CN112994641B - 一种基于ltcc的双频带通滤波器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，属于微波传输领域；所述芯片为左右对称结构，正中间是电感和电容组成的第一并联电路；两端分别各串联一个电感L1和电容C1后连接输入输出端口；同时电感L1两端并联第二并联电路和接地的第三并联电路，三个并联电路构成了滤波结构，两电容C1构成了阻抗匹配结构；通过控制各电容电感，当各频段的信号输入时，低频处的信号经电容C1初步被滤除；由于第二和第三并联电路引入的传输零点，当信号经过时，低频信号与5.31GHz以上的高频信号将会被滤除；由于第一并联电路引入的传输零点，当信号经过时，两通带间的信号会被滤除；最后只输出两通带内的信号，从而实现了双频带通滤波。本发明保证了通带内的低插入损耗。

Description

一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片

技术领域

本发明属于微波传输领域及集成电路领域，涉及一种无源双频滤波器芯片，具体是一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片。

背景技术

近年来，随着移动通信系统的飞速发展，5G技术应运而生，并且在一定的范围内得到广泛应用。5G作为新一代通信系统，具有延迟时间短，数据速率高，能源消耗低及数据流量大等技术优势。为了满足5G时代的发展需求，射频元件也面向着更严苛的挑战。

滤波器作为射频前端占比最大的器件，是移动通信设备中必不可少的组成部分。其功能主要是进行信号处理，保留特定频率成分而滤除无用的频率成分，保证各频段的通信设备独立工作，不互相干扰。滤波器的工作性能直接影响整个系统的通信质量，因此，本领域技术人员一直致力于提出具有阻抗匹配，低损耗及小型化等高性能的滤波器。

低温共烧陶瓷(LTCC)技术是多芯片组件(MCM)技术中最重要的一种，它采用厚膜材料，将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确的生瓷带，在生瓷带上利用机械冲压或激光打孔技术形成钻孔，对导体浆料进行印刷烘干，并且以导体浆料进行通孔填充，可制成所需的电路图。通过此技术将各无源元件埋置，进行叠层、对齐与热压，在900℃左右烧结，从而实现三维的无源集成网络。

但是，目前市场上缺乏小型化及低损耗的双频带通滤波器。像传统的PCB技术，无法实现多层布线及内部埋置无源器件，也无法采用在高频与微波方面具有优良特性的陶瓷材料，导致器件体积大，损耗高等劣势。

发明内容

本发明基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术，提出了一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，将电容、电感等集总元件埋置在介质空间内部，减小了器件的体积，同时选取了电阻率较低的金属作为导体，保证了低损耗的需求。

所述的双频带通滤波器芯片，为左右对称结构，正中间是电感L₃，并联于两个串联的电容C₄两端，同时在两个串联电容C₄中间连接接地的电容C₅，组成了第一并联电路；

在第一并联电路两端分别对称依次串联电感L₁和电容C₁，同时左右两端电容C₁分别连接输入输出端口；

电感L₁两端同时并联电容C₂组成第二并联电路，在第二并联电路下串接由电容C₃和电感L₂组成的第三并联电路，第三并联电路同时接地。

第一，第二和第三并联电路构成了滤波结构，两端电容C₁构成了阻抗匹配结构；

其中，电容C₄，电容C₅和电感L₃构成的第一并联电路，通过调整电感电容的值，引入双频滤波器两通带间的传输零点A1及第一通带中第二个反射零点P1和第二通带中第一个反射零点P2。

电感L₂与电容C₃构成的第三并联电路，通过调整电感电容的值，引入第一通带左侧的传输零点A0及第一通带中第一个反射零点P0。通过计算S参数|S₁₁|，当回波损耗低于设定的阈值|S₁₁|<-15dB，即表明通带内的信号传输效果良好；通过仿真，控制第一通带的带宽工作频段在3.3GHz-3.6GHz范围内时，回波损耗达到|S₁₁|<-22dB，满足要求。

电感L₁和电容C₂构成的第二并联电路，通过调整电感电容的值，引入双频滤波器第二通带右侧的传输零点A2及第二通带中第二个反射零点P3。通过计算S参数|S₁₁|和仿真，控制第二通带的带宽工作频段在4.8GHz-5.0GHz范围内时，回波损耗达到|S₁₁|<-15dB，满足要求。

由于S参数与奇模半电路阻抗Z_odd(ω)和偶模半电路阻抗Z_even(ω)之间存在如下关系：

Z₀为端口处的电阻；

因此，当奇偶模半电路阻抗满足：Z_even(ω)＝Z_odd(ω)时，S₁₂(ω)＝S₂₁(ω)＝0，即产生传输零点，具体如下：

当频率接近于0GHz时，Z_even(ω)＝Z_odd(ω)＝∞，产生第一通带左侧的传输零点A0。

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A1＝4.21GHz时，产生两通带间传输零点A1。

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A2＝5.31GHz时，产生第二通带右侧传输零点A2。

所述的双频带通滤波器芯片具体构建过程如下：

首先，在两端口正中间放置第一并联电路，通过调节电感L₃，电容C₄及电容C₅，控制两通带间传输零点A1；

计算公式如下：

其次，在第一并联电路两侧对称放置第二并联电路，并在对称的第二并联电路下接第三并联电路；第二并联电路引入第二通带右侧传输零点A2，第三并联电路引入第一通带左侧传输零点A0。

由于传输零点A0接近于0GHz，第三并联电路中的元件值在一定范围内调节时，对其影响较小，不予分析。

对于传输零点A2，通过调节第二并联电路的电感L₁和电容C₂进行控制。计算公式如下：

最后，在输入输出端口处串接电容C₁，构成阻抗匹配结构。

通过调节两端电容C₁的值，可实现在两通带内滤波器的输入阻抗Z_in等于端口电阻Z₀，即Z_in＝Z₀＝50Ω，实现两通带内的阻抗匹配。

第一通带左侧的传输零点A0至两通带间传输零点A1的部分即为滤波器的第一通带，两通带间传输零点A1至第二通带右侧传输零点A2之间部分即为滤波器的第二通带；当各频段的信号从输入端口输入时，低频处的信号经电容C₁初步被滤除；由于第二并联电路(L₁,C₂)引入传输零点A2，第三并联电路(L₂,C₃)引入传输零点A0，当信号经过第二并联电路与第三并联电路时，低频信号与5.31GHz以上的高频信号将会被滤除。由于第一并联电路(L₃,C₄,C₅)引入两通带间的传输零点A1，当信号经第一并联电路时，两通带间的信号将会被滤除；最后输出端口只能输出两通带内的信号，从而实现了本发明中双频带通滤波器芯片的功能。

本发明的优点在于：

1)一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，使用了LTCC技术，布线密度高，更有利于器件的集成化，通过将集总元件埋置在介质空间内部，大大减小了器件体积。

2)一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，利用LTCC技术，可选取电阻率较低的导体，保证带通滤波器通带内的低插入损耗,优化了滤波器的性能。

3)一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，选取3.5GHz及4.9GHz作为两个通带的中心频率，中心频率比低至1:1.4。

4)一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，工作频段覆盖了5G的新增频段，即3.3GHz-3.6GHz，4.8GHz-5.0GHz，两通带之间的空白频段具备良好的抑制效果，从而可提高整个系统的抗干扰能力。

5)一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，在两通带内均保持良好的阻抗匹配性能，并且在两个通带内分别引入两个反射零点，易于控制通带带宽。

附图说明

图1为本发明一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片的结构原理图；

图2为本发明一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片的仿真结果；

图3为本发明一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片的实施例版图模型；

图4为本发明采用的实施例版图模型各层结构分解示意图；

图5为本发明实施例采用的版图仿真结果；

具体实施方式

下面将结合附图和实施示例对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种适用于微波领域的具有阻抗匹配功能的低损耗LTCC双频滤波器芯片，基于LTCC技术所实现的双频带通滤波器具有结构简单，体积小，损耗低，中心频率比低及阻抗匹配良好等性能；而且该芯片工作于5G的新增频段，即3.3GHz-3.6GHz，4.8GHz-5.0GHz。

本发明的两个通带内均具有良好的阻抗匹配，并且选取低电阻率的材料银作为导体，保证插入损耗较低，具体为本发明选取3.5GHz与4.9GHz作为两通带的中心频率，中心频率比低至1:1.4。

如图1所示，所述的双频带通滤波器芯片，为左右对称结构，正中间是电感L₃，并联于两个串联的电容C₄两端，同时在两个串联电容C₄中间连接接地的电容C₅，组成了第一并联电路；

在第一并联电路两端分别对称依次串联电感L₁和电容C₁，同时左右两端电容C₁分别连接输入输出端口；

电感L₁两端同时并联电容C₂组成第二并联电路，以及在第二并联电路下串联由电容C₃和电感L₂组成的第三并联电路，第三并联电路同时接地。

第一，第二和第三并联电路构成了滤波结构，两端电容C₁构成了阻抗匹配结构；

其中，电容C₄，电容C₅和电感L₃构成的第一并联电路，用来引入双频滤波器两通带间的传输零点A1及第一通带中第二个反射零点P1和第二通带中第一个反射零点P2。

电感L₂与电容C₃构成的第三并联电路，用来引入第一通带左侧的传输零点A0及第一通带中第一个反射零点P0。与第一并联电路共同控制第一通带的带宽，保证其工作频段覆盖3.3GHz-3.6GHz。

电感L₁和电容C₂构成的第二并联电路，用来引入双频滤波器第二通带右侧的传输零点A2及第二通带中第二个反射零点P3。与第一并联电路共同控制第二通带的带宽，保证其工作频段覆盖4.8GHz-5.0GHz。

该芯片加入阻抗匹配结构(C₁)，保证滤波器输入阻抗与端口阻抗相等，两通带内阻抗匹配良好，优化了该滤波器的性能。

由于S参数与奇模半电路阻抗Z_odd(ω)和偶模半电路阻抗Z_even(ω)之间存在如下关系：

Z₀为端口处的电阻；

因此，当奇偶模半电路阻抗满足：Z_even(ω)＝Z_odd(ω)时，S₁₂(ω)＝S₂₁(ω)＝0，即产生传输零点，具体如下：

当频率接近于0GHz时，Z_even(ω)＝Z_odd(ω)＝∞，产生第一通带左侧的传输零点A0。

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A1＝4.21GHz时，产生两通带间传输零点A1。

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A2＝5.31GHz时，产生第二通带右侧传输零点A2。

第一通带左侧的传输零点A0至两通带间传输零点A1的部分即为滤波器的第一通带，两通带间传输零点A1至第二通带右侧传输零点A2之间部分即为滤波器的第二通带。一般地，当|S₁₁|<-15dB时，视为通带内信号传输效果较好。在3.3GHz-3.6GHz的范围内，|S₁₁|<-22dB。在4.8GHz-5.0GHz的范围内，|S₁₁|<-15dB。因此，两个传输零点A0和A1控制第一通带的带宽工作频段覆盖3.3GHz-3.6GHz，两个传输零点A1和A2控制第二通带的带宽工作频段覆盖4.8GHz-5.0GHz。

当各频段的信号从输入端口输入时，低频处的信号经电容C₁初步被滤除；由于第二并联电路(L₁,C₂)引入传输零点A2，第三并联电路(L₂,C₃)引入传输零点A0，当信号经过第二并联电路与第三并联电路时，低频信号与5.31GHz以上的高频信号将会被滤除。由于第一并联电路(L₃,C₄,C₅)引入两通带间的传输零点A1，当信号经第一并联电路时，两通带间的信号将会被滤除；最后输出端口只能输出两通带内的信号，从而实现了本发明中双频带通滤波器芯片的功能。

具体过程如下：

首先，在两端口正中间放置第一并联电路，通过调节电感L₃，电容C₄及电容C₅，控制两通带间传输零点A1；

计算公式如下：

其次，在第一并联电路两侧对称放置第二并联电路，并在对称的第二并联电路下串接第三并联电路；第二并联电路引入第二通带右侧传输零点A2，第三并联电路引入第一通带左侧传输零点A0。

由于传输零点A0接近于0GHz，第三并联电路中的元件值在一定范围内调节时，对其影响较小，不予分析。

对于传输零点A2，通过调节第二并联电路的电感L₁和电容C₂进行控制。计算公式如下：

最后，在输入输出端口处串接电容C₁，构成阻抗匹配结构。

通过调节两端电容C₁的值，可实现在两通带内滤波器的输入阻抗Z_in等于端口电阻Z₀，即Z_in＝Z₀＝50Ω，实现两通带内的阻抗匹配。

电路中的各集总元件参数值如表1所示：

表1

本实施例的理想仿真结果如图2所示，两通带均覆盖了所需的频段范围，且带内回波损耗均在-15dB以下，可见两通带内的阻抗匹配效果较好。两通带之间的空白频段实现了-40dB的抑制水平，保证两通带可独立工作，不受干扰。

该双频滤波器芯片的LTCC版图模型，如图3所示，体积大小为11.4mm*6mm*0.762mm。可以看出，该LTCC滤波器由介质壳体及置于壳体内的滤波元件组成。该滤波器芯片选用了介电常数为6.1，损耗因子为0.002的生瓷带作为LTCC基板，烧结后每层介质的厚度为94μm。该芯片所有导体均选用金属银，且金属厚度均为10μm。

在本发明的描述中，需要说明，术语“顶侧”、“底侧”、“前侧”、“后侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明。

各层结构分解示意图如图4所示，该双频滤波器芯片共9层，置于底侧的第一层设定为地面，为将信号引入到表层，便于探针测试，在大面积地面层上进行打孔。电容C₁包括第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层、第八层共七层，各层之间的正对面积为1.33mm*1mm。电容C₁前侧通过通孔将信号引至第一层的方片，作为输入输出端口，后侧通过传输线与电容C₂连接。电容C₂包括第二层与第三层，两层间正对面积为3.37mm*0.79mm，一端通过通孔连接电感L₁，另一端连接电感L₂与电容C₃。电感L₁通过传输线并接在电容C₂的两端。电感L₁仅包括第二层，导体线宽为0.25mm。电感L₂一端连接电容C₂，另一端通过通孔接地，电感L₂仅包括第二层，导体线宽为0.25mm。电容C₃包括第二层、第三层、第四层共三层，各层之间的正对面积为0.9mm*0.43mm，一端通过通孔及传输线连接电容C₂，另一端通过通孔接地。电感L₃处于对称中心的位置，仅包括第二层，两端分别以传输线连接电感L₁，导体线宽为0.25mm。电容C₄包括第二层、第三层、第四层、第五层、第六层、第七层共六层，各层之间的正对面积为0.926mm*0.66mm,一端连接电感L₃，另一端以传输线及通孔连接电容C₅。电容C₅包括第二层与第三层，两层之间的正对面积为1.44mm*0.56mm，一端连接电容C₄，另一端以通孔接地。

该滤波器芯片整体呈对称结构，第一层大面积地面与GSG(接地-信号-接地，ground-signal-ground)探针的两个接地端(G)探针相连接，作为短路接地端；第一层中与电容C₁相连接的方片结构与信号端(S)探针连接，作为输入输出端。

该双频滤波器芯片的版图仿真结果如图5所示，由图可知，第一通带的范围是3.07GHz至3.64GHz，覆盖了所需的频段3.3GHz-3.6GHz，最大插入损耗为-1.39dB在3.64GHz处。在3.3GHz-3.6GHz内，回波损耗低于-19dB。第二通带的范围是4.69GHz至5.23GHz，覆盖了所需的频段4.8GHz-5.0GHz，最大插入损耗为-2.80dB在4.69GHz处。在4.8GHz-5.0GHz内，回波损耗低于-22.5dB。并且在两通带间4.29GHz与4.48GHz处引入两个传输零点，带外抑制基本低于-18dB，保证两通带可独立控制。由以上仿真结果可见，该双频滤波器芯片具有阻抗匹配功能良好，插入损耗低，抗干扰能力强等优异性能。

以上所述实施案例仅表达了本发明的详细实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当说明的是，对于此领域的技术人员，在不脱离本发明思想的前提下，可以做出相应的改进与优化，均都包含于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，其特征在于，左右对称结构，正中间是电感L₃，并联于两个串联的电容C₄两端，同时在两个串联电容C₄中间连接接地的电容C₅，组成了第一并联电路；

在第一并联电路两端分别对称依次串联电感L₁和电容C₁，同时左右两端电容C₁分别连接输入输出端口；

电感L₁两端同时并联电容C₂组成第二并联电路，在第二并联电路下串接由电容C₃和电感L₂组成的第三并联电路，第三并联电路同时接地；

第一，第二和第三并联电路构成了滤波结构，两端电容C₁构成了阻抗匹配结构；

所述第一并联电路中，通过调整各电感和电容的值，引入双频滤波器两通带间的传输零点A1及第一通带中第二个反射零点P1和第二通带中第一个反射零点P2；

所述第三并联电路中，通过调整电感电容的值，引入第一通带左侧的传输零点A0及第一通带中第一个反射零点P0；

所述第二并联电路中，通过调整电感电容的值，引入双频滤波器第二通带右侧的传输零点A2及第二通带中第二个反射零点P3；

第一通带左侧的传输零点A0至两通带间传输零点A1的部分即为滤波器的第一通带，两通带间传输零点A1至第二通带右侧传输零点A2之间部分即为滤波器的第二通带；

当各频段的信号从输入端口输入时，低频处的信号经电容C₁初步被滤除；由于第二并联电路引入传输零点A2，第三并联电路引入传输零点A0，当信号经过第二并联电路与第三并联电路时，低频信号与5.31GHz以上的高频信号将会被滤除；由于第一并联电路引入两通带间的传输零点A1，当信号经第一并联电路时，两通带间的信号将会被滤除；最后输出端口只能输出两通带内的信号，从而实现了双频带通滤波器芯片的功能；

双频带通滤波器芯片具体构建过程如下：

首先，在两端口正中间放置第一并联电路，通过调节电感L₃，电容C₄及电容C₅，控制两通带间传输零点A1；

计算公式如下：

其次，在第一并联电路两侧对称放置第二并联电路，并在对称的第二并联电路下接第三并联电路；第二并联电路引入第二通带右侧传输零点A2，第三并联电路引入第一通带左侧传输零点A0；

由于传输零点A0接近于0GHz，第三并联电路中的元件值在一定范围内调节时，对其影响较小；

对于传输零点A2，通过调节第二并联电路的电感L₁和电容C₂进行控制，计算公式如下：

最后，在输入输出端口处串接电容C₁，构成阻抗匹配结构；

通过调节两端电容C₁的值，实现在两通带内滤波器的输入阻抗Z_in等于端口电阻Z₀，即Z_in＝Z₀＝50Ω，实现两通带内的阻抗匹配。

2.如权利要求1所述的一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，其特征在于，所述第一通带内，控制带宽工作频段在3.3GHz-3.6GHz范围内时，通过计算S参数|S₁₁|<-22dB，表明通带内回波损耗达到要求；

第二通带内控制带宽的工作频段在4.8GHz-5.0GHz范围内时，|S₁₁|<-15dB，回波损耗达到要求。

3.如权利要求2所述的一种基于LTCC的双频带通滤波器芯片，其特征在于，所述S参数与奇模半电路阻抗Z_odd(ω)和偶模半电路阻抗Z_even(ω)之间存在如下关系：

Z₀为端口处的电阻；

因此，当奇偶模半电路阻抗满足：Z_even(ω)＝Z_odd(ω)时，S₁₂(ω)＝S₂₁(ω)＝0，即产生传输零点，具体如下：

当频率接近于0GHz时，Z_even(ω)＝Z_odd(ω)＝∞，产生第一通带左侧的传输零点A0；

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A1＝4.21GHz时，产生两通带间传输零点A1；

由Z_even(ω)＝Z_odd(ω)可得，当频率满足：f_A2＝5.31GHz时，产生第二通带右侧传输零点A2。

Images