CN114512779A

CN114512779A - 一种高选择性宽带ltcc滤波功分器集成芯片

Info

Publication number: CN114512779A
Application number: CN202111465660.3A
Authority: CN
Inventors: 吴永乐; 赵葳; 王卫民; 杨雨豪
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2041-12-03
Also published as: CN114512779B

Abstract

本发明公开了一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，融合带通滤波功能和功率分配功能，解决了滤波器和功分器级联的传统方案所带来的诸多负面问题。滤波功分器由电容C₁，C₂，C₃，C₄，电感L₁，L₂，L₃，L₄，以及隔离电阻R构成，其中，改进型Π型阻抗变换电路由接地电容C₁、串联电感L₁和并联L₂C₂谐振器构成；串并联电容电感谐振器由C₃，C₄，L₃，L₄构成。本发明提供的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，在电路性能方面具有宽通带、高选择性、超宽高次谐波抑制、全频段隔离、超低插入损耗的优势，是一种适用于5G通信系统的超小型化宽带高选择性滤波功分器集成芯片。

Description

一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片

技术领域

本发明属于微波传输及集成电路技术领域，涉及一种无源射频滤波功分器芯片，尤其涉及一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片。

背景技术

随着第五代移动通信系统(简称“5G”)的爆发式发展，通信系统中的射频前端模块朝着小型化，高集成化，宽带化，功能融合化的方向发展。

作为射频前端模块中应用极为广泛的功率分配器(以下简称功分器)，其功能是将一个输入信号的功率经功率分配器被分为两路(或多路)信号输出。功分器的应用场景十分丰富，例如将信号发生器产生的信号功率按比例地发送到收发天线的多个辐射单元。

滤波器作为频率选择性器件应用亦极为广泛，在传统的射频电路，功分器无法依据频率对功率信号进行有效滤波，因此常将功分器和滤波器以50欧姆微带线级联的方式实现对功率分配信号的选择，然而该方式存在电路尺寸大，集成度低，插入损耗大，端口匹配度差和频率选择性差等诸多劣势。因此，集成功率分配和滤波功能是目前科研人员和技术人员的研究热点和难点。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，滤波功分器由电容C₁，C₂，C₃，C₄，电感L₁，L₂，L₃，L₄，以及隔离电阻R构成，其中，改进型Π型阻抗变换电路由接地电容C₁、串联电感L₁和并联L₂ C₂谐振器构成；串并联电容电感谐振器由C₃，C₄，L₃，L₄构成。

进一步地，滤波功分器采用低温共烧陶瓷技术，电容C₁，C₂，C₃，C₄均以多层垂直交趾电容结构实现，电感L₁，L₂，L₃，L₄均以多层垂直螺旋电感结构实现。

进一步地，滤波功分器为功率等分型。

进一步地，芯片采用介电常数为5.9，损耗角正切值为0.002的FerroA6M作为生瓷带材料。

进一步地，单层生瓷带的厚度为0.094mm。

进一步地，芯片采用金属银为导体材料。

进一步地，金属导体厚度为0.01mm。

进一步地，在中心频率为2.5GHz仿真时，C₁为1.40pF，C₂为2.50pF，C₃为2.55pF，C₄为1.30pF，L₁为4.40nH，L₂为2.65nH，L₃为2.20nH，L₄为5.10nH，R为100Ohm。

进一步地，在中心频率为3.5GHz仿真时，C₁为1.20pF，C₂为2.00pF，C₃为1.65pF，C₄为0.90pF，L₁为3.30nH，L₂为1.55nH，L₃为1.80nH，L₄为5.20nH，R为125Ohm。

进一步地，在紧邻通带的两侧设有传输零点。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明滤波功分器融合带通滤波功能和功率分配功能，解决了滤波器和功分器级联的传统方案所带来的诸多负面问题。

2、本发明使用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，以垂直交趾电容和垂直螺旋电感实现电路基本结构，极大地减小了电路芯片的面积，提高了集成度。

3、本发明创新性地提出了改进型Π型等效电路实现了具有带通滤波响应的阻抗变换功能，利用集总元件替代Wilkinson功分器的四分之一波长阻抗变换器，有利于实现器件的超小型化，高集成度。

4、本发明的插入损耗小，输出端口的幅度和相位不平衡度极低，各端口匹配效果良好，在紧邻通带两侧引入了传输零点，极大地提高了信号选择性。

综上，本发明提供的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，在电路性能方面具有宽通带、高选择性、超宽高次谐波抑制、全频段隔离、超低插入损耗的优势，是一种适用于5G通信系统的超小型化宽带高选择性滤波功分器集成芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明在中心频率为2.5GHz原理图仿真结果示例；

图3为本发明在中心频率为3.5GHz原理图仿真结果示例；

图4为本发明在中心频率为2.5GHz的三维版图模型；

图5为本发明在中心频率为2.5GHz的三维版图模型侧视图；

图6为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层一)；

图7为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层二)；

图8为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层三)；

图9为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层四)；

图10为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层五)；

图11为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层六)；

图12为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层七)；

图13为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层八)；

图14为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层九)；

图15为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十)；

图16为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十一)；

图17为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十二)；

图18为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十三)；

图19为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十四)；

图20为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型(层十五)；

图21为本发明在中心频率为2.5GHz的版图S参数仿真结果；

图22为本发明在中心频率为2.5GHz的版图输出端口隔离仿真结果；

图23为本发明在中心频率为2.5GHz的版图输出端口相位差仿真结果；

图24为本发明在中心频率为2.5GHz的版图输出端口幅度差仿真结果。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍。

本发明的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，电路原理图如图1所示，电路具有对称性，该滤波功分器由电容C₁，C₂，C₃，C₄，电感L₁，L₂，L₃，L₄，隔离电阻R构成。其中，改进型Π型阻抗变换电路由接地电容C₁、串联电感L₁和并联L₂ C₂谐振器构成，相较于传统的Π型阻抗变换电路，其具有带通滤波，更大的匹配带宽等优势。此外，串并联电容电感谐振器由C₃，C₄，L₃，L₄构成，该谐振器具有进一步增加匹配带宽，以及添加紧贴通带两侧的传输零点的功能。最终，该滤波功分器能够实现高选择性，宽带化等功能。

本发明实施例提供的一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，该芯片采用介电常数为5.9、损耗角正切值为0.002的FerroA6M作为生瓷带材料，金属银为导体材料。单层生瓷带的厚度为0.094mm，金属导体厚度为0.01mm。

图2是本发明在中心频率为2.5GHz仿真结果示例。

图3是本发明在中心频率在3.5GHz仿真结果示例。

其各元件的参数值见表1所示(频率，电容，电感和电阻单位：GHz,pF,nH,Ohm)。

表1图1中各元件的参数值

图4是该滤波功分器芯片在中心频率为2.5GHz的三维立体版图模型。由于该滤波功分器为3dB功率等分型，版图的构造具有对称性。其中，电容C₁，C₂，C₃，C₄均以多层垂直交趾电容结构实现，电感L₁，L₂，L₃，L₄均以多层螺旋电感结构实现，线宽选定为0.15mm。在不包含用于测试的端口情况下，电路的实际尺寸为4.0mm×4.1mm×1.4mm,具有超小型化的特点。

图5是该滤波功分器芯片在中心频率为2.5GHz的三维立体版图模型侧视图，单层介质厚度为0.094mm，图中体现了各介质层厚度和通孔布置情况。

图6至图20是该滤波功分器芯片在中心频率为2.5GHz的二维分层版图实例，其中黑色部分是金属银导体，白色部分为陶瓷介质材料。具体的，各层导体物理尺寸如下。

图6为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第一层结构，虚线椭圆所示的结构是该滤波功分器的三个地-信号-地(GSG)测试端口，port1为功率信号输入端口，port2和port3为功率信号输出端口，长宽分别为l₁和l₂的矩形是隔离电阻的焊盘，长宽分别为l₃和l₄的矩形是隔离电阻，其中物理尺寸l₁＝1.65，l₂＝0.8，l₃＝0.7，l₄＝0.7，单位：mm。

图7为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第二层结构，该层为空导体层。

图8为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第三层结构，该层金属导体为该滤波功分器的地层。

图9为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第四层结构，长宽l₃，l₄的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₅，l₆的矩形为电容C₂的一个极板，长宽l₇，l₈的矩形为电容C₁的一个极板，其中物理尺寸l₁＝0.2，l₂＝0.4，l₃＝0.55，l₄＝0.6，l₅＝0.6，l₆＝0.45，l₇＝0.6，l₈＝0.6，单位：mm。

图10为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第五层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₇，l₈的矩形为电容C₂的一个极板，长宽l₁₁，l₁₅的矩形为电容C₁的一个极板，尺寸l₅，l₆弯折导体为电感L₂的一层结构，尺寸l₁₂，l₁₃，l₁₄弯折导体为电感L₁的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝0.4，l₄＝0.7，l₅＝0.45，l₆＝0.55，l₇＝0.45，l₈＝0.6，l₉＝0.5，l₁₀＝0.3，l₁₁＝1.7，l₁₂＝0.5，l₁₃＝0.75，l₁₄＝0.5，l₁₅＝0.6，l₁₆＝0.5，l₁₇＝0.3单位：mm。

图11为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第六层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₁₁，l₁₂的矩形为电容C₂的一个极板，长宽l₁₅，l₁₆的矩形为电容C₁的一个极板，尺寸l₅，l₆弯折导体为电感L₄的一层结构，尺寸l₃，l₇，弯折导体为电感L₃的一层结构，尺寸l₈，l₉弯折导体为电感L₂的一层结构，尺寸l₁₃，l₁₄弯折导体为电感L₁的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.55，l₂＝1.25，l₃＝0.55，l₄＝0.85，l₅＝0.95，l₆＝0.55，l₇＝0.65，l₈＝0.45，l₉＝0.5，l₁₀＝0.85，l₁₁＝0.6，l₁₂＝0.45，l₁₃＝0.75，l₁₄＝0.5，l₁₅＝0.6，l₁₆＝1，单位：mm。

图12为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第七层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₁₁，l₁₂的矩形为电容C₂的一个极板，长宽l₁₇，l₁₈的矩形为电容C₁的一个极板，尺寸l₅，l₆弯折导体为电感L₄的一层结构，尺寸l₇，l₈弯折导体为电感L₃的一层结构，尺寸l₉，l₁₀弯折导体为电感L₂的一层结构，尺寸l₁₄，l₁₅，l₁₆弯折导体为电感L₁的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝0.95，l₄＝0.2，l₅＝0.95，l₆＝0.55，l₇＝0.55，l₈＝0.85，l₉＝0.5，l₁₀＝0.45，l₁₁＝0.6，l₁₂＝0.45，l₁₃＝0.75，l₁₄＝0.85，l₁₅＝0.5，l₁₆＝0.75，l₁₇＝0.6，l₁₈＝0.6，l₁₉＝0.4，单位：mm。

图13为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第八层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₈，l₁₀的矩形为电容C₂的一个极板，尺寸l₄，l₅弯折导体为电感L₄的一层结构，尺寸l₆，l₇弯折导体为电感L₃的一层结构，尺寸l₁₁，l₁₂弯折导体为电感L₂的一层结构，尺寸l₁₃，l₁₄弯折导体为电感L₁的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝0.4，l₄＝0.95，l₅＝0.55，l₆＝0.55，l₇＝0.65，l₈＝0.85，l₉＝0.4，l₁₀＝0.6，l₁₁＝0.45，l₁₂＝0.6，l₁₃＝0.85，l₁₄＝0.5，单位：mm。

图14为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第九层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₃的一个极板，长宽l₁₂，l₁₃的矩形为电容C₂的一个极板，尺寸l₄，l₅弯折导体为电感L₄的一层结构，尺寸l₆，l₇弯折导体为电感L₃的一层结构，尺寸l₉，l₁₀弯折导体为电感L₂的一层结构，尺寸l₁₁，弯折导体为电感L₁的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝1.2，l₄＝0.55，l₅＝0.95，l₆＝0.65，l₇＝0.5，l₈＝0.7，l₉＝0.5，l₁₀＝0.6，l₁₁＝0.95，l₁₂＝0.6，l₁₃＝0.45，l₁₄＝1.25，单位：mm。

图15为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十层结构，尺寸l₁，l₂，l₃弯折导体为电感L₄的一层结构，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝0.95，单位：mm。

图16为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十一层结构，该层为空导体层。

图17为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十二层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₄的一个极板，其中物理尺寸l₁＝0.55，l₂＝0.6，l₃＝0.7，l₄＝0.5，l₅＝0.2，单位：mm。

图18为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十三层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₄的一个极板，其中物理尺寸l₁＝0.55，l₂＝0.6，l₃＝0.7，l₄＝0.2，单位：mm。

图19为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十四层结构，长宽l₁，l₂的矩形为电容C₄的一个极板，其中物理尺寸l₁＝0.6，l₂＝0.55，l₃＝0.5，l₄＝0.2，单位：mm。

图20为本发明在中心频率为2.5GHz的二维分层版图模型中的第十五层结构，该层为空导体层。

参见图21，本滤波功分器以2.5GHz为工作中心频率，在中心频率的插入损耗为0.35dB(除去原始3dB)，具有极低插入损耗，回波损耗S11在15dB以下的频带为1.85GHz至3.35GHz，带宽约为1.5GHz，实现了宽带化。紧贴通带的两侧有两个传输零点，极大地提高了其选择性。

通过公式(1)可以定量表征选择性，其中低阻带的选择性为70.0dB/GHz，高阻带的选择性为67.0dB/GHz。本滤波功分器具有18dB以下的低阻带抑制，并具有隔直流性能，具有15dB以下的超宽高阻带抑制，抑制频率达12.5GHz，具有超宽阻带抑制性能。

参见图22，本滤波功分器具有10dB以下的输出端口隔离度，其频率范围为0至7GHz。

参见图23，本滤波功分器在通带范围内的输出端口幅度差小于0.2dB，说明具有极低的输出端口幅度不平衡度。

参见图24，本滤波功分器在通带范围内的输出端口幅度差小于1.3°，说明具有极低的输出端口相位不平衡度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，滤波功分器由电容C₁，C₂，C₃，C₄，电感L₁，L₂，L₃，L₄，以及隔离电阻R构成，其中，改进型Π型阻抗变换电路由接地电容C₁、串联电感L₁和并联L₂ C₂谐振器构成；串并联电容电感谐振器由C₃，C₄，L₃，L₄构成。

2.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，滤波功分器采用低温共烧陶瓷技术，电容C₁，C₂，C₃，C₄均以多层垂直交趾电容结构实现，电感L₁，L₂，L₃，L₄均以多层垂直螺旋电感结构实现。

3.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，滤波功分器为功率等分型。

4.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，芯片采用介电常数为5.9，损耗角正切值为0.002的FerroA6M作为生瓷带材料。

5.根据权利要求4所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，单层生瓷带的厚度为0.094mm。

6.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，芯片采用金属银为导体材料。

7.根据权利要求6所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，金属导体厚度为0.01mm。

8.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，在中心频率为2.5GHz仿真时，C₁为1.40pF，C₂为2.50pF，C₃为2.55pF，C₄为1.30pF，L₁为4.40nH，L₂为2.65nH，L₃为2.20nH，L₄为5.10nH，R为100Ohm。

9.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，在中心频率为3.5GHz仿真时，C₁为1.20pF，C₂为2.00pF，C₃为1.65pF，C₄为0.90pF，L₁为3.30nH，L₂为1.55nH，L₃为1.80nH，L₄为5.20nH，R为125Ohm。

10.根据权利要求1所述的高选择性宽带LTCC滤波功分器集成芯片，其特征在于，在紧邻通带的两侧设有传输零点。