CN117294269B - 一种集成电容式带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无源滤波器技术领域，更具体地，本发明涉及一种集成电容式带通滤波器，其输入电极和输出电极之间连接有多个串联的电容器和多个并联的电容器，多个并联的电容器为对地电容器；每个电容器包括共用底电极的两个串联电容，两个串联电容的顶电极分别作为电容器的两端电极，多个串联的电容器两端的电感呈之字形交替分布在多个串联电容器的两侧；正面膜层结构包括上电极层、绝缘薄膜和下电极层，输入电极、输出电极和电容器的两端电极位于上电极层，所述共用底电极位于下电极层，背面膜层结构包括位于绝缘支撑片下侧的背面金属层。根据本发明的方案，解决了目前的微带滤波器体积较大且配置不灵活的问题。

Description

一种集成电容式带通滤波器

技术领域

本发明一般地涉及无源滤波器技术领域。更具体地，本发明涉及一种集成电容式带通滤波器。

背景技术

滤波器是一种能选择通过或抑制某频率范围内信号的器件，它可以将特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，从而将所需信号从杂乱的信号中选择出来。滤波器一直是射频通讯系统的核心器件，随着无线通讯技术迅猛发展，频率资源日益紧张，其重要性越发凸显。

目前的滤波器中LC滤波器是最常见的无源滤波器之一，通过将电容、电感进行串联、并联或混连应用，可以实现不同的滤波效果。不同电路会对某种频率信号呈现很小或很大的电抗特性，LC滤波器利用这种特性使某频率信号顺利通过或阻碍它通过，从而起到选出某种频率信号和滤除某种频率信号的作用。LC滤波器因结构简单、成本低廉、运行可靠性较高等优点在射频通信电路中被广泛运用。然而，目前的LC滤波器的体积都比较大，并不能够满足电子设备日益小型化、精品化的要求。为了减小滤波器的体积和生产成本，微带滤波器成为在电子设备中广泛应用。

现有微带滤波器中的电容器一般会采用叉指电极的方法来制备，如图1所示，在叉指电容中，两个导体以叉指形式排列，形成一个电容器。采用叉指电容组成的微带滤波器结构中，所存在的问题是：这种电容器的电容量大小是靠微带线之间的耦合来形成的，通常电容量较小。为了获得大的电容量，只能增加叉指的数量或者减小叉指之间的距离。但是增加叉指的数量会增加基板的面积，使得整个元器件的尺寸增加，减小叉指之间的间距会增加半导体工艺的难度，过小的线宽和缝宽无法实现，大大增加了量产的难度。

基于此，如何解决目前的微带滤波器体积较大且配置不灵活的问题，是目前研究的重点。

发明内容

为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过构建金属-绝缘体-金属结构的电容器，并结合串、并联等的连接方式，一方面可以有效减小所需电容器的体积，实现微带滤波器的高度集成化和小型化处理，另一方面可以便于进行布线和扩展，有效提升了电路的灵活性。

为此，本发明提供了一种集成电容式带通滤波器，包括输入电极和输出电极，所述输入电极和输出电极之间连接有多个串联的电容器和多个并联的电容器，所述多个并联的电容器为对地电容器；每个电容器包括共用底电极的两个串联电容，两个串联电容的顶电极分别作为电容器的两端电极，所述电容器的两端电极与底电极之间设置有绝缘薄膜，且每个电容器的两端并联有一个对应匝数的电感，其中多个串联的电容器两端的电感呈之字形交替分布在多个串联电容器的两侧；所述集成电容式带通滤波器具有双面金属化的膜层结构，包括正面膜层结构和背面膜层结构，所述正面膜层结构和背面膜层结构通过绝缘支撑片隔开，所述正面膜层结构包括上电极层、绝缘薄膜和下电极层，所述输入电极、输出电极和电容器的两端电极位于上电极层，所述共用底电极位于下电极层，所述背面膜层结构包括位于绝缘支撑片下侧的背面金属层。

在一个实施例中，所述多个并联的电容器包括与输入电极连接的对地电容器、与输出电极连接的对地电容器以及连接于任意两个串联电容器之间的至少一个对地电容器，对地电容器按照设定规则分布在多个串联的电容器的两侧。

在一个实施例中，所述多个串联的电容器包括沿着长度方向依次连接第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器，所述第一电容器的两端并联有第一电感，所述第二电容器的两端并联有第二电感，所述第三电容器的两端并联有第三电感，所述第四电容器的两端并联有第四电感，所述第一电感设置于所述第一电容的第一侧，所述第二电感设置于所述第二电容的第二侧，所述第三电感设置于所述第三电容的第一侧，所述第四电感设置于所述第四电容的第二侧。

在一个实施例中，对地电容器包括与输入电极连接的第五电容器、与输出电极连接的第六电容器以及连接于任意两个串联电容器之间的第七电容器，所述第七电容器设置于所述多个串联电容器的第一侧，所述第五电容器和第六电容器设置于所述多个串联电容器的第二侧。

在一个实施例中，还包括位于上电极层的第一接地电极和第二接地电极，所述第一接地电极与所述第七电容连接，所述第二接地电极与所述第五电容器和第六电容器连接，所述第一接地电极与第二接地电极将所有电容器和电感合围，并且形成轮廓为矩形的结构。

在一个实施例中，所形成的矩形的长度为7.900±0.050mm，宽度为4.080±0.050mm，所述集成电容式带通滤波器还包括基板，所述基板的厚度为0.500±0.025mm，所述双面金属化的膜层结构固定安装在所述基板上方。

在一个实施例中，所述上电极层和下电极层包括钨化钛、金或导电率更高的金属。

在一个实施例中，所述绝缘支撑片采用绝缘硅晶圆，所述绝缘支撑片的相对介电常数为11.9，绝缘薄膜采用CaO与ZrO₂的固溶体材料薄膜，相对介电常数为18±2。

在一个实施例中，电容器采用平板式电容极板实现，电感采用微带线实现，通过改变微带线的线宽以及线长调整电感量的大小。

在一个实施例中，所述集成电容式带通滤波器的通带范围为0.93GHz~1.07GHz，中心频率为1.00GHz，通带最大中心插入损耗为3dB，带内波动为1dB，带外抑制在小于0.862GHz的低端阻带抑制大于35dB，在大于1.160GHz的高端阻带抑制大于35dB。

本发明的有益效果在于：通过集成金属-绝缘体-金属结构的电容器，同样容量下有效的降低了叉指电容的面积，同时该电容器中两个电容共用底电极，通过电容串联的方式实现了电路的集成，不仅便于进行电路布线，同时能够有效减小滤波器的体积。本发明中还通过将电感布置在串联的电容器的两侧，能够实现布线整洁规律，安装配置简单且灵活。

进一步，可以通过将接地电容分配在串联的电容器的两侧，实现灵活的数量配置，便于对该电容器进行扩展和滤波效果设计，有效提升了滤波器的配置灵活性。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示意性示出了现有的叉指电容的结构的示意图；

图2是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的整体结构的示意图；

图3是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器中的电路原理图；

图4是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的正视结构的示意图；

图5是示意性示出根据本发明的实施例的每个电容器的截面图；

图6是示意性示出根据本发明的实施例的集成电容式带通滤波器的局部截面图；

图7是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的仿真结果的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。

图2是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的整体结构的示意图。

如图2所示，该集成电容式带通滤波器具有双面金属化的膜层结构，包括正面膜层结构和背面膜层结构。正面膜层结构和背面膜层结构通过绝缘支撑片204隔开。正面膜层结构包括上电极层201、绝缘薄膜202和下电极层203。在上电极层201中可以设置电容器中的输入电极、输出电极和电容器的两端电极。

本发明中的电容器通过两个电容共用底电极实现，因而可以将共用底电极设置于下电极层203，上电极层201和下电极层203之间设置有绝缘薄膜202。该背面膜层结构还包括位于绝缘支撑片204下侧的背面金属层205。在一些实施例中，该绝缘支撑片204可以采用绝缘硅，例如厚度为0.5mm，介电常数11.9。背面金属层205起固定器件作用，不作电气连接用，因而可以采用一般的金属材料。

接下来将结合该滤波其中的膜层结构设置以及具体地布线设计进行详细说明。

图3是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器中的电路原理图。

如图3所示，该集成电容式带通滤波器包括输入电极I和输出电极O。输入电极I和输出电极O之间连接有多个串联的电容器和多个并联的电容器。多个并联的电容器为对地电容器。此处的“地”为同平面的金属地。在一些实施例中，该电容器可以通过两个电容器共用底电极的集成设计结构，从而通过两个电容串联实现电路集成，方式比较简单且有助于布线。具体地，每个电容器包括共用底电极的两个串联电容，两个串联电容的顶电极分别作为电容器的两端电极。电容器的两端电极与底电极之间设置有绝缘薄膜202，且每个电容器的两端并联有一个对应匝数的电感，其中多个串联的电容器两端的电感呈之字形交替分布在多个串联电容器的两侧。

进一步，上述多个并联的电容器包括与输入电极连接的对地电容器、与输出电极连接的对地电容器以及连接于任意两个串联电容器之间的至少一个对地电容器，对地电容器按照设定规则分布在多个串联的电容器的两侧。

在一个应用场景中，第一电容器C1至第七电容器C7均为通过两个电容共用底电极的集成设计结构。在输入电极I和输出电极O之间设置有串联连接的第一电容器C1至第四电容器C4，以及并联连接的第五电容器C5至第七电容器C7。其中串联的第一电容器C1至第四电容器C4的两端分别并联有第一电感L1至第四电感L4，并联的第五电容器C5至第七电容器C7的两端分别并联有第五电感L5至第七电感L7。由于该电容器同时还表现出电阻特性，基于此，图3中所示出的电阻R1-R7均为该电容器的等效电阻。并联的电容器为接地电容器，即其一端与地连接，可以实现滤除直流、通过交流的作用。

进一步，上述电容器采用平板式电容极板实现，电感采用微带线实现，通过改变微带线的线宽以及线长调整电感量的大小。例如该微带线的线宽S可以控制在0.030±0.004mm。

图4是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的正视结构的示意图。

如图4所示，多个串联的电容器包括沿着长度L的方向依次连接第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4。第一电容器C1的两端并联有第一电感L1，第二电容器C2的两端并联有第二电感L2，第三电容器C3的两端并联有第三电感L3，第四电容器C4的两端并联有第四电感L4，第一电感L1设置于第一电容C1的第一侧（如图4中的C1的左侧），第二电感L2设置于第二电容C2的第二侧（如图4中的C2的右侧），第三电感L3设置于第三电容C3的第一侧，第四电感L4设置于第四电容C4的第二侧，从而形成之字形的分布结构。

对地电容器包括与输入电极连接的第五电容器C5、与输出电极连接的第六电容器C6以及连接于任意两个串联电容器之间的第七电容器C7。第七电容器C7设置于多个串联电容器的第一侧，第五电容器C5和第六电容器C6设置于多个串联电容器的第二侧。

需要说明的是以上关于串联电容器和并联电容器的数量以及并联电容器的连接位置的设置仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据滤波器的使用需求，设置为其他的数量和连接形式。

在一些实施例中，还包括位于上电极层201的第一接地电极G1和第二接地电极G2。第一接地电极G1与第七电容C7连接，第二接地电极G2与第五电容器C5和第六电容器C6连接。第一接地电极G1与第二接地电极G2将所有电容器和电感合围，并且形成轮廓为矩形的结构。该第一接地极和第二接地极分别与上述电容器和电感具有设定宽度的绝缘间隙，一方面可以便于散热，另一方面可以保证有效的绝缘特性，提升该滤波器的可靠性。

本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

图5是示意性示出根据本发明的实施例的每个电容器的截面图。图4为上述图4中A区域的截面放大图。

如图5所示，对于需要大容量的电路，可以利用该种方式构建一个金属-绝缘体-金属结构的电容器，采用半导体薄膜沉积工艺，选用高介电常数的介质薄膜可以减小所需电容器的面积，同时采用公用电极（例如上述底电极）串联的方式可以方便整个微带电路的布线，很好地解决了微波单片电路高度集成化、小型化的问题。与叉指电容相比，相同的容量具有更小的面积。

本发明中的上电极层201和下电极层203包括钨化钛、金或导电率更高的金属。基于此，上述电容器的组成形式中，上电极（即电容器的两端电极）以及底电极均可以采用TiW/Ni/Au的金属化区域。介质薄膜层则可以采用设定规格的绝缘薄膜202，绝缘薄膜202例如可以采用CaO与ZrO₂的固溶体材料薄膜，相对介电常数为18±2。在一个应用场景中，上述绝缘支撑片204采用绝缘硅晶圆，相对介电常数为11.9。

图6是示意性示出根据本发明的实施例的集成电容式带通滤波器的局部截面图。

如图6所示，将上述双面金属化的膜层结构敷设在一个基板上，即可实现该集成电容式带通滤波器的设计。在一些实施例中，通过输入电极和输出电极合围所形成的矩形的长度L为7.900±0.050mm，宽度W为4.080±0.050mm，该基板的厚度T为0.500±0.025mm，从而实现集成电容式带通滤波器的规格设置。

图7是示意性示出根据本发明的实施例的带通滤波器的仿真结果的示意图。

如图7所示，上述C1=4.01pF，C2=6.35pF，C3=12.78pF，C4=17.40pF，C5=14.0pF，C6=10.52pF，C7=23.93pF，容量公差±10%@1MHz。L1=3.991nH，L2=6.313nH，L3=1.456nH，L4=1.982nH，L5=14nH，L6=10.52nH，L7=1.059nH。通过设置这些参数后，进行仿真模拟，该集成电容式带通滤波器的通带范围为0.93GHz~1.07GHz，中心频率为1.00GHz，通带最大中心插入损耗为3dB，带内波动为1dB，带外抑制在小于0.862GHz的低端阻带抑制大于35dB，在大于1.160GHz的高端阻带抑制大于35dB。

通过本发明的方案，在保持滤波器性能的前提下，实现了电路中对电容器容值的要求，且面积减小。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本发明的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本发明方案的限制。

虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。

Claims (8)

1.一种集成电容式带通滤波器，其特征在于，包括输入电极和输出电极，所述输入电极和输出电极之间连接有多个串联的电容器和多个并联的电容器，所述多个并联的电容器为对地电容器；

每个电容器包括共用底电极的两个串联电容，两个串联电容的顶电极分别作为电容器的两端电极，所述电容器的两端电极与底电极之间设置有绝缘薄膜，且每个电容器的两端并联有一个对应匝数的电感，其中多个串联的电容器两端的电感呈之字形交替分布在多个串联电容器的两侧；

所述集成电容式带通滤波器具有双面金属化的膜层结构，包括正面膜层结构和背面膜层结构，所述正面膜层结构和背面膜层结构通过绝缘支撑片隔开，所述正面膜层结构包括上电极层、绝缘薄膜和下电极层，所述输入电极、输出电极和电容器的两端电极位于上电极层，所述共用底电极位于下电极层，所述背面膜层结构包括位于绝缘支撑片下侧的背面金属层；

所述多个并联的电容器包括与输入电极连接的对地电容器、与输出电极连接的对地电容器以及连接于任意两个串联电容器之间的至少一个对地电容器，对地电容器按照设定规则分布在多个串联的电容器的两侧；

所述多个串联的电容器包括沿着长度方向依次连接第一电容器、第二电容器、第三电容器和第四电容器，所述第一电容器的两端并联有第一电感，所述第二电容器的两端并联有第二电感，所述第三电容器的两端并联有第三电感，所述第四电容器的两端并联有第四电感，所述第一电感设置于所述第一电容的第一侧，所述第二电感设置于所述第二电容的第二侧，所述第三电感设置于所述第三电容的第一侧，所述第四电感设置于所述第四电容的第二侧。

2.根据权利要求1所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，对地电容器包括与输入电极连接的第五电容器、与输出电极连接的第六电容器以及连接于任意两个串联电容器之间的第七电容器，所述第七电容器设置于所述多个串联电容器的第一侧，所述第五电容器和第六电容器设置于所述多个串联电容器的第二侧。

3.根据权利要求2所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，还包括位于上电极层的第一接地电极和第二接地电极，所述第一接地电极与所述第七电容连接，所述第二接地电极与所述第五电容器和第六电容器连接，所述第一接地电极与第二接地电极将所有电容器和电感合围，并且形成轮廓为矩形的结构。

4.根据权利要求3所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，所形成的矩形的长度为7.900±0.050mm，宽度为4.080±0.050mm，所述集成电容式带通滤波器还包括基板，所述基板的厚度为0.500±0.025mm，所述双面金属化的膜层结构固定安装在所述基板上方。

5.根据权利要求1所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，所述上电极层和下电极层包括钨化钛、金或导电率更高的金属。

6.根据权利要求1所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，所述绝缘支撑片采用绝缘硅晶圆，所述绝缘支撑片的相对介电常数为11.9，绝缘薄膜采用CaO与ZrO₂的固溶体材料薄膜，相对介电常数为18±2。

7.根据权利要求1所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，电容器采用平板式电容极板实现，电感采用微带线实现，通过改变微带线的线宽以及线长调整电感量的大小。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的集成电容式带通滤波器，其特征在于，所述集成电容式带通滤波器的通带范围为0.93GHz~1.07GHz，中心频率为1.00GHz，通带最大中心插入损耗为3dB，带内波动为1dB，带外抑制在小于0.862GHz的低端阻带抑制大于35dB，在大于1.160GHz的高端阻带抑制大于35dB。