CN115173827A - 基于ltcc工艺的高q谐振式滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，架构最核心部分是由谐振单元A与谐振单元B，以及极间耦合单元构成一个基本的谐振耦合滤波器单元，其中谐振单元创新的引入了多孔柱并联形成一个等效的大过孔，从而大大提升了谐振电感的Q值，并且通过调整孔柱圈的大小以及相互之间的距离可调整相邻谐振单元的磁耦合强度，再配合调整级间耦合电容大小可灵活调整级间耦合单元的整体耦合强度，可再灵活调整跨阶耦合电容加深单边矩形系数；另外，本发明在内部结构上采用镜像对称布局的方式，合理优化了内部空间结构，降低了设计调试难度及规避了生产过程中出现的误差，以上使本发明之高Q值LC谐振耦合滤波器更具可操控性以及具备更优的矩形系数。

Description

基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器

技术领域

本发明涉及的是滤波器技术领域，具体涉及一种基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，全球通讯行业正逐步迈入5G时代。

LTCC 即低温共烧结陶瓷，可以实现三大无源器件（电阻、电容、电感） 及其各种无源器件（如滤波器、变压器等）封装于多层布线基板中，并与有源器件（如功率 MOS、晶体管、IC模块等）共同集成为完整的电路系统。现已广泛应用于各种制式的手机、蓝牙、GPS 模块、WLAN 模块、WIFI 模块等；此外，由于其产品的高可靠性，在汽车电子、通讯、航空航天与军事、微机电系统、传感器技术等领域的应用也日益上升。

5G时代来临，LTCC扮演重要角色，因为LTCC能适应大电流和耐高温，从手机、穿戴装置到车用等领域，都需要运用到RF零组件，LTCC作为关键组件，以手机应用而言，5G手机的使用数量就比4G大幅成长40％，推升LTCC需求量大幅成长。

LTCC带通滤波器的实现方式通常有一下三种：第一种是传统并联谐振式带通滤波器，通过电感与电容并联构成的并联谐振单元实现；第二种是采用分布式电容极板，通过极板与极板间的耦合实现带通滤波器的效果；第三种是通过高通滤波器与低通滤波器串联实现。三种结构实现的带通滤波器在制作和设计上分别存在着各自的优点与困难。传统并联谐振式结构带通滤波器的近带抑制相较另外两种更深，但其随着并联谐振单元的增加，其通带插损不断变大，对信号的损失难以把控；采用分布式结构的带通滤波器，其设计简单，调试方便，电性能均衡，但由于结构上主要由极板与极板间耦合实现，对制作工艺要求更高，在LTCC膜片叠层及切割烧结过程中容易产生问题，批量一致性差；采用高通滤波器与低通滤波器串联结构的带通滤波器其通带较宽，插损较好，信号保真率高，但带外抑制较差，结构复杂，调试困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，该滤波器设计调试难度简单，且生产过程中误差小。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，包括基体、输入输出外电极以及接地外电极，两个输入输出外电极设置在基体相对的两个侧面，两个接地外电极设置在基体另外两个相对的侧面，所述基体由多个电介质板堆叠形成，且该多个电介质板包括，

第一基板，其上形成有第一接地层；

第二基板，叠置于第一基板上方，且第二基板上形成有第一导体层、第二导体层，位于第一导体层中的多个第一导电过孔柱，以及位于第二导体层中的多个第二导电过孔柱；

第三基板，叠置于第二基板上方，且第三基板上形成有第三导体层；

第四基板，叠置于第三基板上方，且第四基板上形成有第四导体层、第五导体层，位于第四导体层中的多个第一导电过孔柱，以及位于第五导体层中的多个第二导电过孔柱；

第五基板，叠置于第四基板上方，其上形成有第二接地层，且第二接地层的两端分别延伸出与输入输出外电极相耦合的输出电极和输入电极，且第四基板上的多个第一导电过孔柱，多个第二导电过孔柱均连接至第二接地层；

其中，多个电介质板中的多个第一导电过孔柱相应连通形成第一谐振电感L1，多个电介质板中的第二导电过孔柱相应连通形成第二谐振电感L2，第一导体层与第一接地层形成下地电容C1，第二导体层与第一接地层形成下地电容C2，第一谐振电感L1与下地电容C1并联形成谐振单元A，第二谐振电感L2与下地电容C2形成谐振单元B，且谐振单元A与谐振单元B互成镜像设置；

其中，第三导体层与第四导体层、第五导体层形成耦合电容C12。

作为优选方案：所述第一谐振电感L1由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第一导电过孔柱；所述第二谐振电感L2也由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第二导电过孔柱。

作为优选方案：所述第四基板和第五基板之间还设有第六基板，所述第六基板上形成有感性耦合层，且感性耦合层一端连接到接地外电极，另一端开路将第一谐振电感L1和第二谐振电感L2隔开。

作为优选方案：所述第二基板上还设有第六导体层、第七导体层，第六导体层、第七导体层分别与第一接地层形成下地电容C3、下地电容C4。

作为优选方案：还包括第三谐振电感L3和第四谐振电感L4，第三谐振电感L3由多个第三导电过孔柱构成，第四谐振电感L4由多个第四导电过孔柱构成，多个第三导电过孔柱的一端连接至第六导体层，另一端连接至第二接地层；多个第四导电过孔柱的一端连接至第七导体层，另一端连接至第二接地层。

作为优选方案：所述第四基板与第五基板之间还设有第七基板，所述第七基板上形成有与第三谐振电感L3连接的第八导体层、与第一谐振电感L1连接的第九导体层、与第二谐振电感L2连接的第十导体层和与第四谐振电感L4连接的第十一导体层。

作为优选方案：所述第七基板与第四基板之间还设有第八基板，所述第八基板上形成有第十二导体层和第十三导体层，第十二导体层与第八导体层、第十导体层形成耦合电容C23，第十三导体层与第九导体层、第十一导体层形成耦合电容C14。

作为优选方案：所述第七基板与第五基板之间还设有第九基板，所述第九基板上形成有第十四导体层，所述第十四导体层与第八导体层、第十一导体层形成耦合电容C34。

作为优选方案：所述第四导体层与第一导体层、第六导体层形成耦合电容C13，第五导体层与第二导体层、第七导电层形成耦合电容C24。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的滤波器架构最核心部分是由谐振单元A与谐振单元B，以及级间耦合单元构成一个基本的谐振耦合滤波器单元，可参考该核心设计单元增加阶数，通过特定的拓扑结构已达到更深的带外抑制需求；其中谐振单元创新的引入了多孔柱并联形成一个等效的大过孔，从而大大提升了谐振电感的Q值，并且通过调整孔柱圈的大小以及相互之间的距离可调整相邻谐振单元的磁耦合强度，再配合调整级间耦合电容大小可灵活调整级间耦合单元的整体耦合强度，可再灵活调整跨阶耦合电容加深单边矩形系数；另外，本发明在内部结构上采用镜像对称布局的方式，合理优化了内部空间结构，降低了设计调试难度及规避了生产过程中出现的误差，以上使本发明之高Q值LC谐振耦合滤波器更具可操空性以及具备更优的矩形系数。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明的滤波器的整体结构示意图；

图2为本发明的滤波器的第一种内部结构示意图；

图3为本发明的滤波器的第二种内部结构示意图；

图4为本发明的滤波器的第一、二种内部结构对应的等效电路示意图；

图5为本发明的滤波器的第三种内部结构示意图；

图6为本发明的滤波器的第三种内部结构对应的等效电路示意图；

图7至图15为本发明的滤波器的第九基板至第一基板的示意图；

图16为本发明的滤波器的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

为了更清楚详细的阐述本发明的技术实施方案，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图1和图2所示，基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，包括基体1、输入输出外电极2以及接地外电极3，两个输入输出外电极2设置在基体1相对的两个侧面，两个接地外电极3设置在基体1另外两个相对的侧面，其特征在于：所述基体1由多个电介质板堆叠形成，且该多个电介质板包括，

第一基板，其上形成有第一接地层9；

第二基板，叠置于第一基板上方，且第二基板上形成有第一导体层6、第二导体层7，位于第一导体层6中的多个第一导电过孔柱4，以及位于第二导体层7中的多个第二导电过孔柱5；

第三基板，叠置于第二基板上方，且第三基板上形成有第三导体层8；

第四基板，叠置于第三基板上方，且第四基板上形成有第四导体层17、第五导体层18，位于第四导体层17中的多个第一导电过孔柱4，以及位于第五导体层18中的多个第二导电过孔柱5；

第五基板，叠置于第四基板上方，其上形成有第二接地层10，且第二接地层10的两端分别延伸出与输入输出外电极2相耦合的输出电极11和输入电极12，且第四基板上的多个第一导电过孔柱4，多个第二导电过孔柱5均连接至第二接地层10；

其中，多个电介质板中的多个第一导电过孔柱4相应连通形成第一谐振电感L1，多个电介质板中的第二导电过孔柱5相应连通形成第二谐振电感L2，第一导体层6与第一接地层9形成下地电容C1，第二导体层7与第一接地层9形成下地电容C2，第一谐振电感L1与下地电容C1并联形成谐振单元A，第二谐振电感L2与下地电容C2形成谐振单元B，且谐振单元A与谐振单元B互成镜像设置；

第一谐振电感L1值的大小可以通过过孔的数量和过孔长度调整；下地电容C1值的大小可通过调整第一导体层6与第一接地层9的间距或者第一导体层6的面积调整，而谐振单元A的谐振频率就有一谐振电感L1和下地电容C1的大小来进行整合调整。而谐振单元B则由谐振单元A镜像得到，这样有利于降低滤波器的整体调整难度。

其中，第三导体层8与第四导体层17、第五导体层18形成耦合电容C12。谐振单元A与第二谐振单元B的导电过孔柱之间形成的磁耦合以及耦合电容C12形成整体的耦合单元，其中电容大小可以通过调整耦合电容C12的面积，调整该耦合单元的容性耦合大小,电感柱之间的磁耦合强度则由谐振单元A和谐振单元B的导电过孔柱间距和形状来调整其两个谐振单元之间的磁耦合强度。

所述的耦合单元为主调整单元，该主调整单元可通过调整磁耦合和电容耦合的强度来调整其耦合力度，进而调整所述的高Q值LC谐振耦合滤波器的带宽和频率，如此一来，其传输零点位置也可以随意调整，可对不同频点的杂散信号进行有效的抑制。也就是说本发明之高Q值LC谐振滤波器具有高操作性和高抑制等优点。

所述第一谐振电感L1由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第一导电过孔柱4；所述第二谐振电感L2也由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第二导电过孔柱5，这里创新使用了多孔柱并联电感架构，大大增加了电感的Q值；谐振单元A中的第一谐振电感L1由多个导电过孔柱并联排列形成一个大圆环状，谐振单元B中的第二谐振电感L2也由多个导电过孔柱并联排列形成一个大圆环状，谐振单元A和谐振单元B三维图案呈一致对称，这样更利于调整改滤波器的性能。

如图3所示，所述第四基板和第五基板之间还设有第六基板，所述第六基板上形成有感性耦合层200，且感性耦合层200一端连接到接地外电极3，另一端开路将第一谐振电感L1和第二谐振电感L2隔开。在两个LC谐振单元之间增加了感性耦合层，这种感性耦合方式更易在滤波器通带的高频近带处形成传输零点，在用来滤除通带外高频杂散型号时应用居多。

以上两种LC谐振耦合方式，其等效电路均如图4所示，但其形成传输零点的位置会有不同，两种实现方式可灵活的调整带外传输零点的位置，使得本发明之高Q值LC谐振滤波器更具高操作性和高抑制等优点。

如图5至图15所示，所述第二基板上还设有第六导体层15、第七导体层16，第六导体层15、第七导体层16分别与第一接地层9形成下地电容C3、下地电容C4；该滤波器还包括第三谐振电感L3和第四谐振电感L4，第三谐振电感L3由多个第三导电过孔柱13构成，第四谐振电感L4由多个第四导电过孔柱14构成，多个第三导电过孔柱13的一端连接至第六导体层15，另一端连接至第二接地层10；多个第四导电过孔柱14的一端连接至第七导体层16，另一端连接至第二接地层10。

所述第四基板与第五基板之间还设有第七基板，所述第七基板上形成有与第三谐振电感L3连接的第八导体层22、与第一谐振电感L1连接的第九导体层23、与第二谐振电感L2连接的第十导体层24和与第四谐振电感L4连接的第十一导体层25。

所述第七基板与第四基板之间还设有第八基板，所述第八基板上形成有第十二导体层19和第十三导体层20，第十二导体层19与第八导体层22、第十导体层24形成耦合电容C23，第十三导体层20与第九导体层23、第十一导体层25形成耦合电容C14。

所述第七基板与第五基板之间还设有第九基板，所述第九基板上形成有第十四导体层21，所述第十四导体层21与第八导体层22、第十一导体层25形成耦合电容C34。

所述第四导体层17与第一导体层6、第六导体层15形成耦合电容C13，第五导体层18与第二导体层7、第七导电层16形成耦合电容C24。

本发明的滤波器架构最核心部分是由上述的谐振单元A与谐振单元B，以及级间耦合单元构成一个基本的谐振耦合滤波器单元，以下参考上述核心设计单元增加阶数，设计了一种包括四个LC谐振单元和三个主耦合调整单元的滤波器，灵活的应用了上述核心设计单元，但谐振单元的过孔（电感）数量和排列会有不同，实现了不同的谐振频率；本实施例的相邻的LC谐振单元之间的耦合调整单元也参考上述核心设计；另外为了增加通带外低频处的抑制能力，本实施例在谐振单元A和谐振单元C之间，以及谐振单元B和谐振单元D之间也加了耦合电容，并在谐振单元A和谐振单元D之间也加了耦合电容；本实施例有4个LC谐振单元，搭配不同谐振单元之间的耦合调整单元，可以实现更宽的带宽，更深的通带外低频近带抑制能力，其对应的频率响应图如图16所示。

以上所描述是实施例是本发明中的一个较好的实施例，并不以上述实施方式限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所作的任何修改、等同替换、改进所获得的其他实施例，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (9)

1.基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，包括基体（1）、输入输出外电极（2）以及接地外电极（3），两个输入输出外电极（2）设置在基体（1）相对的两个侧面，两个接地外电极（3）设置在基体（1）另外两个相对的侧面，其特征在于：所述基体（1）由多个电介质板堆叠形成，且该多个电介质板包括，

第一基板，其上形成有第一接地层（9）；

第二基板，叠置于第一基板上方，且第二基板上形成有第一导体层（6）、第二导体层（7），位于第一导体层（6）中的多个第一导电过孔柱（4），以及位于第二导体层（7）中的多个第二导电过孔柱（5）；

第三基板，叠置于第二基板上方，且第三基板上形成有第三导体层（8）；

第四基板，叠置于第三基板上方，且第四基板上形成有第四导体层（17）、第五导体层（18），位于第四导体层（17）中的多个第一导电过孔柱（4），以及位于第五导体层（18）中的多个第二导电过孔柱（5）；

第五基板，叠置于第四基板上方，其上形成有第二接地层（10），且第二接地层（10）的两端分别延伸出与输入输出外电极（2）相耦合的输出电极（11）和输入电极（12），且第四基板上的多个第一导电过孔柱（4），多个第二导电过孔柱（5）均连接至第二接地层（10）；

其中，多个电介质板中的多个第一导电过孔柱（4）相应连通形成第一谐振电感L1，多个电介质板中的第二导电过孔柱（5）相应连通形成第二谐振电感L2，第一导体层（6）与第一接地层（9）形成下地电容C1，第二导体层（7）与第一接地层（9）形成下地电容C2，第一谐振电感L1与下地电容C1并联形成谐振单元A，第二谐振电感L2与下地电容C2形成谐振单元B，且谐振单元A与谐振单元B互成镜像设置；

其中，第三导体层（8）与第四导体层（17）、第五导体层（18）形成耦合电容C12。

2.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第一谐振电感L1由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第一导电过孔柱（4）；所述第二谐振电感L2也由间隔设置的两个导电过孔柱群组成，每个导电过孔柱群中包括七个第二导电过孔柱（5）。

3.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第四基板和第五基板之间还设有第六基板，所述第六基板上形成有感性耦合层（200），且感性耦合层（200）一端连接到接地外电极（3），另一端开路将第一谐振电感L1和第二谐振电感L2隔开。

4.根据权利要求1所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第二基板上还设有第六导体层（15）、第七导体层（16），第六导体层（15）、第七导体层（16）分别与第一接地层（9）形成下地电容C3、下地电容C4。

5.根据权利要求4所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：还包括第三谐振电感L3和第四谐振电感L4，第三谐振电感L3由多个第三导电过孔柱（13）构成，第四谐振电感L4由多个第四导电过孔柱（14）构成，多个第三导电过孔柱（13）的一端连接至第六导体层（15），另一端连接至第二接地层（10）；多个第四导电过孔柱（14）的一端连接至第七导体层（16），另一端连接至第二接地层（10）。

6.根据权利要求5所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第四基板与第五基板之间还设有第七基板，所述第七基板上形成有与第三谐振电感L3连接的第八导体层（22）、与第一谐振电感L1连接的第九导体层（23）、与第二谐振电感L2连接的第十导体层（24）和与第四谐振电感L4连接的第十一导体层（25）。

7.根据权利要求6所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第七基板与第四基板之间还设有第八基板，所述第八基板上形成有第十二导体层（19）和第十三导体层（20），第十二导体层（19）与第八导体层（22）、第十导体层（24）形成耦合电容C23，第十三导体层（20）与第九导体层（23）、第十一导体层（25）形成耦合电容C14。

8.根据权利要求6所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第七基板与第五基板之间还设有第九基板，所述第九基板上形成有第十四导体层（21），所述第十四导体层（21）与第八导体层（22）、第十一导体层（25）形成耦合电容C34。

9.根据权利要求4所述的基于LTCC工艺的高Q谐振式滤波器，其特征在于：所述第四导体层（17）与第一导体层（6）、第六导体层（15）形成耦合电容C13，第五导体层（18）与第二导体层（7）、第七导电层（16）形成耦合电容C24。

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