CN1716684A - 多层陶瓷低通滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种低通滤波器，其形成在一多层基板中，该低通滤波器包括一第一电容，其形成在该多层基板中的至少一层且电连接到一第一节点，一第一电感，其与该第一电容电连接在该第一节点，及一第二电感，其与该第一电感与该第一电容电连接到该第一节点。在该低通滤波器中，该第一电感与该第二电感之间会产生负互感值。
Description
技术领域
本发明关于一种集总元件的椭圆低通滤波器(Lumped-Element EllipticLowpass Filter)，特别是一种利用一多层基板(Multi-Layered Substrate)来实现的集总元件椭圆低通滤波器。
背景技术
低通滤波器为通信系统电路设计中的基本组件。它们常被用以滤除具有较高频率的寄生噪声与调谐波。低通滤波器的性能由在通频带(Passband)中的插入损失(Insertion Loss)与截止频带(Stopband)的截止率(Rejection)决定。
请参阅图1。图1为一常规n阶低通滤波器10的范例电路图，其中n为奇数。P1及P2为低通滤波器10的两节点。低通滤波器10包含电感L1、L3、L5、...、Ln与电容C2、C4、...、Cn-1。如图1中所例示的低通滤波器10其截止频带中的截止率不足以满足系统的要求时，常以椭圆低通滤波器运用替代。
请参阅图2。图2为一常规n阶椭圆低通滤波器20的范例电路图，其中n为奇数。与图1中的低通滤波器10相比较，在椭圆低通滤波器20中，额外的电感L2j以串联的方式与并联接地的电容C2j连接，其中j为一正整数。所形成的串联电感电容(LC)电路会在截止频带的插入损失响应图中产生传输零点(transmission zero)，故可得到一较佳的截止频带截止率。
请参阅图3。图3为一常规三阶低通滤波器与一常规三阶椭圆低通滤波器的频率响应示意图。实线21代表该常规三阶低通滤波器的插入损失，而虚线22则代表该常规三阶椭圆低通滤波器的插入损失。如图3中所示，该椭圆滤波器的截止频带响应图上具有一传输零点，因此可得到一较佳的截止频带截止率。另一方面，椭圆滤波器亦在通频带边缘上呈现出一较陡峭的下降率(Roll-Off Rate)，对于低通滤波器来说其为一较佳的特征。
虽然椭圆低通滤波器呈现出比常规低通滤波器更佳的性能，但它们也需要更多额外的电感，因而使所需的电路布局面积增加。这点在现代无线通信装置产品对于尺寸与成本的严格要求的下是不希望见到的。因此，在分阶射频电路的发展中，如何设计出一低通滤波器使其具有较少的元件及电路面积，并在截止频带中具有较佳的截止率已成为一重要的课题。
发明内容
因此本发明的主要目的在提供一种以集总元件方式实现于一多层基板中的低通滤波器，可以较少的电路元件得到椭圆低通滤波器的响应。
本发明提供一种低通滤波器，其形成在一多层基板中，该低通滤波器包括：一第一电容，被形成于该多层基板中的至少一层且被电连接到一第一节点，一第一电感，被电连接到该第一电容于该第一节点，及一第二电感，被电连接到该第一电感与该第一电容于该第一节点。在该低通滤波器中，该第一电感该第二电感间产生负互感值(Negative Mutual Inductance)。
本发明还提供一种n阶低通滤波器，其形成在一多层基板中，该n阶低通滤波器包含：一第一电容，形成于该多层基板中的至少一层上且电连接到一第一节点；一第一电感，与该第一电容电连接到该第一节点；一第二电感，电连接在该第一节点与一第二节点之间；以及m个电容-电感对，每个电容-电感对包含一电容以及一电感，该电容电连接到该电容-电感对的一初始节点，该电感电连接在该电容-电感对的该初始节点与一最终节点之间，其中该第二节点为一第一电容-电感对的初始节点，且每个后继的电容-电感对的初始节点即为每个在前的电容-电感对的最终节点。其中负互感值存在于彼此被电连接到一共同节点的电感之间，而且n＝2×m+3，n为一大于1的奇数整数，且m为一非负整数。
本发明的优点为在连接到一共同节点的电感之间所形成的负互感值使具有常规低通滤波器结构的低通滤波器可具有一常规椭圆低通滤波器的频率响应。因此，可缩小电路面积并增进截止频带截止率的效果。本发明的另一优点为低通滤波器中的电路元件在多层基板中采用垂直重叠的排列。该垂直重叠排列可使每一层所需面积减小，因此可降低该低通滤波器的整体面积。
附图说明
图1为常规n阶低通滤波器10的范例电路图。
图2为常规n阶椭圆低通滤波器20的范例电路图。
图3为常规三阶低通滤波器与常规三阶椭圆低通滤波器的频率响应示意图。
图4为本发明低通滤波器30的一电路模型图。
图5为低通滤波器30的一等效电路模型40。
图6为三阶滤波器50的电路模型图。
图7为三阶滤波器50的立体图。
图8为三阶滤波器50的侧视图。
图9为三阶滤波器72的立体图。
图10为三阶滤波器80的立体图。
图11为三阶滤波器110的电路模型图。
图12为三阶滤波器110的立体图。
图13为五阶滤波器120的电路模型图。
图14为五阶滤波器120的立体图。
图15为五阶滤波器130的电路模型图。
图16为五阶滤波器130的立体图。
图17为七阶滤波器140的电路模型图。
图18为七阶滤波器140的立体图。
附图符号说明
10-常规n阶低通滤波器 20-常规n阶椭圆低通滤波器
21-常规三阶低通滤波器的插入损失
22-常规三阶椭圆低通滤波器的插入损失
30-低通滤波器 40-低通滤波器30的等效电路模型
50-三阶滤波器 52-螺旋电感
54-接触节点 56-金属连通柱
58-接触节点 60-螺旋电感
62-金属板 63-孔
64-接触节点 66-金属板
68-接触节点 70-金属连通柱
72-三阶滤波器 74-金属板
80-三阶滤波器 82-金属连通柱
84-接触节点 86-金属片
88-接触节点 90-金属连通柱
92-接触节点 94-金属片
96-金属连通柱 98-接触节点
100金属片 102孔
110三阶滤波器 120五阶滤波器
122螺旋电感 130五阶滤波器
140七阶滤波器 142螺旋电感
144螺旋电感 146分隔线
具体实施方式
请参阅图4。图4显示本发明所提出的低通滤波器30的一电路模型。低通滤波器30基于图1中所示的常规n阶低通滤波器10。低通滤波器30包含电感电感L1、L3、L5、…、Ln与电容C2、C4、…、Cn-1，其中n为奇数且代表低通滤波器30的阶数。低通滤波器30以邻接电感L1、L3、L5、…、Ln(此处邻接电感是指它们被连接到一共同节点)之间具有一负互感值的方式来设计。在图4中该互感值被标示为LMi，i＝2、4、…、n-1。举例来说，电感L1与L3之间具有一负互感值LM2。
低通滤波器30由一三阶低通滤波器加上m个电容-电感对所组成。该三阶低通滤波器包含电感L1与L3，其连接到一共同节点N1。电感L1连接在共同节点N1与低通滤波器30的节点P1之间。电感L3连接在共同节点N1与一第二节点N2之间。电容C2连接在共同节点N1与接地端之间。
在m个电容-电感对中的每一对均包含一附加的电感与电容。该电感与电容分别连接到该电容-电感对的一初始节点。该电感连接在该初始节点与该电容-电感对的一最终节点之间。该电容连接在该初始节点与接地端之间。举例来说，一第一电容-电感对包含电感L5与电容C4，电感L5连接在初始节点N2与最终节点N3之间。电容C4连接在初始节点N2与接地端之间。每个后继的电容-电感对的初始节点即为前一个电容-电感对的最终节点。在图4中，最终的电容-电感对由电感Ln与电容Cn-1所组成，该电感Ln连接到低通滤波器30的节点P2。阶数n与数字m之间的关系可由方程式n＝2×m+3来表示，其中n为一大于一的奇数，而m为一非负整数。
请参阅图5。图5为图4中所示的低通滤波器30的一等效电路模型40。在图4中的每个负互感值LMi在此处被等校为与并联接地的电容Ci串联的额外的电感LMi。图5中所示的等校电路模型40与图2中所示的椭圆低通滤波器20相同。因此，电路模型30可具有与椭圆低通滤波器20相同的频率响应，且具备减少所需电路元件的优点。亦即为，在本发明中不再需要常规椭圆低通滤波器20中与并联电容C2、C4、…、Cn-1串联的电感L1、L3、L5、…、Ln，而是以相邻彼此串联的电感间所建立的负互感值来代替。根据图5和常规椭圆低通滤波器的设计方程式，即可得到图4中所需的自电感值L1、L3、L5、…、Ln及互感值LMi，且能达到与一椭圆低通滤波器相同的性能。
如图5所示，各串联电感的有校电感值为其自电感值减去其与邻接电感的负互感值。以下两范例将例示此效应。电感L1的有效电感值以Lleff来表示，可由方程式Lleff＝L1-LM2得出。电感L1仅有一个邻接电感L3，因此只有受到一负互感值LM2的影响。电感L3的有效电感值以L3eff来表示，可由方程式L3eff＝L3-LM2-LM4求出。电感L3有两个邻接电感L1及L5，因此受到两负互感值LM2与LM4的影响。
一般所知互感值与两电感间的距离及几何关系相关。因此本发明非常适合用来在一三维结构中实现，如一多层基板中。根据先前图4中所述低通滤波器30的电路模型，可实现一具有新颖性的集总元件椭圆低通滤波器，其具有极佳的截止频带截止率，且占有较小的区域。
请参阅图6与图7。图6为本发明的一三阶滤波器50的一电路模型。图7为本发明的一第一实施例的立体图，显示三阶滤波器50实现于一具有底部接地端的多层基板中。至少有四层介质层附加于该接地端上。电感L1由一在第四层上的螺旋电感52所形成，该螺旋电感可由一螺旋形金属带制成。螺旋电感52的一端连接到节点P1而螺旋电感52的另一端则连接到一接触节点54。接触节点54将螺旋电感52连接到一金属连通柱(Via)56，金属连通柱56从第一层延伸到第四层。电感L3由一在第三层上的螺旋电感60所形成。螺旋电感60的一端连接到节点P2而另一端则经由一接触节点58连接到金属连通柱56。电容C2形成在第一及第二层的金属板与接地端之间。第二层包含一金属板62，一孔63位于于金属板62中。金属连通柱56通过孔63，使金属连通柱56不与金属板62形成电连接。而金属连通柱56延伸至第一层于接触节点68连接到一金属板66。金属板62于接触节点64经由另一个金属连通柱70连接到接地端。
请注意螺旋电感52与螺旋电感60的方向是相反的。螺旋电感52与螺旋电感60的方向不同造成两者之间的互感为负值。负互感值的大小可由适当地调整螺旋电感52与60的形状或改变第三层与第四层间的距离来决定。L1、L2的自电感值、互感值LM2以及电容C2根据图5的等校电路与一三阶椭圆低通滤波器的设计方程式来设计。
请参阅图7与图8。图8为三阶滤波器50实现于一多层基板中的侧视图。该侧视图显示金属连通柱56从第一层延伸至第四层而金属连通柱70从第二层延伸至接地端。由于这些电路元件都被重叠起来，而且在此采用了负互感值的设计，故所形成的三阶滤波器50在达到如三阶椭圆低通滤波器的极佳性能时仍具有一非常小的尺寸。
请参阅图9。图9为根据本发明的一第二实施例的一三阶滤波器72的立体图。三阶滤波器72与图7所示的三阶滤波器50相似，除了电容C2只利用在第一层的金属板与接地端间的电容来实现。因为只利用一层介质层来实现电容C2，所以三阶滤波器72所需的基板层数可以比图7所示的三阶滤波器50少一层。
请参阅图10。图10为本发明的一第三实施例的立体图，显示一实现于多层基板的三阶滤波器80。三阶滤波器80被实现于一至少具五层介质层附加于接地端上的多层结构。三阶滤波器80的第四层和第五层与图7中三阶滤波器50的第三层和第四层结构完全相同。而与图7中的三阶滤波器50不同的处在于，三阶滤波器80利用三层金属片来形成电容C2。在第三层上，金属片86于接触节点84与一金属连通柱82连接。金属片86于接触节点88与另一金属连通柱90连接。金属连通柱90经由接触节点98提供在第三层上的金属片86与在第一层上的金属片100的连接。因此，金属片86被电连接到金属片100以提供一较大的有效电容区域。另一个形成于第二层上的金属片94经由一接触节点92被连接到金属连通柱96。金属连通柱96通过位于第一层金属片100上的开孔102，进而将金属片94与接地端连接。在图7中的三阶滤波器50使用多层基板中的两层来形成的电容C2，而在图10中的三阶滤波器80使用三层。请注意亦可使用更多的层数来增加电容C2的有效区域，藉此可增加其电容值或减少为得到一已知电容值而在每一层上所需的面积。
请参阅图11与图12。图11为根据本发明的另一三阶滤波器110的一电路模型。图12为本发明的一第四实施例的立体图，显示一三阶滤波器110被实现于一多层基板中。三阶滤波器110为图6所示的三阶滤波器50的一替代结构。与具有单个并接电容C2不同，三阶滤波器110具有两个并接的电容C2与C2’。电容C2与C2’以并联方式连接，故其总电容值可以线性增加。因此，借着具有两个电容C2与C2’，每个电容可以被做得更小。图12所示的三阶滤波器110与图7所示的三阶滤波器50之间的主要差别为多出的两层(第五层和第六层)被用于形成额外的电容C2’。
请参阅图13与图14。图13为根据本发明的一五阶滤波器120的一电路模型。图14为本发明的一第五实施例的立体图显示五阶滤波器120被实现于一多层基板中。五阶滤波器120经由将两个三阶滤波器结构串联在一起来得到，例如图7所示的三阶滤波器50。增加滤波器的阶数可改善在通频带边缘的下降率与在截止频带的截止率，但同时亦增加所需的电路面积。
在第三层上，一螺旋电感122形成电感L3，电感L3由五阶滤波器120的一左侧延伸至五阶滤波器120的一右侧。电感L1与L5被形成于第四层上而电容C2与C4被形成于第二层与接地层之间。当两个三阶滤波器结构被串联在一起时，可形成一五阶滤波器；而三个三阶滤波器结构被串联在一起时，则可形成一七阶滤波器，其下则依此类推。由于在同一层上的邻接金属带之间的互感值远小于在不同层上两个重叠的金属带之间的互感值，故电感L1与L5之间的互感值可被忽略不计而只考虑电感L1与L3之间以及L3与L5之间的互感值。另外，电感L1与L3之间的互感值主要来自于电感L3的左手边，而电感L1与电感L3的右手边之间的互感值可被忽略不计。同样地，电感L5与电感L3的左手边之间的互感值亦可被忽略不计。
请参阅图15与图16。图15为根据本发明的另一五阶滤波器130的一电路模型。图16为本发明的一第六实施例的立体图，其中显示五阶滤波器130实现于一多层基板中。五阶滤波器130经由将两个三阶滤波器结构串联在一起来得到，例如图12所示的三阶滤波器110。五阶滤波器130包含两对并接的电容C2与C2’及C4与C4’。
根据相同的原理，可实现较高阶数的低通滤波器以得到更佳的性能。请参阅图17与图18。图17为根据本发明的一七阶滤波器140的一电路模型。图18为本发明的一第七实施例的立体图显示七阶滤波器140被实现于一多层基板中。七阶滤波器140经由将三个三阶滤波器结构串联在一起来得到。在了解了三阶滤波器50与五阶滤波器120之间的差别后，要得到从五阶滤波器120到七阶滤波器140的改进是轻而易举的。
在第三层与第四层上，一螺旋电感142形成电感L3，电感L3由七阶滤波器140的一左侧区域延伸至七阶滤波器140的一中间区域。同样地，在第五层与第六层上，一螺旋电感144形成电感L5，电感L5由七阶滤波器140的一中间区域延伸至七阶滤波器140的一右侧区域。七阶滤波器140与五阶滤波器120的一个不同的处在于其每个电感都是利用多层基板中的两层来实现。在图18中的虚线146用以指示在电感L1与L3之间的分隔线，同样亦为电感L5与L7之间的分隔线。因此，电感L1与L5位于多层基板的第五层与第六层上，而电感L3与L7则位于多层基板的第三层与第四层上。利用较多层数来实现电感可减小每层所需面积，或于相同面积实现较高电感值。
总而言之，本发明的低通滤波器利用在电感之间引入一负互感值以改善截止频带中的截止率。本发明的椭圆滤波器的较佳实施方式为形成于一多层陶瓷基板中，如一低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)基板，以减少滤波器的尺寸。在上述所有实施例的电路中，螺旋电感可为矩形、圆形或八边形。电感亦可利用一层以上来实现以创造较大的电感值或用以控制电感之间的互感值。同样地，电容也可利用较多介质层来实现，以在较小区域内达到较高的电容值，或利用较少介质层来得到上以减少所需的层数。总层数相对于每层面积的关系可根据尺寸与成本的要求做最佳化。用于低通滤波器中的每个电容可为一“金属层-绝缘层-金属层”(Metal-Insulation-Metal，MIM)电容。
经由实验已证明本发明的低通滤波器在截止频带中具有优异的截止率，而与相同阶数的常规低通滤波器相比，也已发现在通频带边缘具有较佳的下降率。由邻接的电感所产生的负互感值使低通滤波器以常规低通滤波器的结构来得到常规椭圆低通滤波器的频率响应。本发明的低通滤波器因此可使用更少的电感，且所需电路面积更小。
与常规技术相比较，经由利用负互感值使本发明的集总元件低通滤波器，截止频带中的截止率得以改进，而不需增加额外的电路元件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所进行的等效变化与修改，均应属本发明的涵盖范围。
Claims (20)
1.一种低通滤波器，形成于一多层基板中，该低通滤波器包含：
一第一电容，形成于该多层基板中的至少一层上且电连接到一第一节点；
一第一电感，与该第一电容电连接到该第一节点；以及
一第二电感，与该第一电感及该第一电容电连接到该第一节点；
其中在该第一电感与该第二电感之间存在负互感值。
2.如权利要求1所述的低通滤波器，其中每个第一电感与第二电感以螺旋状导体来实现。
3.如权利要求2所述的低通滤波器，其中该第一电感与该第二电感具有相反旋转方向以形成负互感值于该第一电感与该第二电感之间。
4.如权利要求2所述的低通滤波器，其中该第一电感与该第二电感具有一矩形、圆形或八边形的形状。
5.如权利要求1所述的低通滤波器，其中每个第一电感与第二电感形成在该多层基板中的至少一层上。
6.如权利要求1所述的低通滤波器，其中该第一电容电连接到接地端。
7.如权利要求1所述的低通滤波器，其中该第一电感的有效电感值等于该第一电感的电感值减去在该第一电感与第二电感之间的互感值，而该第二电感的有效电感值等于该第二电感的电感值减去在该第一电感与第二电感之间的互感值。
8.如权利要求1所述的低通滤波器，其中该多层基板为一低温共烧陶瓷基板。
9.如权利要求1所述的低通滤波器，其中该第一电容为一“金属层-绝缘层-金属层”电容。
10.一种n阶低通滤波器，形成于一多层基板中，该n阶低通滤波器包含：
一第一电容，形成于该多层基板中的至少一层上且电连接到一第一节点；
一第一电感，与该第一电容电连接到该第一节点；
一第二电感，电连接在该第一节点与一第二节点之间；以及
m个电容-电感对，每个电容-电感对包含一电容以及一电感，该电容电连接到该电容-电感对的一初始节点，该电感电连接在该电容-电感对的该初始节点与一最终节点之间，其中该第二节点为一第一电容-电感对的初始节点，且每个后继的电容-电感对的初始节点即为每个在前的电容-电感对的最终节点；
其中负互感值存在于彼此被电连接到一共同节点的电感之间；以及
其中n＝2×m+3，n为一大于1的奇数整数，且m为一非负整数。
11.如权利要求10所述的低通滤波器，其中每个电感以螺旋状导体来实现。
12.如权利要求11所述的低通滤波器，其中彼此电连接到一共同节点的电感之间具有相反方向以形成负互感值于该电感之间。
13.如权利要求11所述的低通滤波器，其中每个电感具有一矩形、圆形或八边形的形状。
14.如权利要求10所述的低通滤波器，其中每个电感形成在该多层基板中的至少一层上。
15.如权利要求10所述的低通滤波器，其中每个电容电连接到接地端。
16.如权利要求10所述的低通滤波器，其中每个电容形成在该多层基板中的至少一层上。
17.如权利要求10所述的低通滤波器，其中在该低通滤波器中每个电感的有效电感值等于该电感的电感值减去在该电感及每个与其电连接到共同节点的电感之间的互感值。
18.如权利要求17所述的低通滤波器，其中在该低通滤波器中每个电感及未与其电连接到共同节点的电感之间具有可忽略的互感值。
19.如权利要求10所述的低通滤波器，其中该多层基板为一低温共烧陶瓷基板。
20.如权利要求10所述的低通滤波器，其中每个电容为一“金属层-绝缘层-金属层电容”。
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