CN116259939A - 一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波电子元器件技术领域，公开了一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，上层导体、下层导体、金属地层和介质基板；所述基于氧化铝陶瓷工艺的悬置线高通滤波器至上而下依次为上层导体、下层导体和金属地层，并在上层导体、下层导体、下层导体和金属地层之间分别设有介质基板。本发明采用了两层氧化铝陶瓷基板来实现悬置带线结构，在理想情况下对外没有辐射，在实现滤波器宽带低损耗的情况下，同时实现其结构的小型化、轻量化和低成本化。
Description
技术领域
本发明属于微波电子元器件技术领域，具体涉及一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器。
背景技术
微波滤波器是微波电路系统中的重要部件，也是技术含量最高的微波无源器件之一，其主要作用是用于信号的提取，分隔，抑制干扰。微波滤波器的应用领域十分广泛，包括无线通信、导航、遥测等。微波高通滤波器是一种允许高频信号通过，抑制低频信号的微波无源器件。由于在微波频率下的滤波器结构一般都具有周期性的频率响应，所以不存在理想的高通滤波器响应，通常在微波波段下的宽带带通滤波器可以用作高通滤波器，即伪高通滤波器。常见的伪高通滤波器有采用微带或者其他开放的传输线结构，但是这种结构的伪高通滤波器很难实现性能优异的高Q值。采用传统悬置线的伪高通滤波器，其结构具有三层媒质：上空气层、介质层、下空气层。常规悬置带线伪高通滤波器的实现方法为将导体印制在介质板上，采用双面交叠布局的金属图形实现高通滤波器的串联电容，用到地高阻抗线实现并联电感，然后把介质基板嵌置在金属壳体内。该结构的缺点比较明显：由于有金属腔体，一般需要设计紧固结构，体积的小型化难以实现，以6～18GHz传统悬置线高通滤波器为例，其典型体积达到47mm×20mm×8.6mm，难以满足高密度集成应用要求。采用硅基MEMS工艺实现的伪高通滤波器，体积小，性能佳。但其流片成本高、工艺复杂且性价比低。采用IPD工艺实现的伪高通滤波器体积虽然小，但近端的带外抑制难以满足宽带通信系统中的使用要求，偏离1GHz处抑制为10dB以内(通常要求偏离边带1GHz抑制35dBc以上)且成本同样高。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)采用微带或者其他开放的传输线结构的伪高通滤波器很难实现性能优异的高Q值；
(2)采用传统的悬置微带线伪高通滤波器体积大，难以满足高密度集成应用；
(3)采用硅基MEMS工艺的伪高通滤波器流片成本高、工艺复杂且性价比低；
(4)采用IPD工艺的实现的伪高通滤波器虽然体积小，但难以在满足带外抑制需求且成本高。
发明内容
针对现有高通滤波器存在上述技术问题，本发明提出了一种基于氧化铝陶瓷工艺的非传统悬置带线高通滤波器，在实现滤波器宽带低损耗带外抑制高的情况下，同时实现其结构的小型化、轻量化和低成本化。
本发明是这样实现的，一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，包括：
上层导体、下层导体、介质基板、金属地层；
所述悬置线高通滤波器至上而下依次为上层导体、下层导体和金属地层，并在上层导体和下层导体、下层导体和金属地层之间分别设有介质基板。
进一步地，所述的高阻抗线等效为电感，所述低阻抗线等效为电容。
进一步地，所述的上层导体的第一传输线连接上层导体的第二传输线，该第二传输线作为微带高阻抗短路枝节，通过金属化通孔接地。
进一步地，所述上层导体的第一传输线与下层导体的第三传输线耦合等效为串联电容。
进一步地，所述下层导体的第三传输线侧接下层导体的第四传输线和第五传输线，其第四传输线为高阻抗传输线，第五传输线为低阻抗传输线。第四和第五传输线共同构成阶跃阻抗谐振器，用来等效为电感电容的串联谐振。
进一步地，所述下层导体的第三传输线与上层导体的第六传输线耦合等效为串联电容。
进一步地，所述上层导体的第六传输线侧接上层导体的第七传输线，第七传输线通过金属化通孔接下层导体的第八传输线，其中第七传输线为高阻抗线，第八传输线为低阻抗线，通过金属化通孔连接，形成阶跃阻抗谐振器，等效为电感电容的串联谐振。
进一步地，以在上层导体地第六传输线中心位置对称，设有与另一层同样的上层导体传输线和下层导体传输线，使滤波器结构对称。
进一步地，上层导体和下层导体、下层导体和金属地层之间分别采用氧化铝陶瓷介质基板，介电常数为9.8。
进一步地，下层导体设置有四个焊盘，通过金属化通孔与金属地层连接，使上下两层导体连接牢固。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器是采用了两层氧化铝陶瓷基板来实现非传统悬置带线结构，在与同类产品实现相同性能的条件下，能够实现更低的成本和更小的面积。
本发明采用非传统悬置带线的传输结构，与传统的悬置带线相比，去掉了上下两层空气腔的体积，消除了腔间串扰大的情况，减小了整体滤波器的体积。具有与传统悬置带线一致的通带带宽宽、体积小、插损低、成本低等优点；同时，采用了双层氧化铝陶瓷工艺，进一步减小了滤波器面积，降低成本。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明结构简单紧凑，面积小、易于加工。利用阶跃阻抗谐振器，有效地降低了谐振器尺寸，不仅在结构上更加紧凑，体积更小，实现超宽带滤波器小型化，而且在悬置带线滤波器地应用中也方便与外围电路集成。
本发明集成度高。本发明将第一阶跃阻抗谐振器14、15和第三阶跃阻抗谐振器17、18固定在所述地下层介质基板19的上表面。第二谐振器的上层导体第七传输线5固定在上层介质基板9的上表面，通过金属化通孔6连通到固定在下层介质基板19上表面的下层导体的第八传输线15，集成度高。
本发明采用椭圆函数滤波器综合方法，得到集总参数模型，通过LC集总参数模型映射到具体物理结构，解决了传统映射法设计滤波器不够灵活，无法在任意位置产生传输零点的问题，缩短了研制开发周期，提高研发效率。
本发明具有良好的可扩展特性，带外抑制高。本发明采用的下层导体第一阶跃阻抗谐振器54和下层导体第二阶跃阻抗谐振器55分为两个部分，高阻抗线部分为下层导体第四传输线14、下层导体第十二传输线17和低阻抗线部分为下层导体的第五传输线13、下层导体第十三传输线18，其都固定在下层介质基板19的上表面。混合谐振器53分为三个部分，低阻抗线部分为下层导体第八传输线15、连接上层导体和下层导体的金属化通孔6和高阻抗线为上层导体第七传输线5，其中低阻抗线部分通过上层介质基板9两端的金属化通孔6连通到固定在下层介质基板19上表面的高阻抗线部分形成混合谐振。可以根据实际指标要求，通过增加滤波器阶数的方式，显著提高带外的抑制特性。比起普通的微带滤波器，可调性非常好。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
本发明首次采用了双层氧化铝陶瓷薄膜材料用作非传统悬置带线的介质基底来设计悬置带线高通滤波器，该材料具有耐热、介电损耗小、成本低廉、较强的机械性能、化学性质稳定等优点。传统悬置带线结构具有上空气腔、介质层和下空气腔。由于需要金属腔体，一般要设计紧固结构因此难以实现小型化。本发明克服了传统悬置带线的缺点，实现了小型化，其体积仅有传统悬置微带结构的八分之一。利用硅基MEMS工艺制作的伪高通滤波器，虽然能实现小型化，但是其制造工艺需要光刻、沉积、刻蚀、掺杂、氧化、扩散和注入等，工艺复杂，大批量制造能力弱且制造成本高。本发明克服了硅基MEMS工艺制作滤波器的缺点，由于氧化铝陶瓷基底以氧化铝为主要原料，氧化铝在自然界中的含量仅次于氧化铝硅，含量十分丰富，且该材料具有高介电常数和低损耗角正切，在实现小型化高性能的同时，也能实现低成本化。低温共烧陶瓷(LTCC)工艺制作的伪高通滤波器，采用多层厚膜工艺，能够实现小型化。但是其流片成本同样较高，散热能力弱影响工作稳定性且加工的精度较低。本发明克服了LTCC工艺的缺点，工艺成熟，成本低且加工精度高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器电路拓扑原理图；
图2是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器所采用的非传统悬置带线的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器立体示意图；
图4是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器俯视图；
图5是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器第二层示意图；
图6是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器第一层示意图；
图7是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器三维爆炸示意图；
图8是本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器仿真插入损耗和回波损耗图。
图中：1a、射频信号输入(输出)端口；1b、射频信号输出(输入)端口；1、上层导体第一传输线；2、上层导体第二传输线；3、从上层导体到金属地层的金属化通孔；4、上层导体第六传输线；5、上层导体第七传输线；6、连接上层导体和下层导体的金属化通孔；7、上层导体第九传输线；8、上层导体第十传输线；9、上层导体与下层导体间的介质基板；10、焊盘；11、连接焊盘到金属地层的金属化通孔；12、下层导体第三传输线；13、下层导体的第五传输线；14、下层导体第四传输线；15、下层导体第八传输线；16、下层导体第十一传输线；17、下层导体第十二传输线；18、下层导体第十三传输线；19、下层导体与金属地层间的介质基板；51、第一高阻抗线；52、第二高阻抗线；53、混合谐振器；54、下层导体第一阶跃阻抗谐振器；55、下层导体第二阶跃阻抗谐振器；100、上层导体；101、下层导体；102、空气填充介质；103、底层金属地层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器包括五层结构，由上至下依次为上层导体、中间层介质基板、下层导体、下层介质基板和底层金属地层。所述上层导体设置于中间层介质基板的上表面，所述的下层导体设置于下层介质基板的上表面和中间层介质基板的下表面，所述底层金属地层设置于下层介质基板的下表面。本实施例中，介质基板使用的是氧化铝陶瓷材料，中间层介质基板的厚度为0.127mm，下层介质基板厚度为0.254mm，介质基板的介电常数为9.8，损耗角正切0.002，上层导体厚度为0.003mm，下层导体厚度为0.01mm。
如图1-图3所示，基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器采用椭圆函数滤波器设计思路，结合Advanced Design system软件设计优化集总参数，完成了拓扑结构的设计，确定了滤波阶数为9阶。其中图2的非传统悬置线结构由上至下依次为上层导体100、中间层介质基板9、下层导体101、下层介质基板19、底层金属底层103以及填充在下层导体周围的空气层填充介质102。通过非传统悬置带线来模拟集总元件，从而得到了图3所示的非传统悬置带线结构的高通滤波器。
如图1、图4-图7的示意图所示，一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器由上层导体第一传输线1输入，并联微带短路枝节的第一高阻抗线51构成所述第一电感器L1，上层导体第一传输线1通过中间层介质基板9与下层导体第三传输线12宽边耦合构成所述第一电容器C1。进一步地，所述的下层导体第三传输线12并联下层导体第一阶跃阻抗谐振器54，该下层导体第一阶跃阻抗谐振器构成所述第二电感器L2和第二电容器C2。进一步地，所述的下层导体第三传输线12通过中间层介质基板9与上层导体第六传输线4宽边耦合构成所述第三电容器C3。进一步地，所述上层导体第六传输线4并联混合谐振器53，该混合谐振器由一段上层导体第七传输线5通过中间层介质基板9两端的金属化通孔6连通到下层导体第八传输线15组成，构成所述第三电感器L3和第四电容器C4。进一步地，所述上层导体第六传输线4通过中间层介质基板9与下层导体第十一传输线16宽边耦合构成所述第五电容器C5。进一步地，所述下层导体第十一传输线16并联下层导体第二阶跃阻抗谐振器55，该下层导体第二阶跃阻抗谐振器55构成所述第四电感器L4和第六电容器C6。进一步地，所述下层导体第十一传输线16通过中间层介质基板9与上层导体第九传输线7宽边耦合构成所述第七电容器C7。进一步地，所述上层导体第九传输线7并联微带短路枝节的第二高阻抗线52构成所述第五电感器L5，再通过上层导体第九传输线7输出。电磁波的传输主路径主要为上层导体第一传输线1、下层导体第三传输线12、上层导体第六传输线4、下层导体第十一传输线16和上层导体第九传输线7。
为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
本发明实施例可应用于电磁抗干扰技术，主要应用于干扰频率比信号频率低的场合。本发明覆盖C、X、Ku波段，实现超宽带覆盖，且带外抑制强，可对滤波器通带外的干扰信号实现有效抑制。例如在5GHz-6GHz频带范围内存在802.11a等功率较大的窄带干扰信号，由于本发明实施例具有带外抑制强的特点，可采用本发明实施例对其良好滤除。
本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器截止频率为6GHz，传输线采用非传统悬置带线结构，其损耗低、温度性能优异、工艺制作可高精度可控，实现了更高的Q值。同时，本发明实施例采用了阶跃阻抗谐振器实现电容电感的串联和介电常数为9.8的氧化铝陶瓷工艺，且非传统悬置带线的双层结构，使结构更加紧凑，实现小型化和低成本化。
使用电路仿真软件，仿真本发明实施例提供的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，目标中心频率设为12GHz。图8给出了其传输系数和回波损耗的仿真结果，由图8可知，其高通滤波效果良好，具有非常大的带宽。其回波损耗仿真结果，在6GHz～18GHz范围内回波损耗均小于-17dB。其传输系数仿真结果，在6GHz～8GHz范围内，传输系数S21均大于-3dB，在8GHz～18GHz范围内，传输系数S21均大于-0.5dB。尺寸仅有6mm×4mm×0.394mm。
仿真所得的技术指标为：
频率范围： 6GHz～18GHz
VSWR： ＜1.35:1
带外抑制： ≥28dB@5.5GHz；
≥50dB@5.5GHz；
插入损耗：≤3dB@6GHz～8GHz；
≤0.5dB@8GHz～18GHz。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，包括：
上层导体、下层导体、金属地层和介质基板；
所述基于氧化铝陶瓷工艺的悬置线高通滤波器至上而下依次为上层导体、下层导体和金属地层，并在上层导体、下层导体、下层导体和金属地层之间分别设有介质基板。
2.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，所述的上层导体的第一传输线连接上层导体的第二传输线，该第二传输线作为微带高阻抗短路枝节等效为并联电感，第二传输线通过通孔接地，且通孔内部金属化。
3.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，所述上层导体的第一传输线与下层导体的第三传输线耦合等效为串联电容。
4.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，所述下层导体的第三传输线侧接下层导体的第四传输线和第五传输线，其第四传输线为高阻抗传输线，第五传输线为低阻抗传输线，第四和第五传输线共同构成阶跃阻抗谐振器，用来等效为电感电容的串联谐振。
5.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，所述下层导体的第三传输线与上层导体的第六传输线耦合等效为串联电容。
6.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，所述上层导体的第六传输线侧接上层导体的第七传输线，第七传输线通过金属化通孔接下层导体的第八传输线，其中第七传输线为高阻抗线，第八传输线为低阻抗线，通过金属化通孔连接，形成阶跃阻抗谐振器，等效为电感电容的串联谐振。
7.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，以在上层导体地第六传输线中心位置对称，设有与另一层同样的上层导体传输线和下层导体传输线，使滤波器结构对称。
8.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，上层导体、下层导体、下层导体和金属地层之间分别采用氧化铝陶瓷介质基板，介电常数为9.8。
9.根据权利要求1所述的基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器，其特征在于，下层导体设置有四个焊盘，通过金属化通孔与金属地层连接，使上下两层导体连接牢固。
Priority Applications (1)
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| CN202310111460.0A CN116259939A (zh) | 2023-01-30 | 2023-01-30 | 一种基于氧化铝陶瓷工艺的悬置带线高通滤波器 |
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