频带范围内，绝对衰减达到39dB。进一步地，所述滤波器能够在保证大衰减量的前提下，在通频带范围仍具有较小的驻波比，阻抗匹配性能良好。还有，该滤波器的原理设计中采用了在输出端口加载电容的方式进行再次滤波，改善了滤波器的频选特性。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LTCC低通滤波器，包括传输端口，其特征在于，还包括陶瓷体和电抗元件，所述传输端口位于所述陶瓷体的侧表面；所述电抗元件通过LTCC封装技术被封装在所述陶瓷体的内部，形成具有多层结构的金属层；

所述电抗元件包括电感组件和电容组件，所述电感组件包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感和第七电感，所述电容组件包括第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；

所述第一电感、第三电感、第五电感和第七电感均位于所述金属层的第一层到第四层，所述第二电感位于所述金属层的第五层和第六层，所述第四电感和第六电感均位于所述金属层的第五层到第八层；所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均位于所述金属层的第九层和第十层；

所述电抗元件通过圆形通孔柱实现导通，所述圆形通孔柱包括第一通孔柱、第二通孔柱、第三通孔柱、第四通孔柱、第五通孔柱和第六通孔柱；所述第一电感、第二电感和第三电感通过第一通孔柱实现电连接，所述第三电感、第四电感和第五电感通过第二通孔柱实现连接，所述第五电感、第六电感和第七电感通过第三通孔柱实现连接；所述第一电容和第二电感通过第四通孔柱实现连接，所述第二电容和第四电感通过第五通孔柱实现连接，所述第三电容和第六电感通过第六通孔柱实现连接。

2.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述传输端口包括输入端、第一输出端和第二输出端；

所述输入端位于所述金属层的第三层，所述第一输出端位于所述金属层的第一层，所述第二输出端位于所述金属层的第九层。

3.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述金属层的第九层为所述电容组件中电容的上极板，所述金属层的第十层为所述电容组件的下极板，且为接地层。

4.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感均采用立体三维螺旋式电感；

所述第一电容、第二电容、第三电容和第四电容均采用垂直交指型电容。

5.根据权利要求2所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述电抗元件的电路连接关系为：

第一电感、第三电感、第五电感和第七电感依次串联，并且，所述第一电感的另一端与所述输入端口相连，所述第七电感的另一端与所述输出端口相连；

所述第二电感和第一电容构成第一串联谐振电路，所述第四电感和第二电容构成第二串联谐振电路，所述第六电感和第三电容构成第三串联谐振电路，所述第一串联谐振电路、第二串联谐振电路和第三串联谐振电路均并联；并且，所述第一串联谐振电路的一端与所述第一电感和第三电感之间的电路电连接；所述第二串联谐振电路的一端与所述第三电感和第五电感之间的电路电连接；所述第三串联谐振电路的一端与所述第五电感和第七电感之间的电路电连接；并且，所述第一串联谐振电路的另一端、第二串联谐振电路的另一端和第三串联谐振电路的另一端均电连接，且接地；

还包括第四电容，所述第四电容的一端与第七电感和输出端口之间的电路电连接；所述第四电容的另一端与所述第一串联谐振电路的另一端电连接。

6.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器在带通范围为0-1.45GHz，驻波比均小于1.5；且驻波比的最大值为1.495。

7.根据权利要求6所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述低通滤波器在频率范围为1450MHz-1558MHz处，衰减从-3.17dB下降到-42.3dB。

8.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，还包括接地端，所述接地端位于所述陶瓷体的侧表面；所述接地端由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，还包括标识点，所述标识点位于所述陶瓷体的上表面，用于标明滤波器的正反。

10.根据权利要求1-9任一所述的LTCC低通滤波器，其特征在于，所述传输端口由金属材料构成，所述金属材料包括金、银、铜中的至少一种。