CN203218415U

CN203218415U - 一种基于磁电耦合抵消技术的宽阻带ltcc带通滤波器

Info

Publication number: CN203218415U
Application number: CN 201320137751
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 代鑫; 蔡泽煜; 胡斌杰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-03-25
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-03-25

Abstract

本实用新型公开一种基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，包括两个四分之一波长谐振器，金属地板和一对馈电结构。谐振器和馈电贴片分布在四层导体层上。第一层是有大块馈电贴片和CPW馈电口的馈电层，第二层和第四层分布两个四分之一波长谐振器，第三层是接地层。馈电贴片采用宽边耦合的方式将能量传输到谐振器上。谐振器之间通过边耦合传输能量，两个谐振器之间同时存在磁耦合和电耦合，距离接地端较近区间的耦合以磁耦合为主，谐振器的开路端附近区间的耦合以电耦合为主，调节磁耦合及电耦合的强度可以方便地调节滤波器传输零点的位置。本实用新型具有多传输零点，选择性和阻带抑制性能优良，结构紧凑。

Description

一种基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种基于LTCC工艺的宽阻带带通滤波器，特别是涉及利用磁电混合耦合产生多个传输零点，可应用于射频前端电路中的带通滤波器。

背景技术

随着信息产业的飞速发展，各种通信系统不断涌现，无线通信技术的飞速发展以及全球通信频段的日益紧张更是对微波滤波器提出了更加严格的要求。现代滤波器要求具有高性能，小尺寸，宽阻带，低造价等特性。其中，小尺寸，宽阻带是单通带滤波器性能的重要指标。

现有的滤波器实现阻带抑制的方法有很多种，第一种方法是利用电磁信号的多径传输，在某一频点多径传输的电磁场相位相反，相互抵消，产生零点，这种方法可以利用交叉耦合实现，也可以利用源负载耦合（source-load couple）实现；第二种方法是利用阶跃阻抗谐振器（SIR），这种谐振器可以将滤波器的二次谐波推后到通带中心频率的2.5-3倍左右的频率上，二次谐波中心频率与通带中心频率的比值取决于SIR的结构，用多个不同结构的有相同通带中心频率的阶跃阻抗谐振器串联，即可实现阻带的抑制；第三种方法是利用传输线的四分之一波长倒置性，当一端开路的四分之一波长传输线连接在输入输出端口时，开路端等效到输入输出端口为短路，从而将电磁波全部放射回去，于是产生了传输零点，马刺线就是其中的一种应用，当马刺线的电波长等于四分之一波长时，马刺线连接I/O端口的位置就被短路掉，在该频点上就产生了传输零点；其他方法还有使用椭圆函数滤波器等。

然而，现有的阻带抑制滤波器都有较为复杂的结构，或者存在尺寸较大，插损大等问题。

实用新型内容

为克服以上提到的滤波器多传输零点与结构复杂、体积大之间的设计矛盾，本实用新型提供了一种基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器。该滤波器采用LTCC（Low Temperature Co-Fired Ceramic低温共烧陶瓷）技术，极大地缩小了带通滤波器的体积。LTCC多层结构的滤波器除了具有小型化、轻量化的优点，还具有成本低，有利于批量生产，良好的高频性能，插损小等传统微带滤波器没有的特点。

本实用新型采用如下技术方案实现：

基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其包括四层介质基板和四层导体层，四层介质基板从上到下依次为第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板，所述的四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板；所述第一导体层印制于第一介质基板上表面，第二导体层印制于第二介质基板上表面，第三导体层印制于第三介质基板上表面，第四导体层印制于第四介质基板上表面；所述印制采用LTCC印刷工艺。

进一步的，所述第一导体层由一对结构相同的馈电结构组成，这对结构相同的馈电结构呈镜像对称，每一个馈电结构包括一块馈电贴片、一个CPW馈电口和一个L型金属微带线，L型金属微带线连接在馈电贴片靠近前述镜像对称中心的一侧，并与对称中心另一侧的L型金属微带线构成源负载耦合，源负载耦合在滤波器通带左边产生了一个传输零点；CPW馈电口通过接地金属化过孔连接到第三导体层。

进一步的，第二导体层和第四导体层上分布有两个四分之一波长谐振器；每个四分之一波长谐振器均有一部分位于第二导体层，另一部分位于第四导体层上，这两部分通过第二金属化过孔相连，金属化过孔穿过位于第三导体层上的开孔，且金属化过孔不与第三导体层直接接触；四分之一波长谐振器的短路端位于第二导体层且通过第一金属化过孔连接到第三导体层；所述两个四分之一波长谐振器在第二导体层和第四导体层上均呈镜像对称分布，位于同一导体层上的四分之一波长谐振器部分通过边耦合产生磁电耦合，四分之一波长谐振器在第二导体层上的耦合部分为谐振器短路端，以磁耦合为主；四分之一波长谐振器在第四导体层上的耦合部分为谐振器开路端，以电耦合为主。

进一步的，所述第三导体层为金属地板，第三导体层上有两个开孔供所述金属化过孔穿过，并且金属化过孔和金属地板之间留有间隙。

本实用新型采用四分之一波长谐振器，相较于二分之一波长谐振器，有效地减小了滤波器的尺寸；并且，采用了LTCC多层结构工艺制造，通过在不同层放置馈电贴片和谐振器，用金属过孔将不同层的微带线连接起来，使滤波器结构更加紧凑；除此之外，本实用新型还利用不同介质厚度实现SIR（Stepped-Impedance Resonator阶跃阻抗谐振器），这样可以减小电耦合量，有效减小电耦合间距以达到减小尺寸的作用，同时更加方便滤波器传输零点的调节。

该滤波器的第一导体层上的两个L型金属微带线，形成了源负载耦合，这样就在通带左边产生了一个零点；在第二导体层，四分之一波长谐振器短路端相互耦合，并以磁耦合为主，在第四导体层，四分之一波长谐振器开路端相互耦合，并以电耦合为主，电耦合和磁耦合相互抵消产生了三个传输零点，通过调节谐振器电耦合和磁耦合的强度可以方便调节零点位置；以上两种耦合方式产生了多个可控传输零点，提高了滤波器的通带选择性，抑制了滤波器的高次谐波，获得了较宽的阻带。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、采用LTCC多层工艺，使滤波器的结构更加紧凑，有效减小滤波器尺寸；

2、第一导体层上的两个L型金属微带线构成的源负载耦合，在通带左边产生一个零点，提高了滤波器的选择性；

3、分布在第二导体层和第四导体层上的四分之一波长谐振器在短路端和开路端相互耦合，短路端以磁耦合为主，开路端以电耦合为主，电耦合和磁耦合相互抵消产生了三个传输零点，通过调节谐振器电耦合和磁耦合强度可以方便调节零点位置，这些零点有效地抑制了滤波器的高次谐波，使滤波器获得了极宽的阻带；

4、馈电贴片与谐振器之间通过宽边耦合实现能量传递，宽边耦合强度决定外部Q值，两个四分之一波长谐振器之间的电耦合与磁耦合量的总和决定耦合系数K，调节Q和K这两个量可以改变带宽，具有很好的灵活性。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构分层示意图；

图2是本实用新型的第一导体层俯视示意图；

图3是本实用新型的第二导体层俯视示意图；

图4是本实用新型的第三导体层俯视示意图；

图5是本实用新型的第四导体层俯视示意图；

图6是本实用新型的带通滤波器实施例的频率响应特性曲线图。

具体实施方式

为了更加清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施不限于此。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种基于磁电耦合相消技术的宽阻带LTCC二阶带通滤波器，整个滤波器为LTCC多层结构，由四层介质基板和四层导体层组成：第一导体层位于第一介质基板表面，第二导体层位于第一介质基板1和第二介质基板2之间，第三导体层位于第二介质基板2和第三介质基板3之间，第四导体层位于第三介质基板3和第四介质基板4之间；四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板，第一导体层印制于第一介质基板1上表面，第二导体层印制于第二介质基板2上表面，第三导体层印制于第三介质基板3上表面，第四导体层印制于第四介质基板4上表面。

如图2所示，第一层金属导体由一对结构相同的馈电结构组成，呈镜像对称放置，每一个馈电结构由一块馈电贴片5，一个CPW馈电口6和一个L型金属微带线7构成，L型金属微带线7连接在馈电贴片5靠近对称中心的一侧，并与对称中心另一边的L型金属微带线7构成源负载耦合，源负载耦合在通带左边产生了一个传输零点，调节两者之间耦合的间距可改变源负载耦合的强度，从而改变通带左边零点的位置；CPW馈电口通过接地金属化过孔11连接到地板9；此外，馈电贴片5与通过宽边耦合的方式实现馈电端与谐振器之间的能量传送，改变馈电贴片的大小和位置能改变外部Q值的大小，外部Q值与谐振器耦合系数K共同决定了滤波器带宽。

如图3所示，两个四分之一波长谐振器的短路端对称布置在第二层金属导体，在这一层的谐振器的一端通过第二金属化过孔13连接到第四导体层，第四导体层是谐振器开路端所在层，第二金属化过孔13穿过了地板层上面的开孔14，与地板没有直接的物理接触；谐振器的短路端通过第二金属化过孔13连接到地板。两个谐振器的短路端构成边耦合，通过调节耦合部分的金属微带线的长度L13和它们之间的耦合宽度W3可以调节电磁耦合强度，由于耦合部分为谐振器短路端，所以电磁耦合以磁耦合作用为主，图3中矩形虚线圈出的即为边磁耦合区域。

如图4所示，第三导体层为金属地板9，上面有两个开孔14，连接第二层导体和第四层导体的第二金属化过孔13从这两个开孔穿过，这两个开孔的半径要大于第二金属化过孔13，这样就保证金属化过孔不会和金属地板9有物理连接。连接在金属地板上的还有与第二导体层谐振器短路端相连接的两个第一金属化过孔12，与第一导体层CPW馈电口相连接的四个接地金属化过孔11。

如图5所示，两个四分之一波长谐振器的开路端对称布置在第四导体层，这一层的谐振器的一端通过第二金属化过孔13连接到第二导体层。两个谐振器的开路端构成边耦合，耦合部分的金属微带线的长度L16和它们之间的耦合宽度W5可以调节电磁耦合强度，耦合部分为谐振器开路端，以电耦合作用为主，图5中矩形虚线圈出的即为边电耦合区域。

在本实施例中，通带中心频率由四分之一波长谐振器长度决定，通带左边零点的位置主要由源负载耦合强度决定，通带右边的三个零点位置主要由磁电耦合特性决定，谐振器的电耦合端和磁耦合端在这三个频点上相互抵消，形成传输零点；滤波器外部Q值由馈电贴片大小决定，耦合系数K由谐振器电耦合及磁耦合强度的和决定，外部Q值和耦合系数K共同决定了通带带宽。通过调节上述所指出的谐振器长度，源负载耦合，磁电耦合，本实施例获得了所需的通带和阻带特性。

下面对本实施例的各项参数描述如下（仅作为实例，本实用新型的实施不限于此）：

如图2所示，L1为0.4mm，L2为1012 mm， L4为0.65mm，L5为0.5mm，L7为0.6mm，L8为1.27mm， W1为0.1mm，W2为0.1mm；如图3和图5所示，L10为0.154mm，L11为0.3mm，L12为0.4mm，L13为1.8mm，L14为1.45mm，L15为0.34mm，L16为1.57mm，L17为0.44mm，W4和W6一样为0.2mm，W3为0.23mm，W5为0.36mm；第一层介质厚度为0.15mm，第二层介质厚度为0.3mm，第三层介质厚度为0.15mm，第四层介质厚度为0.1mm。导体层采用的是金属银，介质基板材料为陶瓷，相对介电常数Er为7.6，介质损耗正切tan为0.005，整个器件体积为3.2mm×2.8mm×0.7mm。

该滤波器的响应结果如图6所示，图中包含两条曲线S（1,2）、S（2，1），由于滤波器结构的对称性，滤波器的另外两条响应曲线S（2，2）和S（1，2）分别与S（1,2）、S（2，1）相同，该滤波器工作于2.4Ghz，通带最小插入损耗为1.8dB，通带内回波损耗约为30dB，紧靠在通带上边频和通带下边频处各有一个传输零点，使得该滤波器的具有非常好的选择性，在6.4Ghz和9.1Ghz处有两个传输零点，有效地抑制了阻带，在2.6Ghz到9.4Ghz之间阻带全部抑制在-25dB以下，可见，该滤波器具有非常好的选择性和宽阻带抑制性，同时具有较好的带内特性。

综上，本实用新型提供的基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器具有体积小，宽阻带，插损小的优异性能，可加工为贴片元件，易于与其他电路模块集成，可广泛应用于无线通讯系统的射频前端中。

以上所描述是实施例是本实用新型中的一个较好的实施例，并不用以限制本实用新型。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本实用新型所作的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本实用新型实施例的保护范围。

Claims

1.基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其特征在于包括四层介质基板和四层导体层，四层介质基板从上到下依次为第一介质板（1）、第二介质板（2）、第三介质板（3）和第四介质板（4），所述的四层介质基板均为LTCC陶瓷介质基板；所述第一导体层印制于第一介质基板（1）上表面，第二导体层印制于第二介质基板（2）上表面，第三导体层印制于第三介质基板（3）上表面，第四导体层印制于第四介质基板（4）上表面。

2.根据权利要求1所述的基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，所述第一导体层由一对结构相同的馈电结构组成，这对结构相同的馈电结构呈镜像对称，每一个馈电结构包括一块馈电贴片（5）、一个CPW馈电口（6）和一个L型金属微带线（7），L型金属微带线（7）连接在馈电贴片（5）靠近前述镜像对称中心的一侧，并与对称中心另一侧的L型金属微带线（7）构成源负载耦合，源负载耦合在滤波器通带左边产生了一个传输零点；CPW馈电口通过接地金属化过孔（11）连接到第三导体层（9）。

3.根据权利要求1所述的基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，其特征在于第二导体层和第四导体层上分布有两个四分之一波长谐振器；每个四分之一波长谐振器均有一部分位于第二导体层，另一部分位于第四导体层上，这两部分通过第二金属化过孔（13）相连，金属化过孔（13）穿过位于第三导体层上的开孔（14），且金属化过孔（13）不与第三导体层直接接触；四分之一波长谐振器的短路端位于第二导体层且通过第一金属化过孔（12）连接到第三导体层；所述两个四分之一波长谐振器在第二导体层和第四导体层上均呈镜像对称分布，位于同一导体层上的四分之一波长谐振器部分通过边耦合产生磁电耦合，四分之一波长谐振器在第二导体层上的耦合部分为谐振器短路端，以磁耦合为主；四分之一波长谐振器在第四导体层上的耦合部分为谐振器开路端，以电耦合为主。

4.根据权利要求3所述的基于磁电耦合抵消技术的宽阻带LTCC带通滤波器，所述第三导体层为金属地板（9），第三导体层上有两个开孔（14）供所述金属化过孔（13）穿过，并且金属化过孔（13）和金属地板之间留有间隙。