CN108565531A - 小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器 - Google Patents

小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器 Download PDF

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何思洁
王其鹏
陈珮琦
周波
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Abstract

一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，包括LTCC基板和五个半波长谐振器；所述LTCC基板在垂直方向上分为九层，所述五个半波长谐振器在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板的奇数层，所述LTCC基板的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层。上述的方案，可以在实现带通滤波器的窄带带通特性的同时，减小电路尺寸。

Description

小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器
技术领域
本发明涉及电气元件技术领域，特别是涉及一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器。
背景技术
无源微波窄带带通滤波器（Band Pass Filter，BPF）越来越需要众多的雷达前端系统，通过使用高温超导（High-Temperature Superconductor，HTS）技术、组合结构、慢波谐振器、空腔谐振器和开路/短路短截线可实现窄带带通特性。
其中，一种可以实现窄带带通特性的带通滤波器为边缘端耦合带通滤波器，其可以通过级联端耦合半波长谐振器来实现窄带带通特性，但由于采用级联平面实现，需要占用较大的电路面积，特别是在图1所示的低频处。
另一种可以实现窄带带通特性的带通滤波器，通过低温共烧陶瓷（LowTemperature Co-fired Ceramic，LTCC）多层技术使用垂直端耦合而非边缘端耦合来构建带通滤波器以克服低温共烧陶瓷工艺的限制分辨率，而相邻导体之间的间隙（150μm）有限，但它们仍然由于只有末端耦合部分重叠而占据较大的电路面积，在减小尺寸方面几乎没有帮助。
因此，现有技术中的用于实现窄带带通特性的带通滤波器，存在着占用电路面积较大的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何在实现带通滤波器的窄带带通特性的同时，减小电路尺寸。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，包括LTCC基板和五个半波长谐振器；
所述LTCC基板在垂直方向上分为九层，所述五个半波长谐振器在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板的奇数层，所述LTCC基板的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层。
可选地，所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器的耦合强度通过偏移所述相邻奇数层之间的中间接地层进行调整。
可选地，所述LTCC基板所采用的材料为Ferro-A6，介电常数为5.9，损耗角正切为0.002。
可选地，所述半波长谐振器的特性阻抗和电长度分别为50Ω和10.7 GHz频率波长的一半。
可选地，所述LTCC基板的九层中第一层厚度为0.1mm，第二至第八层的厚度分别为0.2mm。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
上述的方案，通过将LTCC基板设置为九层结构，并将所述五个半波长谐振器在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板的奇数层，所述LTCC基板的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层，可以在实现1.9％的窄带相对带宽的同时大大减小无源微波窄带带通滤波器的电路尺寸。
附图说明
图1是现有技术中的一种实现窄带带通特性的带通滤波器的平面结构示意图；
图2是图1所示的带通滤波器的等效电气模型示意图；
图3是本发明实施例中的一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的拓扑结构图；
图4是图3所示的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的等效电气模型示意图；
图5是本发明实施例中的一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的立体结构示意图；
图6是本发明实施例中的一种具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的俯视图；
图7是本发明实施例中的一种具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的俯视图；
图8是本发明实施例中的一种具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的实物图片；
图9是本发明实施例中的一种具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的仿真和测试结果示意图。
具体实施方式
如背景技术所述，图1和图2示出了现有技术中的一种可以实现窄带带通特性的带通滤波器为边缘端耦合带通滤波器的平面结构和理想电气结构模型示意图。参见图1和图2，五个半波长谐振器通过级联端耦合来实现窄带带通特性，其中的C12、C45分别表示传输线与第一个半波长谐振器之间的电容和第五个半波谐振器之间的电容，C23、C34、分别表示相邻的两个半波谐振器之间的电容。但是，由于采用级联平面实现，因而需要占用较大的电路面积，尤其在图1所示的约等于λ/2的低频处。
因此，现有技术中的用于实现窄带带通特性的带通滤波器，存在着占用电路面积较大的问题。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图3和图4分别示出了本发明实施例中的一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的拓扑结构图和理想电气模型；图5示出了本发明实施例中的一种的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的结构。
参见图3至图5，一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器包括LTCC基板101和五个半波长谐振器102～106。其中，所述LTCC基板101在垂直方向上分为九层，从上至下依次为第一层、第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层和第九层。五个半波长谐振器102～106在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板101的奇数层，也即五个半波长谐振器102～106分别设置在所述LTCC基板101的第一层、第三层、第五层、第七层和第九层。
所述LTCC基板101的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层。具体而言，所述LTCC基板101的第二层的中间接地层用于隔离设置于第一层的半波长谐振器102和第三层的半波长谐振器103之间的宽边耦合效应，第四层的中间接地层用于隔离设置于第三层的半波长谐振器103和第五层的半波长谐振器104之间的宽边耦合效应，第六层的中间接地层用于隔离设置于第五层的半波长谐振器104和第七层的半波长谐振器105之间的宽边耦合效应，第八层用于隔离第七层的半波长谐振器105和第九层的半波长谐振器106之间的宽边耦合效应。所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器的耦合强度可以通过偏移所述相邻奇数层之间的中间接地层进行调整。
另外，本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的两个端口，称为端口1和端口2，其中，端口1和端口2均设置在LTCC基板101的第一层上，且端口1设置于所述LTCC基板101的第一层上设置的半波长谐振器102的一端，端口2通过穿过LTCC基板101的第一层至第九层的垂直通孔107与设置于第九层的半波长谐振器106耦接。因此，除了每条传输线的末端之外，不同层上的相邻的半波长谐振器之间几乎没有宽边耦合。
图6和图7分别示出了本发明实施例中的一种具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的俯视图和仰视图。在图6和图7所示的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器中：LTCC基板所采用的材料为Ferro-A6，介电常数为5.9，损耗角正切为0.002，LTCC基板的第一层的厚度为0.1mm，第二至第八层的厚度分别为0.2mm；每个半波长谐振器的特性阻抗和电长度分别为50Ω和10.7 GHz频率波长的一半。其中，图6和图7所示的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的最终尺寸最终参数请参见表1所示：
表1
单元 g1 g2 L Wg Wm Ws Rvia Rpad
尺寸长度(mm) 0.4 0.2 8.3 4 1.4 1.4 1.4 2
其中，g1表示第二层中间接地层和设置于LTCC基板第一层的半波长谐振器之间的偏移距离，g2表示设置于LTCC基板第九层的半波长谐振器和第八层中间接地层之间的偏移距离，L表示LTCC基板的偶数层的中间接地层的长度，Wg表示LTCC基板的偶数层的中间接地层的宽度，Wm表示设置于LTCC基板第九层的半的波长谐振器的宽度，Ws表示设置于LTCC基板第九层的半的波长谐振器的宽度，Rvia表示穿过LTCC基板的第一层至第九层的垂直通孔的半径，Rpad表示所述垂直通孔间隙的直径。
上述的具有参数定义的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器中，传输线与设置于LTCC基板第一层的谐振器之间的电容C12及传输线与设置于LTCC基板第九层的半波长谐振器C45之间的电容值均为20 pF，相邻两个半波长谐振器之间的电容C23和C34均为1pF，当中心频率为10.7 GHz时，垂直通孔107的等效转换电感为1.9 nH。
图8示出了本发明实施例中的一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的实物图片；图9示出了本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的仿真结果和测试结果示意图。通过测试可得，本发明实施例中的一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器测得的中心频率为10.65 GHz，与中心频率10.7 GHz相差0.05GHz。其中的微小频移是由共烧后的LTCC收缩造成的。从图9可以看出，本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的3 dB带宽为0.2 GHz（通带从10.61到10.81 GHz），相当于FBW的1.9％。与图2和图3所示的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器相比，1.9 dB的测量通带插入损耗略高一些，这是由于垂直设置的通孔过渡的不连续性和每个相邻传输的相反方向引起的。
本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的尺寸仅为8 ×4×1.7毫米（GSG探头没有垫片），相当于0.63×0.31×0.13 g，其中 g是10.7 GHz 1.7毫米厚Ferro-A6基片上的电波长。与其他基于LTCC的末端耦合BPF实现的性能和缩减的尺寸比较如表2所示：
表2
参考 通带插入损耗 尺寸缩减 电传操纵率
参考文献[1] 9 dB 2 % 15%
参考文献[2] 3 dB 2 % 4.5%
参考文献[3] 3.17 dB 2 % 7.14%
本发明 1.9 dB 80% 1.9%
其中，参考文献[1]、 [2]和[3]分别为：[1] Hiraga, K., Seki, T., Nishikawa, K.,and Uehara, K. , “Multi-layer coupled band-pass filter for 60 GHz LTCCsystem-on-package,” in Proc. IEEE Asia-Pacific Conference Proceedings (APMC),Dec. 2010, Japan, pp. 259-262；[2] Choi B G, Stubbs M G, Park C S.,” A Ka-bandnarrow bandpass filter using LTCC technology,” IEEE Microwave and WirelessComponents Letters, 2003, 13(9), pp. 388-389；[3] Ambak, Z., Ibrahim, A.,Hizan, H. M., Rahim, A. I. A., Yusoff, M. Z. M., Ngah, R., and Lee, Y. C.,”Design of 40 GHz multilayer end coupled band pass filter using LTCCtechnology,” in Proc. IEEE International Conference on SemiconductorElectronics (ICSE), Kuala Lumpur, Malaysia, 2014, pp. 294-297。
与图1和图2中所示的平面形式末端耦合带通滤波器实现相比，本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的尺寸显著减小，仅为传统平面BPF的20%，且具有最低的通带插入损耗，窄带相对带（FBW）也最窄，本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的最小尺寸在参考文献 [1][2][3]中示出的带通滤波器之间，，本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器尺寸缩小的最多。
继续参见图3和图4，尽管LTCC基板101的第九层上的谐振器106与第一层上的端口2之间通孔的设置增加了通道转换的等效电感L，但仅为1.9 nH对性能几乎没有影响，这是因为电感太小而不会影响本发明实施例中的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器的性能。在实践中，对于较高频率的应用，如Ka波段，应尽量减小通道转换的等效电感L，以减小其带通滤波器的影响，故较大半径的通孔是优选，以降低其在较高频率下的等效电感L。
综上所述，本发明提出了一种小型窄带低温共烧陶瓷（LTCC）带通滤波器（BPF），它使用垂直堆叠的半波长端耦合谐振器。多层末端耦合带状线谐振器被堆叠并被埋入LTCC衬底中以此实现垂直末端耦合且减小尺寸。相邻谐振器之间的耦合强度可通过偏移中间接地层来调整。该滤波器实现了1.9％的窄带相对带宽（FBW）并减少了的电路尺寸。
上述的方案，通过将LTCC基板设置为九层结构，并将所述五个半波长谐振器在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板的奇数层，所述LTCC基板的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层，可以在实现1.9％的窄带相对带宽的同时，减小了约80％无源微波窄带带通滤波器的电路尺寸。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，其特征在于，包括：LTCC基板和五个半波长谐振器；
所述LTCC基板在垂直方向上分为九层，所述五个半波长谐振器在垂直方向上堆叠设置并分别位于所述LTCC基板的奇数层，所述LTCC基板的相邻奇数层之间的偶数层为隔离所述相邻奇数层上设置的半波长谐振器之间的宽边耦合效应的中间接地层。
2.根据权利要求1所述的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，其特征在于，述相邻奇数层上设置的半波长谐振器的耦合强度通过偏移所述相邻奇数层之间的中间接地层进行调整。
3.根据权利要求1所述的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，所述LTCC基板所采用的材料为Ferro-A6，介电常数为5.9，损耗角正切为0.002。
4.根据权利要求1所述的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，所述半波长谐振器的特性阻抗和电长度分别为50Ω和10.7 GHz频率波长的一半。
5.根据权利要求1所述的小型窄带低温共烧陶瓷带通滤波器，所述LTCC基板的九层中第一层厚度为0.1mm，第二至第八层的厚度分别为0.2mm。
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