CN109301404B - 一种基于频率选择性耦合的ltcc宽阻带滤波巴伦 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦。该滤波巴伦包括介质以及设在所述介质内部的第一谐振器、第二谐振器、第一馈线、第二馈线、第三馈线和金属地；两个谐振器均为二分之一波长谐振器，分布在不同层上，各层通过金属通孔连接；第一馈电线与第一谐振器的特定区域以耦合方式进行馈电，对二次谐波进行抑制，第二、三馈电线分别与第二谐振器的特定区域以耦合方式进行馈电，对三次谐波进行抑制，从而达到宽阻带的滤波性能；第二馈电线与第三馈电线关于第二谐振器的中心对称放置，以实现等幅反相的巴伦输出特性；本发明的基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦可对二次与三次谐波进行抑制，采用的LTCC多层电路工艺，减小了滤波器的尺寸。

Description

一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦
技术领域
本发明涉及射频电路中的滤波巴伦领域，更具体地，涉及一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，可用于差分天线馈电、差分放大器电路中。
背景技术
随着现代无线通信系统的快速发展，射频器件及模块小型化、多功能化的趋势日益明显。巴伦与带通滤波器作为射频电路的两种重要器件，常需要进行级联使用，其整体电路的小型化显得尤为重要。滤波巴伦的融合设计一方面集成了两大重要器件的功能，使得模块多功能化，一方面避免了级联失配带来的性能恶化，同时更减少了模块整体体积！
基于介质谐振器（DR）、介质集成波导（SIW）以及平面印制电路板技术（PCB）的滤波巴伦已有相关研究，但它们通常体积较大。由此，具有低造价、插损小、高频性能好等优点的低温共烧陶瓷（LTCC）技术被用于设计滤波巴伦以减小其器件体积。但它们大部分只关注通带性能，其带外性能由于高次谐波的存在而恶化。
目前较少研究致力于滤波巴伦的阻带性能改善。已提出的相关方法包括使用容性负载对高次谐波进行搬移、级联巴伦与低通滤波器对高次谐波进行抑制等，但它们存在结构体积较大，抑制阻带较窄，带内插损增大、巴伦特性输出性能恶化等问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，可对于二次、三次谐波进行抑制。该器件采用低温共烧陶瓷技术，缩小了滤波巴伦的体积。采用频率选择性耦合的技术对于二次与三次谐波进行抑制，实现了宽阻带的滤波性能。采用对称馈电技术，在通带两侧引入两个零点，增加了通带的选择性。利用二分之一波长谐振器两端反相特性，实现了良好的巴伦输出。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是。
一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，包括介质以及设在所述介质内部的谐振器、馈线和金属地，所述谐振器包括沿介质内部由上往下依次设置的谐振器末端、馈线耦合区域及谐振器互耦合区域，所述谐振器末端通过金属过孔与所述馈线耦合区域连接，所述馈线耦合区域通过金属过孔与所述谐振器互耦合区域连接，所述馈线设在所述谐振器末端与馈线耦合区域之间，所述金属地包括设在所述介质顶部和底部的第一金属地和第二金属地，以及设在所述谐振器末端和馈线之间的第三金属地、设在所述馈线耦合区域和谐振器互耦合区域之间的第四金属地，所述第三金属地和第四金属地上设有供所述金属过孔穿过的通孔；
所述第一谐振器馈线耦合区域包括馈线耦合区域I和馈线耦合区域II，馈线耦合区域I和馈线耦合区域II呈左右镜像对称；第二谐振器的馈线耦合区域包括馈线耦合区域III和馈线耦合区域Ⅳ，馈线耦合区域III和馈线耦合区域Ⅳ呈左右镜像对称；
所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器馈线耦合区域上跟与其耦合馈电的馈线的中心垂直对应的点，到其与第一谐振器谐振器末端连接的一端的长度和该第一谐振器谐振器末端的长度之和是整个第一谐振器长度的四分之一，以此实现频率选择性耦合对二次谐波进行抑制；
第二谐振器馈线耦合区域上跟与其耦合馈电的馈线的中心垂直对应的点，到其与第二谐振器谐振器末端连接的一端的长度和该第二谐振器谐振器末端的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，以此实现频率选择性耦合对三次谐波进行抑制。
进一步地，所述介质包括由上往下依次设置的第一介质层、第二介质层、第三介质层、第四介质层、第五介质层、第六介质层、第七介质层和第八介质层，所述第一谐振器和第二谐振器的谐振器末端均设在所述第一介质层和第二介质层之间，第一谐振器谐振器末端设在第二谐振器的谐振器末端的前方，第一谐振器和第二谐振器的馈线耦合区域均设在所述第四介质层和第五介质层之间，第一谐振器馈线耦合区域设在第二谐振器的馈线耦合区域的前方，第一谐振器的谐振器互耦合区域设在第七介质层和第八介质层之间，第二谐振器的谐振器互耦合区域设在第六介质层和第七介质层之间。
进一步地，所述第一谐振器和第二谐振器均为二分之一波长谐振器，利用二分之一波长谐振器的驻波等幅反相特性，实现良好的巴伦输出。
进一步地，所述第三金属地设在所述第二介质层和第三介质层之间，所述第四金属地设在所述第五介质层和第六介质层之间。
进一步地，所述馈线设在所述第三介质层和第四介质层之间，所述馈线包括第一馈线、第二馈线和第三馈线，所述第一馈线、第二馈线和第三馈线的形状和长度均相同，所述第一馈线和第二馈线呈前后镜像对称，以此在通带两侧产生零点，所述第二馈线和第三馈线呈左右镜像对称。
进一步地，所述第一馈线、第二馈线和第三馈线的中部均设有馈电端口；所述第一馈线与所述第一谐振器馈线耦合区域以上下层耦合方式进行馈电，所述第二馈线和第三馈线与所述第二谐振器的馈线耦合区域以上下层耦合方式进行馈电。
进一步地，所述第一谐振器谐振器末端包括谐振器末端A和谐振器末端B，谐振器末端A和谐振器末端B呈左右镜像对称，第二谐振器的谐振器末端包括谐振器末端C和谐振器末端D，谐振器末端C和谐振器末端D呈左右镜像对称；所述第一谐振器馈线耦合区域包括馈线耦合区域I和馈线耦合区域II，馈线耦合区域I和馈线耦合区域II呈左右镜像对称，所述第一馈线与所述馈线耦合区域I以上下层耦合方式进行馈电，第二谐振器的馈线耦合区域包括馈线耦合区域III和馈线耦合区域Ⅳ，馈线耦合区域III和馈线耦合区域Ⅳ呈左右镜像对称，所述第二馈线与所述馈线耦合区域III以上下层耦合方式进行馈电，所述第三馈线与所述馈线耦合区域Ⅳ以上下层耦合方式进行馈电。
进一步地，所述谐振器末端A通过金属过孔与所述馈线耦合区域I的一端连接，馈线耦合区域I的另一端通过金属过孔与所述第一谐振器谐振器互耦合区域的一端连接，第一谐振器谐振器互耦合区域的另一端通过金属过孔与所述馈线耦合区域II的一端连接，馈线耦合区域II的另一端通过金属过孔与所述谐振器末端B连接，形成第一谐振器；所述谐振器末端C通过金属过孔与所述馈线耦合区域III的一端连接，馈线耦合区域III的另一端通过金属过孔与所述第二谐振器的谐振器互耦合区域的一端连接，第二谐振器的谐振器互耦合区域的另一端通过金属过孔与所述馈线耦合区域Ⅳ的一端连接，馈线耦合区域Ⅳ另一端通过金属过孔与所述谐振器末端D连接，形成第二谐振器。
进一步地，所述馈线耦合区域I与第一馈线的中心垂直对应的点到其与谐振器末端A连接的一端的长度和谐振器末端A的长度之和是整个第一谐振器长度的四分之一。
进一步地，所述馈线耦合区域III与第二馈线的中心垂直对应的点到其与谐振器末端C连接的一端的长度和谐振器末端C的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，所述馈线耦合区域Ⅳ与第三馈线的中心垂直对应的点到其与谐振器末端D连接的一端的长度和谐振器末端D的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1. 在同一器件中集成了滤波与巴伦功能，减小了电路模块整体插损。
2. 利用二分之一波长谐振器的驻波反相特性，实现了良好的巴伦输出。
3. 基于频率选择性耦合对于二次与三次谐波进行抑制，在无需附加分量的情况下展宽了阻带范围。
4. 馈电线的对称放置在通带两侧产生了两个传输零点，提升了通带选择性。
5. 采用LTCC多层工艺，有效减小了滤波巴伦尺寸。
附图说明
图1是本发明的立体结构分层示意图；
图2是本发明的第一金属地层俯视示意图；
图3是本发明的谐振器末端层俯视示意图；
图4是本发明的第三金属层俯视示意图；
图5是本发明的馈线层俯视示意图；
图6是本发明的馈线耦合区域层俯视示意图；
图7是本发明的第四金属地层俯视示意图；
图8是本发明的第二谐振器的谐振器间耦合区域层俯视示意图；
图9是本发明的第一谐振器的谐振器间耦合区域层俯视示意图；
图10是本发明的第二金属地俯视示意图；
图11是本发明LTCC宽阻带滤波巴伦实施例的S参数响应实测曲线图；
图12是本发明LTCC宽阻带滤波巴伦实施例的巴伦特性响应实测曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，包括介质以及设在所述介质内部的谐振器、馈线和金属地，所述介质包括由上往下依次设置的第一介质层6、第二介质层7、第三介质层8、第四介质层9、第五介质层10、第六介质层11、第七介质层12和第八介质层13，所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器，均为二分之一波长谐振器，二分之一波长谐振器的驻波等幅反相特性被用以实现良好的巴伦输出，第一谐振器和第二谐振器包括沿介质内部由上往下依次设置的谐振器末端、馈线耦合区域及谐振器互耦合区域，所述谐振器末端通过金属过孔1与所述馈线耦合区域连接，所述馈线耦合区域通过金属过孔1与所述谐振器互耦合区域连接，所述馈线设在所述谐振器末端与馈线耦合区域之间，所述金属地包括设在所述介质顶部和底部的第一金属地2和第二金属地3，以及设在所述谐振器末端和馈线之间的第三金属地4、设在所述馈线耦合区域和谐振器互耦合区域之间的第四金属地5，所述第三金属地4和第四金属地5上设有供所述金属过孔1穿过的通孔14；
所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器馈线耦合区域上跟与其耦合馈电的馈线的中心垂直对应的点，到其与第一谐振器谐振器末端连接的一端的长度和该第一谐振器谐振器末端的长度之和是整个第一谐振器长度的四分之一，以此实现频率选择性耦合对二次谐波进行抑制；
第二谐振器馈线耦合区域上跟与其耦合馈电的馈线的中心垂直对应的点，到其与第二谐振器谐振器末端连接的一端的长度和该第二谐振器谐振器末端的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，以此实现频率选择性耦合对三次谐波进行抑制。
如图2所示，此层为本实例中的第一金属地层，位于介质顶部。
如图3所示，此层为本实例中的谐振器末端区域，该层位于第一介质层6和第二介质层7之间，包含第一谐振器谐振器末端和第二谐振器谐振器末端，第一谐振器的谐振器末端设在第二谐振器的谐振器末端的左方，其中第一谐振器谐振器末端包括谐振器末端A19和谐振器末端B20，谐振器末端A19和谐振器末端B20呈镜像对称，第二谐振器的谐振器末端包括谐振器末端C21和谐振器末端D22，谐振器末端C21和谐振器末端D22呈镜像对称。
如图4所示，此层为本实例中的第三金属地层4，设在第二介质层7和第三介质层8之间。
如图5所示，此层为本实例中的馈线层，设在第三介质层8和第四介质层9之间，所述馈线包括第一馈线15、第二馈线16和第三馈线17，所述第一馈线15、第二馈线16和第三馈线17的形状和长度均相同，中部均设有馈电端口18，所述第一馈线15和第二馈线16呈镜像对称，以此在通带两侧产生零点，所述第二馈线16和第三馈线17呈镜像对称。
如图6所示，此层为本实例中的馈线耦合区域层，设在第四介质层9和第五介质层10之间，第一谐振器的馈线耦合区域设在第二谐振器的馈线耦合区域的左方，所述第一谐振器馈线耦合区域包括馈线耦合区域I23和馈线耦合区域II24，馈线耦合区域I23和馈线耦合区域II24呈镜像对称，所述第一馈线15与所述馈线耦合区域I23以上下层耦合方式进行馈电，第二谐振器的馈线耦合区域包括馈线耦合区域III25和馈线耦合区域Ⅳ26，馈线耦合区域III25和馈线耦合区域Ⅳ26呈镜像对称，所述第二馈线16与所述馈线耦合区域III25以上下层耦合方式进行馈电，所述第三馈线17与所述馈线耦合区域Ⅳ26以上下层耦合方式进行馈电，所述馈线耦合区域I23与第一馈线15的中心垂直对应的点到其与谐振器末端A19连接的一端的长度和谐振器末端A19的长度之和是整个第一谐振器长度的四分之一，以此形成频率选择性耦合对二次谐波进行抑制，所述馈线耦合区域III25与第二馈线16的中心垂直对应的点到其与谐振器末端C21连接的一端的长度和谐振器末端C21的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，所述馈线耦合区域Ⅳ26与第三馈线17的中心垂直对应的点到其与谐振器末端D22连接的一端的长度和谐振器末端D22的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，以此形成频率选择性耦合对三次谐波进行抑制。
如图7所示，此层为本实例中的第四金属地层5，设在第五介质层10和第六介质层11之间。
如图8所示，此层为本实例中的第二谐振器的谐振器间耦合区域层，设在第六介质层11和第七介质层12之间。
如图9所示，此层为本实例中的第一谐振器的谐振器间耦合区域层，设在第七介质层12和第八介质层13之间。
如图10所示，此层为本实例中的第二金属地层，位于介质底部。
下面对本实施例的各项参数描述如下：
如图1-10所示，第一金属地层的宽L 1为3.59mm，第一金属地层的长L 2为4.2mm，谐振器末端A的长度L 3为2.03mm，谐振器末端C的长度L 4为0.73mm，第一馈线的中间枝节L 5为0.25mm，第一馈线的微带线L 6为2.75mm，馈线耦合区域I23的馈线长度L 7为3.35mm，馈线耦合区域III25的馈线长度L 8为3.4mm，第二谐振器的谐振器间耦合区域层的微带线长度L 9为8.98mm，第一谐振器的谐振器间耦合区域层长度L 10为6.3mm，每一层的介质厚度为0.1mm，导体层采用金属银制作，介质基板为陶瓷，相对介电常数为5.9，介质损耗正切tan为0.002，电路体积为4.2mm*3.59mm*1.6mm。
S参数响应实测结果如图11所示，图中包含三条曲线S11、S21和S31。该滤波巴伦中心频率位于3.4GHz，最小插入损耗为3+1.8dB,通带内回波损耗约为28dB。对于端口2，在通带上下边频各有一个传输零点，提高了通带选择性。在4GHz到13.8GHz之间实现了超过20dB的带外抑制水平，可见，该滤波巴伦具有非常好的宽阻带滤波性能。
巴伦特性响应实测结果如图12所示，图中包含幅度不平衡度和相位差两条曲线。该滤波巴伦3dB通带内的幅度不平衡度低于0.5dB，相位差在181.3°至182.7°内变化，可见，该滤波巴伦具有良好的巴伦特性输出。
综上，本发明提供了采用馈电线与谐振器之间的频率选择性耦合结构来抑制二次与三次谐波的LTCC宽阻带滤波巴伦；这个电路具有体积小，插损低，阻带宽的优异性能，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讯系统的射频前端中。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，包括介质以及设在所述介质内部的谐振器、馈线和金属地，其特征在于，所述谐振器包括沿介质内部由上往下依次设置的谐振器末端、馈线耦合区域及谐振器互耦合区域，所述谐振器末端通过金属过孔（1）与所述馈线耦合区域连接，所述馈线耦合区域通过金属过孔（1）与所述谐振器互耦合区域连接，所述馈线设在所述谐振器末端与馈线耦合区域之间，所述金属地包括设在所述介质顶部和底部的第一金属地（2）和第二金属地（3），以及设在所述谐振器末端和馈线之间的第三金属地（4）、设在所述馈线耦合区域和谐振器互耦合区域之间的第四金属地（5），所述第三金属地（4）和第四金属地（5）上设有供所述金属过孔（1）穿过的通孔（14）；
所述谐振器包括第一谐振器和第二谐振器；第一谐振器的馈线耦合区域包括馈线耦合区域I（23）和馈线耦合区域II（24），馈线耦合区域I（23）和馈线耦合区域II（24）呈左右镜像对称；第二谐振器的馈线耦合区域包括馈线耦合区域III（25）和馈线耦合区域Ⅳ（26），馈线耦合区域III（25）和馈线耦合区域Ⅳ（26）呈左右镜像对称；
所述谐振器末端包括第一谐振器谐振器末端A（19）、第二谐振器谐振器末端C（21）和第二谐振器谐振器末端D（22）；第一谐振器馈线耦合区域I（23）上跟与其耦合馈电的所述馈线的中心垂直对应的点，到该第一谐振器馈线耦合区域I（23）上与第一谐振器谐振器末端A（19）所连接的一端的长度和该第一谐振器谐振器末端A（19）的长度之和是整个第一谐振器长度的四分之一；
第二谐振器馈线耦合区域III（25）上跟与其耦合馈电的所述馈线的中心垂直对应的点，到该第二谐振器馈线耦合区域III（25）上与第二谐振器谐振器末端C（21）连接的一端的长度和该第二谐振器谐振器末端C（21）的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一，第二谐振器馈线耦合区域Ⅳ（26）上跟与其耦合馈电的所述馈线的中心垂直对应的点，到该第二谐振器馈线耦合区域Ⅳ（26）上与第二谐振器谐振器末端D（22）连接的一端的长度和该第二谐振器谐振器末端D（22）的长度之和是整个第二谐振器长度的六分之一。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述介质包括由上往下依次设置的第一介质层（6）、第二介质层（7）、第三介质层（8）、第四介质层（9）、第五介质层（10）、第六介质层（11）、第七介质层（12）和第八介质层（13），所述第一谐振器和第二谐振器的谐振器末端均设在所述第一介质层（6）和第二介质层（7）之间，第一谐振器谐振器末端设在第二谐振器的谐振器末端的前方，第一谐振器和第二谐振器的馈线耦合区域均设在所述第四介质层（9）和第五介质层（10）之间，第一谐振器馈线耦合区域设在第二谐振器的馈线耦合区域的前方，第一谐振器的谐振器互耦合区域设在第七介质层（12）和第八介质层（13）之间，第二谐振器的谐振器互耦合区域设在第六介质层（11）和第七介质层（12）之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述第一谐振器和第二谐振器均为二分之一波长谐振器。
4.根据权利要求2所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述第三金属地（4）设在所述第二介质层（7）和第三介质层（8）之间，所述第四金属地（5）设在所述第五介质层（10）和第六介质层（11）之间。
5.根据权利要求2所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述馈线设在所述第三介质层（8）和第四介质层（9）之间，所述馈线包括第一馈线（15）、第二馈线（16）和第三馈线（17），所述第一馈线（15）、第二馈线（16）和第三馈线（17）的形状和长度均相同，所述第一馈线（15）和第二馈线（16）呈前后镜像对称，所述第二馈线（16）和第三馈线（17）呈左右镜像对称。
6.根据权利要求5所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述第一馈线（15）、第二馈线（16）和第三馈线（17）的中部均设有馈电端口（18）；所述第一馈线（15）与所述第一谐振器馈线耦合区域以上下层耦合方式进行馈电，所述第二馈线（16）和第三馈线（17）与所述第二谐振器的馈线耦合区域以上下层耦合方式进行馈电。
7.根据权利要求6所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述第一谐振器谐振器末端包括谐振器末端A（19）和谐振器末端B（20），谐振器末端A（19）和谐振器末端B（20）呈左右镜像对称，第二谐振器的谐振器末端包括谐振器末端C（21）和谐振器末端D（22），谐振器末端C（21）和谐振器末端D（22）呈左右镜像对称；所述第一馈线（15）与所述馈线耦合区域I（23）以上下层耦合方式进行馈电，所述第二馈线（16）与所述馈线耦合区域III（25）以上下层耦合方式进行馈电，所述第三馈线（17）与所述馈线耦合区域Ⅳ（26）以上下层耦合方式进行馈电。
8.根据权利要求7所述的一种基于频率选择性耦合的LTCC宽阻带滤波巴伦，其特征在于，所述谐振器末端A（19）通过金属过孔（1）与所述馈线耦合区域I（23）的一端连接，馈线耦合区域I（23）的另一端通过金属过孔（1）与所述第一谐振器谐振器互耦合区域的一端连接，第一谐振器谐振器互耦合区域的另一端通过金属过孔（1）与所述馈线耦合区域II（24）的一端连接，馈线耦合区域II（24）的另一端通过金属过孔（1）与所述谐振器末端B（20）连接，形成第一谐振器；所述谐振器末端C（21）通过金属过孔（1）与所述馈线耦合区域III（25）的一端连接，馈线耦合区域III（25）的另一端通过金属过孔（1）与所述第二谐振器的谐振器互耦合区域的一端连接，第二谐振器的谐振器互耦合区域的另一端通过金属过孔（1）与所述馈线耦合区域Ⅳ（26）的一端连接，馈线耦合区域Ⅳ（26）另一端通过金属过孔（1）与所述谐振器末端D（22）连接，形成第二谐振器。
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