CN111324995A - 一种基于LTCC的1GHz低通滤波器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其包括有如下步骤：步骤S1，确定低通滤波器电路结构；步骤S2，选择电感元件和电容元件，并利用所述电感元件和电容元件组建工作频率为1GHz的LC电路；步骤S3，对低通滤波器进行结构布局和建模：在LTCC介质中埋入电感元件和电容元件，将所述电感元件设置于远离所述LTCC介质底部接地层的位置，将所述电容元件设置于靠近所述LTCC介质底部接地层的位置。本发明采用LTCC工艺实现多层线路叠加，不仅减小了器件体积，而且降低了插入损耗，较好地满足了应用要求。

Description

一种基于LTCC的1GHz低通滤波器及设计方法
技术领域
本发明涉及低通滤波器，尤其涉及一种基于LTCC的1GHz低通滤波器及设计方法。
背景技术
随着移动通信技术的不断进步，滤波器的技术要求向着低成本、小型化方向发展，虽然现有技术中存在微带滤波器、SAW滤波器、介质滤波器等，但是这些滤波器本身固有的缺点很难克服。特别是在目前UV波段的射频电路中，请参照图1，滤波器一般还是采用传统的电感电容标贴方案，其较高的插入损耗、较大的体积、较小功率容量都是劣势，为克服现有类似器件的短板，市场上出现了一些替代产品，例如Mini Circuits公司生产的类似频段系列低通滤波器，但是这些产品仍然存在过渡带长、矩形系数一般等缺陷，难以满足应用要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种采用LTCC工艺实现多层线路叠加，从而减小器件体积、降低插入损耗的低通滤波器结构及设计方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种基于LTCC的1GHz低通滤波器，其包括有LTCC介质以及由电感元件和电容元件组成的LC电路，所述LC电路的工作频率为1GHz，所述LTCC介质的底部设有接地层，所述电感元件远离所述LTCC介质底部的接地层，所述电容元件靠近所述LTCC介质底部的接地层。
优选地，所述电容元件包括有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，所述电感元件包括有电感L1、电感L2和电感L3，所述电容C1的前端、电感L1的前端和电容C2的前端相互连接后作为所述LC电路的输入端P1，所述电感L1的后端、电容C2的后端、电容C3的前端、电感L2的前端和电容C4的前端相互连接，所述电感L2的后端、电容C4的后端、电容C5的前端、电感L3的前端和电容C6的前端相互连接，所述电感L3的后端、电容C6的后端和电容C7的前端相互连接后作为所述LC电路的输出端P2，所述电容C1的后端、电容C3的后端、电容C5的后端和电容C7的后端均连接于接地层。
优选地，所述电容元件为VIC电容或者MIM电容。
优选地，所述电感元件为平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
优选地，所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
一种基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其包括有如下步骤：步骤S1，确定低通滤波器电路结构；步骤S2，选择电感元件和电容元件，并利用所述电感元件和电容元件组建工作频率为1GHz的LC电路；步骤S3，对低通滤波器进行结构布局和建模：在LTCC介质中埋入电感元件和电容元件，将所述电感元件设置于远离所述LTCC介质底部接地层的位置，将所述电容元件设置于靠近所述LTCC介质底部接地层的位置。
优选地，所述步骤S1，将所述低通滤波器的电路结构选定为椭圆函数低通滤波器、切比雪夫低通滤波器和巴特沃茨低通滤波器中的任意一种。
优选地，所述步骤S2中，根据平板电容公式计算得出所选择电容元件的电容值：
Figure BDA0001906877610000031
其中，εr为LTCC介质的相对介电常数，S为电容平板的面积，d为电容平板间距。
优选地，所述步骤S2中，所述电容元件选用VIC电容或者MIM电容，所述电感元件选用平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
优选地，所述步骤S2中，所述电容元件和所述电感元件的参数设置为：所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
本发明公开的基于LTCC的1GHz低通滤波器中，先设计电路原理图，之后选择电容、电感元件，构建工作频率为1GHz的LC电路，再布局并建立整体仿真模型，经上述工艺设计的低通滤波器，由集总元件构成，并将各种寄生电容加以利用，同时，尽量避免各种寄生效应对滤波器性能的影响，此外，在电感的设计过程中，尽量使电感远离地，用以降低寄生电容，从而提高Q值和自谐振频率。相比现有技术而言，本发明采用LTCC工艺实现多层线路叠加，不仅减小了器件体积，而且降低了插入损耗，较好地满足了应用要求。
附图说明
图1为现有低通滤波器的内部结构图；
图2为本发明低通滤波器的内部结构图；
图3为LC电路的原理图；
图4为四种电感结构示意图；
图5为U型螺旋式电感仿真模型结构图；
图6为电感元件的仿真曲线图；
图7为MIM电容结构示意图；
图8为VIC电容结构示意图；
图9为VIC电容仿真模型示意图；
图10为电容元件的仿真曲线图；
图11为椭圆函数、切比雪夫和巴特沃茨低通滤波器的衰减特性曲线图；
图12为1GHz的LTCC滤波器仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种基于LTCC的1GHz低通滤波器，请参照图2，其包括有LTCC介质1以及由电感元件2和电容元件3组成的LC电路，所述LC电路的工作频率为1GHz，所述LTCC介质1的底部设有接地层，所述电感元件2远离所述LTCC介质1底部的接地层，所述电容元件3靠近所述LTCC介质1底部的接地层。
上述低通滤波器结构中，先设计电路原理图，之后选择电容、电感元件，构建工作频率为1GHz的LC电路，再布局并建立整体仿真模型，经上述工艺设计的低通滤波器，由集总元件构成，并将各种寄生电容加以利用，同时，尽量避免各种寄生效应对滤波器性能的影响，此外，在电感的设计过程中，尽量使电感远离地，用以降低寄生电容，从而提高Q值和自谐振频率。相比现有技术而言，本发明采用LTCC工艺实现多层线路叠加，不仅减小了器件体积，而且降低了插入损耗，较好地满足了应用要求。
关于LC电路的具体结构，请参照图3，本实施例中，所述电容元件3包括有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，所述电感元件2包括有电感L1、电感L2和电感L3，所述电容C1的前端、电感L1的前端和电容C2的前端相互连接后作为所述LC电路的输入端P1，所述电感L1的后端、电容C2的后端、电容C3的前端、电感L2的前端和电容C4的前端相互连接，所述电感L2的后端、电容C4的后端、电容C5的前端、电感L3的前端和电容C6的前端相互连接，所述电感L3的后端、电容C6的后端和电容C7的前端相互连接后作为所述LC电路的输出端P2，所述电容C1的后端、电容C3的后端、电容C5的后端和电容C7的后端均连接于接地层。
关于LC电路的参数设置，本实施例中，所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
关于电容的选择，结合图7至图10所示，所述电容元件3为VIC电容或者MIM电容。
关于电感的选择，结合图4至图6所示，所述电感元件2为平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
为了更好地描述本发明的技术方案，本发明还公开了一种基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，结合图2和图3所示，其包括有如下步骤：
步骤S1，确定低通滤波器电路结构；
步骤S2，选择电感元件2和电容元件3，并利用所述电感元件2和电容元件3组建工作频率为1GHz的LC电路；
步骤S3，对低通滤波器进行结构布局和建模：在LTCC介质1中埋入电感元件2和电容元件3，将所述电感元件2设置于远离所述LTCC介质1底部接地层的位置，将所述电容元件3设置于靠近所述LTCC介质1底部接地层的位置。
上述方法中，由于LTCC技术可将电容、电感、电阻埋在其中，因此，本发明滤波器就基于该原理进行设计，这种在基板内埋置无源组件的方式大幅度缩小了模块的体积，而且这种LTCC介质具有较高的可靠性，可使设计更加灵活。LTCC除了具有较高的介电常数外，在高频下介质损耗特性也较低，以多层LTCC开发的滤波器将具有系统面积最小化、系统整合度较高、系统功能最佳化、低成本等特性，具有较大的竞争力。而且LTCC陶瓷可以根据应用的不同采用不同的配料，这样可以得到不同的介电常数和磁导率，从而增加了设计的灵活性。
在此基础上，相对于传统电容电感表贴方案，本发明采用了LTCC工艺，可实现多层线路叠加，有利于电路结构的三维集成，以及在多层立体基板上实现微波器件的集成，可以使集成器件的类别更多、参数范围更广，并在保证性能的前提下，可充分利用层间互连来缩小所占面积，经测可缩减面积近50％，优势明显。
作为一种优选方式，请参照图11，利用ADS软件对巴特沃茨(Butterworth)低通滤波器、切比雪夫(Chebyshev)低通滤波器以及椭圆函数(Elliptic)低通滤波器在相同阶数、相同截止频率条件下的S参数进行仿真，可得到不同类型滤波器的衰减特性。在此基础上，所述步骤S1，将所述低通滤波器的电路结构选定为椭圆函数低通滤波器、切比雪夫低通滤波器和巴特沃茨低通滤波器中的任意一种。其中，椭圆函数低通滤波器通带到阻带的矩形度最高，在截止频率外通过很窄的过渡带就能达到很高的衰减，并且在阻带中有传输零点，远端抑制平缓；切比雪夫低通滤波器的衰减率在椭圆函数低通滤波器和巴特沃茨低通滤波器之间；巴特沃茨低通滤波器在通带内有着较好的纹波，但矩形度不甚理想。巴特沃茨低通滤波器和切比雪夫低通滤波器类似，其所有传输零点都位于无限远处。设计过程中可根据具体指标要求选择合适的滤波器结构。
在所述步骤S2的LC元件设计过程中，基于LTCC的滤波器设计可以选用分布参数和集总参数来加以实现，本实施例中，因系统工作频段较低，可采用集总参数的形式实现。其中，LC型LTCC滤波器的电感实现由传输线提供，包括有曲折型电感和螺旋形电感，而电容则由两层以上平板结构构成，如VIC电容和MIM电容，LC集总结构的LTCC滤波器由这些形式的电感电容构成，其谐振也由电感电容电路实现。
实际应用过程中，LTCC内埋电感的实现方式有很多种，在当前LTCC内埋置矩形电感元件中，请参照图4，主要有四种结构，分别为平面式(planar)、堆叠式(stack)、位移式(offset)和三维螺旋式(3D helical)。下表对上述四种结构的电感进行了比较：
结构形式 平面式 堆叠式 位移式 螺旋式
所占面积 最大 小 中等 最小
SRF 最低 高 中等 最高
Q 最低 高 中等 最高
需要的层数 最少 少 少 最多
其中，在相同的有效电感值下，螺旋式结构的电感在面积、SRF(自谐振频率)、Q值方面都比较有优势。请参照图5，图5为一种电感的模型，图6为其仿真结果，其中电感共计8层，面积为2mm×2mm。
本实施例中，LTCC内埋电容的设计过程包括：在LTCC介质中，电容与传统的平行板电容相似，均利用两块金属板间的耦合来实现，其电容值大小可利用平行板电容计算公式计算得出，具体是指，所述步骤S2中，根据平板电容公式计算得出所选择电容元件3的电容值：
Figure BDA0001906877610000081
其中，εr为LTCC介质1的相对介电常数，S为电容平板的面积，d为电容平板间距。
请参照图7和图8，LTCC内埋置电容元件的设计主要有MIM(Mental-Insulator-Mental)与VIC(Vertically-Capacitor)两种结构，MIM和VIC结构的LTCC电容参数对比请参见下表：
Figure BDA0001906877610000082
根据上述两种结构电容的各参量对比得出，为节省平面面积，可充分利用垂直空间，电容结构拟选用VIC结构。请参见图9和图10，示出了一种优选电容仿真模型及仿真结果，其中电容共计11层，面积为2×2mm。
基于上述原理可以得出，本实施例有如下方式可供选择：所述步骤S2中，所述电容元件3选用VIC电容或者MIM电容，所述电感元件2选用平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
关于步骤S3中的整体布局及建模，本实施例中，整体元件布局时需考虑到电路性能及各元件所占面积和设计层数，以最后一段滤波器截止频率1GHz的低通滤波器为例，结构采用椭圆函数形式，共10个元件，将10个LC元件分成三列进行布局连接，其中7个接地电容放置于靠近“地”的底层，3个电感放置于远离“地”的顶层。仿真结果请参见图12。
本发明基于LTCC多层工艺的集总参数低通滤波器设计，其包括两端焊盘，中间接地焊盘，内部由四个电容、三个电感构成。其中滤波器采用椭圆函数响应。分别对电容电感建模并提取其有效值，其中，所述电容元件3和所述电感元件2的参数设置为：所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
本发明公开的基于LTCC的1GHz低通滤波器及设计方法，该滤波器结构由集总元件构成，将各种寄生电容加以利用，尽量避免各种寄生效应对性能的影响。在设计过程中，尽量使电感物理性状接近圆形，通过远离与地之间的距离来降低寄生电容，从而提高Q值和自谐振频率。经全波电磁仿真软件HFSS的仿真结果显示，滤波器在1GHz处插入损耗1.5dB，在1.2GHz处带外抑制大于40dB，滤波器体积为6.2*2.2*2.5mm。相比于现有技术中同类型滤波器而言，本发明滤波器过渡带更窄，有着更好的矩形系数，较好地满足了应用需求。
以上述所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明的保护范围，因此在本发明精神指导之下所进行的等同替换，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LTCC的1GHz低通滤波器，其特征在于，包括有LTCC介质(1)以及由电感元件(2)和电容元件(3)组成的LC电路，所述LC电路的工作频率为1GHz，所述LTCC介质(1)的底部设有接地层，所述电感元件(2)远离所述LTCC介质(1)底部的接地层，所述电容元件(3)靠近所述LTCC介质(1)底部的接地层。
2.如权利要求1所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器，其特征在于，所述电容元件(3)包括有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6和电容C7，所述电感元件(2)包括有电感L1、电感L2和电感L3，所述电容C1的前端、电感L1的前端和电容C2的前端相互连接后作为所述LC电路的输入端P1，所述电感L1的后端、电容C2的后端、电容C3的前端、电感L2的前端和电容C4的前端相互连接，所述电感L2的后端、电容C4的后端、电容C5的前端、电感L3的前端和电容C6的前端相互连接，所述电感L3的后端、电容C6的后端和电容C7的前端相互连接后作为所述LC电路的输出端P2，所述电容C1的后端、电容C3的后端、电容C5的后端和电容C7的后端均连接于接地层。
3.如权利要求1所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器，其特征在于，所述电容元件(3)为VIC电容或者MIM电容。
4.如权利要求1所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器，其特征在于，所述电感元件(2)为平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
5.如权利要求1所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器，其特征在于，所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
6.一种基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其特征在于，包括有如下步骤：
步骤S1，确定低通滤波器电路结构；
步骤S2，选择电感元件(2)和电容元件(3)，并利用所述电感元件(2)和电容元件(3)组建工作频率为1GHz的LC电路；
步骤S3，对低通滤波器进行结构布局和建模：在LTCC介质(1)中埋入电感元件(2)和电容元件(3)，将所述电感元件(2)设置于远离所述LTCC介质(1)底部接地层的位置，将所述电容元件(3)设置于靠近所述LTCC介质(1)底部接地层的位置。
7.如权利要求6所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤S1，将所述低通滤波器的电路结构选定为椭圆函数低通滤波器、切比雪夫低通滤波器和巴特沃茨低通滤波器中的任意一种。
8.如权利要求6所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据平板电容公式计算得出所选择电容元件(3)的电容值：
Figure FDA0001906877600000021
其中，εr为LTCC介质(1)的相对介电常数，S为电容平板的面积，d为电容平板间距。
9.如权利要求6所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述电容元件(3)选用VIC电容或者MIM电容，所述电感元件(2)选用平面式结构、堆叠式结构、位移式结构或者三维螺旋式结构。
10.如权利要求6所述的基于LTCC的1GHz低通滤波器设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述电容元件(3)和所述电感元件(2)的参数设置为：所述电容C1为1pF电容，所述电容C2为3.73pF电容，所述电容C3为4.25pF电容，所述电容C4为1.97pF电容，所述电容C5为4.14pF电容，所述电容C6为1.17pF电容，所述电容C7为1pF电容，所述电感L1为3.74nH电感，所述电感L2为8.6nH电感，所述电感L3为7.47nH电感。
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