CN112928408B - 一种基于ltcc技术的5g通信频段带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，该带通滤波器包括介质基体、金属隔离层、端口单元、滤波电路单元，其中介质基体是低温烧结的陶瓷基板，具有较高的介电常数，金属隔离层由上下两层挖有空缺的金属银层组成，端口单元是覆盖在介质基板表面的金属银层，包括输入端、输出端以及对地端，滤波电路单元包括六个并列排放的谐振电路和零点耦合电路。本发明采用HFSS三维立体集成设计，采用低温共烧陶瓷工艺技术实现，具有插损小、体积小、重量轻、可靠性高、温度稳定性好、电性能批量一致性好、成本低、可大批量生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，适用于5G通信的带通滤波器。
背景技术
滤波器的功能是选择有用信号和滤除无效干扰信号，是射频系统中的一个重要器件，在发射端、中继站和接收端都发挥着至关重要的作用。目前随着第五代移动通信（5G）的正式商用，各种终端设备及5G基站的数目呈爆发式增长，所以需要研制性能、尺寸、可靠性和成本有进一步提升的微波滤波器件。低温共烧陶瓷（LTCC）作为一种整合组件技术，已经成为无源集成的主流技术之一，成为无源元件领域的发展方向，由于LTCC技术采用具有优良高频高品质特性的陶瓷材料，并使用电导率高的金属材料作为导体，采用多层布线与封装一体化结构，所以生产的器件具有更高的品质因素，对高温、高湿等恶劣环境有一定适应能力，可靠性更高，同时满足了在5G通信时代系统滤波器数目需求增加及性能要求提升时，对滤波器小型化和设计高指标的需要。
但是目前基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，多采用集总结构形式，存在结构复杂的问题，使得产品性能效果不理想，因此需要设计结构更为简单的分布结构的5G通信频段带通滤波器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向于5G通信频段的带通滤波器。
实现本发明目的的技术方案是：一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其特征在于：LTCC陶瓷基体、50欧姆阻抗的输入端口、50欧姆阻抗的输出端口、第一金属接地端口和第二金属接地端口、第一金属隔离板、第二金属隔离板、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、第五谐振单元、第六谐振单元、第一级间耦合调节模块、第二级间耦合调节模块、端口输入耦合线、端口输出耦合线；
第一谐振单元包括第一电感谐振线、第一电容耦合线；第二谐振单元包括第二电感谐振线、第二电容耦合线；第三谐振单元包括第三电感谐振线、第三电容耦合线；第四谐振单元包括第四电感谐振线、第四电容耦合线；第五谐振单元包括第五电感谐振线、第五电容耦合线；第六谐振单元包括第六电感谐振线、第六电容耦合线；
50欧姆阻抗的输入端口与端口输入耦合线一端相连，端口输入耦合线另一端与第一电感谐振线相连，其中相互宽边耦合的第一电感谐振线、第一电容耦合线上下相对，第一电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第一电容耦合线的一端通过第一连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第一谐振单元；相互宽边耦合的第二电感谐振线、第二电容耦合线上下相对，第二电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第二电容耦合线的一端通过第二连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第二谐振单元；相互宽边耦合的第三电感谐振线、第三电容耦合线上下相对，第三电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第三电容耦合线的一端通过第三连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第三谐振单元；相互宽边耦合的第三电感谐振线、第四电容耦合线上下相对，第四电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第四电容耦合线的一端通过第四连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第四谐振单元；相互宽边耦合的第五电感谐振线、第五电容耦合线上下相对，第五电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第五电容耦合线的一端通过第五连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第五谐振单元；相互宽边耦合的第六电感谐振线、第六电容耦合线上下相对，第六电感谐振线一端与第二金属接地端口相连，一端悬空，第六电容耦合线的一端通过第六连接柱与第一金属隔离板相连，一端悬空，组成第六谐振单元；第六电感谐振线与端口输出耦合线相连，端口输出耦合线与50欧姆阻抗的输出端口相连，将信号输出；第一级间耦合调节模块为‘H’型带状线，其中一边位于第二电容耦合线的上方，另外一条边位于第五电容耦合线的上方，调节第二谐振单元和第五谐振单元之间的耦合；第二级间耦合调节模块为‘Z’型带状线，其中一条边位于第一电感谐振线的下方，另外一条边位于第六电感谐振线的下方，调节第一谐振单元和第六谐振单元之间的耦合。
进一步的，50欧姆阻抗的输入端口、50欧姆阻抗的输出端口、第一金属接地端口和第二金属接地端口、第一金属隔离板、第二金属隔离板、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、第五谐振单元、第六谐振单元、第一级间耦合调节模块、第二级间耦合调节模块、端口输入耦合线、端口输出耦合线，均为金属银材料实现，实现工艺采用多层低温共烧陶瓷技术。
进一步的，第一到第六谐振单元为中心对称分布，第一谐振单元与第六谐振单元相对称，且大小长度尺寸相同，第二谐振单元与第五谐振单元相对称，且大小长度尺寸相同，第三谐振单元与第四谐振单元相对称，且大小长度尺寸相同。
进一步的，谐振单元的谐振线的长度从中间级依次减短，第三谐振单元和第四谐振单元长于第二谐振单元与第五谐振单元长于第一谐振单元与第六谐振单元。
进一步的，第一金属隔离板和第二金属隔离板由上下两层挖有小方块的银层组成，与第一金属接地端口和第二金属接地端口相连，为谐振单元形成屏蔽环境。
进一步的，所述的50欧姆阻抗的输入端口、50欧姆阻抗的输出端口、第一金属接地端口和第二金属接地端口覆盖镶嵌在LTCC陶瓷基体表面，第一金属隔离板、第二金属隔离板、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元、第五谐振单元、第六谐振单元、第一级间耦合调节模块、第二级间耦合调节模块、端口输入耦合线和端口输出耦合线印制在LTCC陶瓷基体内部。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：采用低温共烧陶瓷加工工艺，使用双层折叠线与金属柱实现并联谐振单元，并通过‘Z’形、‘H’形带状线改变谐振器之间的耦合强度，控制高低端零点，具有体积小、成本低、可靠性高、温度性能良好的优点，并且其电性能表现也优越，具有高带外抑制、低通带损耗、矩形系数高等优点。
附图说明
图1是本发明基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器的整体结构示意图。
图2是本发明基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器的谐振单元图。
图3是本发明基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器的内部结构示意图。
图4是本发明基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器的结构正视图。
图5是本发明基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器的性能仿真图，其中（a）是输出端口插入损耗和输入反射损耗曲线图，输入端驻波比曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
结合图1、图2，一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，包括LTCC陶瓷基体Die、50欧姆阻抗的输入端口P1、50欧姆阻抗的输出端口P2、第一金属接地端口Gnd1和第二金属接地端口Gnd2、第一金属隔离板Sd1、第二金属隔离板Sd2、第一谐振单元R1、第二谐振单元R2、第三谐振单元R3、第四谐振单元R4、第五谐振单元R5、第六谐振单元R6、第一级间耦合调节模块X1、第二级间耦合调节模块X2、端口输入耦合线PL1、端口输出耦合线PL2。
结合图1、图2、图3，50欧姆阻抗的输入端口P1与端口输入耦合线PL1一端相连、端口输入耦合线PL1另一端与第一谐振单元SL1相连，其中相互宽边耦合的第一电感谐振线SL1、第一电容耦合线Cr1上下相对，第一电感谐振线SL1一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第一电容耦合线Cr1的一端通过第一连接柱H1与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第一谐振单元R1；相互宽边耦合的第二电感谐振线SL2、第二电容耦合线Cr2上下相对，第二电感谐振线SL2一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第二电容耦合线Cr2的一端通过第二连接柱H2与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第二谐振单元R2；相互宽边耦合的第三电感谐振线SL3、第三电容耦合线Cr3上下相对，第三电感谐振线SL3一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第三电容耦合线Cr3的一端通过第三连接柱H3与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第三谐振单元R3；相互宽边耦合的第四电感谐振线SL4、第四电容耦合线Cr4上下相对，第四电感谐振线SL4一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第四电容耦合线Cr4的一端通过第四连接柱H4与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第四谐振单元R4；相互宽边耦合的第五电感谐振线SL5、第五电容耦合线Cr5上下相对，第五电感谐振线SL5一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第五电容耦合线Cr5的一端通过第五连接柱H5与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第五谐振单元R5；相互宽边耦合的第六电感谐振线SL6、第六电容耦合线Cr6上下相对，第六电感谐振线SL6一端与第二金属接地端口Gnd2相连，一端悬空，第六电容耦合线Cr6的一端通过第六连接柱H6与第一金属隔离板Sd1相连，一端悬空，组成第六谐振单元R6；第六电感谐振线SL6与端口输出耦合线PL2相连，端口输出耦合线PL2与50欧姆阻抗的输出端口P2相连，将信号输出；第一级间耦合调节模块X1为‘H’型带状线，其中一边位于第二电容耦合线Cr2的上方，另外一条边位于第五电容耦合线Cr5的上方，调节第二谐振单元R2和第五谐振单元R5之间的耦合；第二级间耦合调节模块X2为‘Z’型带状线，其中一条边位于第一电感谐振线SL1的下方，另外一条边位于第六电感谐振线SL6的下方，调节第一谐振单元R1和第六谐振单元R6之间的耦合。
结合图1、图2、图3，50欧姆阻抗的输入端口P1、50欧姆阻抗的输出端口P2、第一金属接地端口Gnd1和第二金属接地端口Gnd2、第一金属隔离板Sd1、第二金属隔离板Sd2、第一谐振单元R1、第二谐振单元R2、第三谐振单元R3、第四谐振单元R4、第五谐振单元R5、第六谐振单元R6、第一级间耦合调节模块X1、第二级间耦合调节模块X2、端口输入耦合线PL1、端口输出耦合线PL2，均为金属银材料实现，实现工艺采用多层低温共烧陶瓷技术。第一金属隔离板Sd1和第二金属隔离板Sd2由上下两层挖有小方块的银层组成，与第一金属接地端口Gnd1和第二金属接地端口Gnd2相连，为谐振单元形成屏蔽环境。
结合图4，基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其结构简单，陶瓷基体Die内部电路仅有第一金属隔离板Sd1、第一级间耦合调节模块X1、电容谐振线层（包括Cr1、Cr2、Cr3、Cr4、Cr5、Cr6）、电感谐振线层（包括SL1、SL2、SL3、SL4、SL5、SL6、PL1、PL2）、第二级间耦合调节模块X2、第二金属隔离板Sd2六层以及金属连接柱（H1、H2、H3、H4、H5、H6）。50欧姆阻抗的输入端口P1、50欧姆阻抗的输出端口P2、第一金属接地端口Gnd1和第二金属接地端口Gnd2覆盖镶嵌在LTCC陶瓷基体Die表面，第一金属隔离板Sd1、第二金属隔离板Sd2、第一谐振单元R1、第二谐振单元R2、第三谐振单元R3、第四谐振单元R4、第五谐振单元R5、第六谐振单元R6、第一级间耦合调节模块X1、第二级间耦合调节模块X2、端口输入耦合线PL1、端口输出耦合线PL2印制在LTCC陶瓷基体Die内部。
第一到第六谐振单元为中心对称分布，第一谐振单元（R1）与第六谐振单元（R6）相对称，且大小长度尺寸相同，第二谐振单元（R2）与第五谐振单元（R5）相对称，且大小长度尺寸相同，第三谐振单元（R3）与第四谐振单元（R4）相对称，且大小长度尺寸相同。谐振单元的谐振线的长度从中间级依次减短，第三谐振单元（R3）和第四谐振单元（R4）长于第二谐振单元（R2）与第五谐振单元（R5）长于第一谐振单元（R1）与第六谐振单元（R6），性能效果比所有谐振单元单元的谐振线长度相同时好。
一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其金属图形和低温共烧陶瓷材料在900℃左右的温度烧结而成，所以温度温度稳定性好，可靠性高，采用多层带状线结构和高介电材料作为基体，使得产品具有体积小的优势。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
本实施例滤波器通过HFSS三维立体建模仿真设计，基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其体积较小，仅为4.2mm*4.4mm*1.5mm，采用的陶瓷材料介电常数为27，内部金属银层厚度均为0.01mm。其中模型关键参数为电感谐振线和电容耦合线的尺寸：电感谐振线（SL1、SL2、SL3、SL4、SL5、SL6）的宽度均为0.2mm，第一电感谐振线SL1与第六电感谐振线SL6长度为3.2mm，第二电感谐振线SL2与第五电感谐振线SL5长度为3.25mm，第三电感谐振线SL3与第四电感谐振线SL4长度为3.3mm，电容耦合线（Cr1、Cr2、Cr3、Cr4、Cr5、Cr6）的宽度均为0.3mm，第一电容耦合线Cr1与第六电容耦合线Cr6长度为3.25mm，第二电容耦合线Cr2与第五电容耦合线Cr5长度为3.3mm，第三电容耦合线Cr3与第四电容耦合线Cr4长度为3.35mm。
分析上述5G通信频段带通滤波器性能如图5(a)、图5（b），通带范围为3.3GHz~4.2GHz，带宽900MHz，涵盖了5G通信N77频段，通带内插入损耗优于1.8dB，通带范围内输入端口反射系数优于18dB，驻波比优于1.3，阻带抑制性能优越，性能效果比目前市场上相近类别的滤波器要更优，具有良好的滤波性能。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其特征在于：LTCC陶瓷基体(Die)、50欧姆阻抗的输入端口(P1)、50欧姆阻抗的输出端口(P2)、第一金属接地端口(Gnd1)和第二金属接地端口(Gnd2)、第一金属隔离板(Sd1)、第二金属隔离板(Sd2)、第一谐振单元(R1)、第二谐振单元(R2)、第三谐振单元(R3)、第四谐振单元(R4)、第五谐振单元(R5)、第六谐振单元(R6)、第一级间耦合调节模块(X1)、第二级间耦合调节模块(X2)、端口输入耦合线(PL1)、端口输出耦合线(PL2)；
第一谐振单元(R1)包括第一电感谐振线(SL1)、第一电容耦合线(Cr1)；第二谐振单元(R2)包括第二电感谐振线(SL2)、第二电容耦合线(Cr2)；第三谐振单元(R3)包括第三电感谐振线(SL3)、第三电容耦合线(Cr3)；第四谐振单元(R4)包括第四电感谐振线(SL4)、第四电容耦合线(Cr4)；第五谐振单元(R5)包括第五电感谐振线(SL5)、第五电容耦合线(Cr5)；第六谐振单元(R6)包括第六电感谐振线(SL6)、第六电容耦合线(Cr6)；
50欧姆阻抗的输入端口(P1)与端口输入耦合线(PL1)一端相连，端口输入耦合线(PL1)另一端与第一电感谐振线(SL1)相连，其中相互宽边耦合的第一电感谐振线(SL1)、第一电容耦合线(Cr1)上下相对，第一电感谐振线(SL1)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第一电容耦合线(Cr1)的一端通过第一连接柱(H1)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第一谐振单元(R1)；相互宽边耦合的第二电感谐振线(SL2)、第二电容耦合线(Cr2)上下相对，第二电感谐振线(SL2)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第二电容耦合线(Cr2)的一端通过第二连接柱(H2)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第二谐振单元(R2)；相互宽边耦合的第三电感谐振线(SL3)、第三电容耦合线(Cr3)上下相对，第三电感谐振线(SL3)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第三电容耦合线(Cr3)的一端通过第三连接柱(H3)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第三谐振单元(R3)；相互宽边耦合的第三电感谐振线(SL4)、第四电容耦合线(Cr4)上下相对，第四电感谐振线(SL4)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第四电容耦合线(Cr4)的一端通过第四连接柱(H4)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第四谐振单元(R4)；相互宽边耦合的第五电感谐振线(SL5)、第五电容耦合线(Cr5)上下相对，第五电感谐振线(SL5)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第五电容耦合线(Cr5)的一端通过第五连接柱(H5)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第五谐振单元(R5)；相互宽边耦合的第六电感谐振线(SL6)、第六电容耦合线(Cr6)上下相对，第六电感谐振线(SL6)一端与第二金属接地端口(Gnd2)相连，一端悬空，第六电容耦合线(Cr6)的一端通过第六连接柱(H6)与第一金属隔离板(Sd1)相连，一端悬空，组成第六谐振单元(R6)；第六电感谐振线(SL6)与端口输出耦合线(PL2)相连，端口输出耦合线(PL2)与50欧姆阻抗的输出端口(P2)相连，将信号输出；第一级间耦合调节模块(X1)为‘H’型带状线，其中一边位于第二电容耦合线(Cr2)的上方，另外一条边位于第五电容耦合线(Cr5)的上方，调节第二谐振单元(R2)和第五谐振单元(R5)之间的耦合；第二级间耦合调节模块(X2)为‘Z’型带状线，其中一条边位于第一电感谐振线(SL1)的下方，另外一条边位于第六电感谐振线(SL6)的下方，调节第一谐振单元(R1)和第六谐振单元(R6)之间的耦合；
第一到第六谐振单元为中心对称分布，第一谐振单元(R1)与第六谐振单元(R6)相对称，且大小长度尺寸相同，第二谐振单元(R2)与第五谐振单元(R5)相对称，且大小长度尺寸相同，第三谐振单元(R3)与第四谐振单元(R4)相对称，且大小长度尺寸相同；
谐振单元的谐振线的长度从中间级依次减短，第三谐振单元(R3)和第四谐振单元(R4)长于第二谐振单元(R2)与第五谐振单元(R5)长于第一谐振单元(R1)与第六谐振单元(R6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其特征在于：50欧姆阻抗的输入端口(P1)、50欧姆阻抗的输出端口(P2)、第一金属接地端口(Gnd1)和第二金属接地端口(Gnd2)、第一金属隔离板(Sd1)、第二金属隔离板(Sd2)、第一谐振单元(R1)、第二谐振单元(R2)、第三谐振单元(R3)、第四谐振单元(R4)、第五谐振单元(R5)、第六谐振单元(R6)、第一级间耦合调节模块(X1)、第二级间耦合调节模块(X2)、端口输入耦合线(PL1)、端口输出耦合线(PL2)，均为金属银材料实现，实现工艺采用多层低温共烧陶瓷技术。
3.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其特征在于：第一金属隔离板(Sd1)和第二金属隔离板(Sd2)由上下两层挖有小方块的银层组成，与第一金属接地端口(Gnd1)和第二金属接地端口(Gnd2)相连，为谐振单元形成屏蔽环境。
4.根据权利要求1所述的一种基于LTCC技术的5G通信频段带通滤波器，其特征在于：所述的50欧姆阻抗的输入端口(P1)、50欧姆阻抗的输出端口(P2)、第一金属接地端口(Gnd1)和第二金属接地端口(Gnd2)覆盖镶嵌在LTCC陶瓷基体(Die)表面，第一金属隔离板(Sd1)、第二金属隔离板(Sd2)、第一谐振单元(R1)、第二谐振单元(R2)、第三谐振单元(R3)、第四谐振单元(R4)、第五谐振单元(R5)、第六谐振单元(R6)、第一级间耦合调节模块(X1)、第二级间耦合调节模块(X2)、端口输入耦合线(PL1)和端口输出耦合线(PL2)印制在LTCC陶瓷基体(Die)内部。
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