CN210609090U - 一种小型化高抑制ltcc柱型电感带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，包括陶瓷基体、外部输入电极、外部输出电极、外部接地电极；陶瓷基体内部包括四个并联谐振、两个接地极板、五个串联连接电容及一个源‑负载耦合电容。本实用新型具有小型化、近端抑制高、成本低、批量一致性高、结构新颖等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是滤波器技术领域，具体涉及一种小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器。
背景技术
随着全球信息化进程的不断加快，通讯行业迎来了迅猛的发展。通讯行业的高速发展以及市场需求的日益加剧，对通讯设备提出了更高的要求。通讯设备的高性能、高集成度、高可靠性、低成本已经成为其未来发展的必然趋势。
低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic)技术自上世纪80年代提出以来，在微波无源器件的设计制作上得到了广泛的应用。LTCC技术相较传统薄膜技术其多层结构使模块的集成度更高，尺寸更小；以金、银、铜等高电导率材料作为印刷电路浆料，降低模块功率损耗。LTCC技术具有高Q值，高可靠性等特点，已大量应用于小型化电子设备的制作。
带通滤波器作为通讯设备不可或缺的器件，广泛应用于WLAN、DSTV、Bluetooth、卫星电视、PHS和无绳电话机中。现阶段带通滤波器主要分为两种结构用以实现：其一是通过传统低通滤波器与高通滤波器串联实现，该结构具有通带宽，插损小等优点，但在设计过程中具有结构复杂，寄生耦合现象多，调试困难，生产批量一致性差等难点。其二是通过传统带通滤波器结构，该结构具有抑制高，结构简单等优点，但实际设计的产品通带宽度小，插损较大。
因此如何选择合适的结构，克服现有带通滤波器结构上的瓶颈，实现电气性能优良，生产批量一致性高的LTCC带通滤波器是目前LTCC带通滤波器设计所面对的一个关键问题。
实用新型内容
本实用新型提出一种小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，旨在解决现有带通滤波器结构选择困难、近端抑制低、生产批量一致性差、调试困难等问题。该滤波器极大降低了电感量，并采用垂直直插式(VIC)电容结构，在相同的面积下大大增加并联谐振电容的电容量，使电感与谐振电容并联形成的并联谐振谐振量大，所设计出的带通滤波器近带抑制更高。同时又通过引入源-负载耦合电容，增加通带近端抑制量。该滤波器内部四个并联谐振采用镜像对称结构，并在陶瓷基体内部顶层增加一层接地层，优化内部布局，降低设计难度，大大减小了滤波器体积，该滤波器体积仅为3.2mm×2.5mm×1.5mm。本实用新型具体技术方案如下：
一种小型化高抑制LTCC电感柱型带通滤波器，包括陶瓷基体、外部输入电极、外部输出电极、外部接地电极；所述外部输入电极、外部输出电极对称印刷在陶瓷基体左右两侧；所述外部接地电极对称印刷在陶瓷基体前后两侧；所述陶瓷基体内部包括四个并联谐振、两个接地极板、五个串联连接电容及一个源-负载耦合电容C04；所述两个接地极板包括第一接地极板SD1、第二接地极板SD2，其中第二接地极板SD2采用缺陷地结构，包括四个圆形缺陷；所述五个串联连接电容包括输入电容C0、第一串联电容C1、第二串联电容C2、第三串联电容C3、输出电容C4；
所述四个并联谐振呈田字型左右对称分布在陶瓷基体内部，包括由第一电感L1和第一谐振电容C10并联构成的第一并联谐振，由第二电感L2和第二谐振电容C20并联构成的第二并联谐振，由第三电感L3和第三谐振电容C30并联构成的第三并联谐振，由第四电感L4和第四谐振电容C40并联构成的第四并联谐振；所述的第一并联谐振与第二并联谐振间通过第一串联电容C1连接，第二并联谐振与第三并联谐振间通过第二串联电容C2连接，第三并联谐振与第四并联谐振间通过第三串联电容C3连接；
所述陶瓷基体内部共分六层，其中第一层与第五层为第一接地层SD1与第二接地层SD2，其中第二接地层SD2为缺陷地结构，包括四个圆形缺陷，两层接地层均与陶瓷基体外部接地电极相连；
所述输入电容C0位于陶瓷基体第二、三、四层，第二层与第四层间极板通过过孔柱相连，第三层极板与外部输入电极相连；
所述第一谐振电容C10位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连，第四层极板通过传输线与输入电容C0下极板相连；所述第一电感L1位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第一谐振电容C10上极板相连；
所述第二谐振电容C20位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连；所述第二电感L2位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第二谐振电容C20上极板相连，通过传输线与第一串联电容C1上极板相连；
所述输出电容C4位于陶瓷基体第二、三、四层，第二层与第四层间极板通过过孔柱相连，第三层极板与外部输出电极相连；
所述第四谐振电容C40位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连，第四层极板通过传输线与输出电容C4下极板相连；所述第四电感L4位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第四谐振电容C40上极板相连；
所述第三谐振电容C30位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连；所述第三电感L3位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第三谐振电容C30上极板相连，通过传输线与第三串联电容C3上极板相连；
所述第二串联电容C2位于陶瓷基体第三层，由两极板构成，两极板分别通过过孔柱与第二谐振电容C20和第三谐振电容C30的第四层上极板相连；所述源-负载耦合电容C04位于陶瓷基体第三层，采用C型结构分别与第一谐振电容C10上极板和第四谐振电容C40上极板形成耦合。
进一步地，第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4采用柱型金属孔柱实现，通过调节金属孔柱的高度及半径调整电感量的大小；
第一谐振电容C10、第二谐振电容C20、第三谐振电容C30、第四谐振电容C40及输入电容C0、输出电容C4采用垂直直插式电容极板实现，通过调节极板间间距及极板正对面积小来调节电容值；
第一串联电容C1、第一串联电容C2、第一串联电容C3、第四串联电容C4及源-负载耦合电容C04采用对平板式电容极板实现，通过调节极板间间距及极板正对面积小来调节电容值。
进一步地，第一电感L1、第二电感L2、第一谐振电容C10、第二谐振电容C20、第一串联电容C1的结构与第三电感L3、第四电感L4、第三谐振电容C30、第四谐振电容C40的结构呈镜像对称。
进一步地，第二串联电容C2与第三串联电容C3结构呈中心对称。
进一步地，陶瓷体材料为介电常数9.8，损耗角正切0.003的陶瓷材料，外部接地电极、外部输入电极、外部输出电极采用银材料印刷。
进一步地，滤波器整体尺寸为3.2mm×2.5mm×1.5mm。
进一步地，滤波器的通带范围为2.21-2.41GHz，通带最大插入损耗为2dB，在低端阻带0-1.95GHz抑制大于25dB，在2.1GHz处产生传输零点，抑制达到30dB；在高端阻带2.60GHz-3GHz抑制大于25dB，在2.53GHz处产生传输零点，抑制达到29dB。
本实用新型的有益效果如下：
(1)创新地使用了柱型电感，避免了传统多层螺旋式折线电感体积大、层与层间的寄生耦合效应以及在实际LTCC工艺生产时印刷不均匀等问题。同时通过使用柱型电感，能够大大降低电感量，加强并联谐振的谐振效果。
(2)引入上下两层接地层结构。顶层接地层的引入使得电感能直接接地，避免了多余的传输线和通孔，减小不必要的寄生耦合现象，降低了设计的复杂度。底层接地层采用缺陷地结构，通过接地层上四个圆形缺陷，使得并联谐振电容实现极板-地-极板的垂直直插式(VIC)结构，大大增加了单位面积的电容量，与柱型电感的小电感量相结合，大幅的提升在有限区域内的谐振量，使设计出的带通滤波器近带抑制更高。
(3)通过引入C型源-负载耦合电容，增加近端阻带抑制，极大的增加了空间的利用率。所设计出的带通滤波器在低端2.1GHz处抑制达到30dB，在高端2.53GHz处抑制达到29dB，有良好的的电气性能。
(4)陶瓷基体内部整体采用镜像对称结构，同时四个并联谐振又采用田字左右对称布局，使得内部结构更为简单，设计过程中调整量大大减少。同时四个串联连接电容均采用公用极板的结构，通过单层极板直接与所连接的电容进行耦合，减少了不必要的极板，降低了模型结构的复杂度。
附图说明
图1为本实用新型的LTCC带通滤波器的等效电路原理图；
图2为本实用新型的LTCC带通滤波器的外部结构示意图；
图3为本实用新型的LTCC带通滤波器的内部整体结构示意图；
图4为本实用新型的LTCC带通滤波器的正视结构示意图；
图5为本实用新型的LTCC带通滤波器的第1层平面结构图；
图6为本实用新型的LTCC带通滤波器的电感柱3D结构图；
图7为本实用新型的LTCC带通滤波器的第2层平面结构图；
图8为本实用新型的LTCC带通滤波器的第3层平面结构图；
图9为本实用新型的LTCC带通滤波器的第4层平面结构图；
图10为本实用新型的LTCC带通滤波器的第5层平面结构图；
图11为本实用新型的LTCC带通滤波器的第6层平面结构图；
图12为本实用新型的LTCC带通滤波器的S11仿真结果图；
图13为本实用新型的LTCC带通滤波器的S21仿真结果图；
具体实施方式
为了更清楚详细的产生本实用新型的技术实施方案，以下结合附图和优选实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不局限于本实用新型。
图1为本实用新型的LTCC带通滤波器的等效电路原理图。如图1所示，本实用新型采用传统四阶带通滤波器结构，包括由电容C10与电感L1并联构成的第一谐振单元，电容C20与电感L2并联构成的第二谐振单元，电容C30与电感L3并联构成的第三谐振单元，电容C40与电感L4并联构成的第四谐振单元及输入电容C0、输出电容C4与三个串联电容C1、C2、C3。四个谐振单元相互独立，通过三个串联连接电容C1、C2、C3相互连接，第一谐振单元与第四谐振单元又通过引入源-负载耦合电容C04相互连接，增加通带近端抑制。
图2为本实用新型的LTCC带通滤波器的外部结构示意图，包括陶瓷基体外壳、外部输入电极、外部输出电极及外部接地电极。本实用新型外部整体尺寸为3.2mm×2.5mm×1.5mm，采用介电常数9.8，损耗角正切0.003的陶瓷材料。外部输入电极、外部输出电极、外部接地电极均采用银材料印刷在陶瓷基体上，外部输入电极、外部输出电极对称印刷在陶瓷基体左右两侧的中部；外部接地电极分前后两部分，对称印刷在陶瓷基体前后两侧。
图3和图4分别为本实用新型的LTCC带通滤波器的内部整体结构示意图和正视结构示意图。从两图中可清楚的看到内部整体共分六层，其中柱状结构的电感在第一层与第二层间，内部整体结构采用垂直互联结构。第一层与第五层为接地极板，其中第五层的第二接地极板SD2带有四个圆形缺陷，呈田字型左右对称分布，四个缺陷圆半径均为0.128mm。第一层与第二层间为四个电感L1、L2、L3、L4，均为半径为0.08mm，高度为1.16mm的圆柱体，其中L1、L2分别与L4、L3呈镜像对称。四个电感柱上端直接与第一接地极板SD1相连，减少不必要的传输线与过孔柱，避免多余的寄生耦合现象。L1下端通过过孔柱与第一谐振电容C10第四层上极板相连，构成第一并联谐振。L2下端通过过孔柱与连接第一串联电容C1上极板的传输线和第二谐振电容C20上极板相连，构成第二并联谐振。相同的，第一谐振单元和第二谐振单元分别与第四谐振单元和第三谐振单元呈镜像对称，整体结构布局上相同。具体到各谐振单元的谐振电感，如前文所述四个谐振单元为对称结构，因此第一谐振电容C10与第四谐振电容C40、第二谐振电容C20与第三谐振电容C30结构大小均相同，在此处只阐述第一谐振电容C10与第二谐振电容C20结构。第一谐振电容C10与第二谐振电容C20均采用垂直直插式(VIC)结构，第一谐振电容C10第四层上极板与第六层下极板间通过通孔穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连接，与第二接地层SD2构成极板-地-极板的垂直直插式电容结构。相同的，第二谐振电容C20第四层上极板与第六层下极板间通过通孔穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连接，与第二接地层SD2构成极板-地-极板的垂直直插式电容结构。
输入电容C0与输出电容C4同样采用垂直直插式(VIC)结构，两者呈镜像对称，在此处只阐述输入电容C0结构。输入电容C0第四层下极板通过传输线与第一谐振电容上极板连接；第二层上极板通过通孔与下极板相连；中间层为第三层输入极板，连接外部输入电极，三层极板构成极板-输入-极板的垂直直插式结构，在相同单位面积下的电容量更大。第一串联电容C1与第三串联电容C3呈镜像对称，结构大小相同，采用对平板式结构，第三层上极板分别通过传输线与第二电感L2、第三电感L3下端过孔柱相连，并与第一并联谐振C10、第四并联谐振C40第五层上极板构成对平板式(MIM)电容，避免引入了多余极板。第二串联电容C2第三层两块极板通过过孔柱分别与第二谐振电容C20和第三谐振电容第四层上极板相连。第三层下侧极板延伸第三谐振电容C30上极板，上侧极板延伸第二谐振电容C20上极板，两者相互耦合形成第二串联电容C2，采用该种结构的电容电容量大，能够独立的控制两片极板的电容量，便于调试。源-负载耦合电容C04位于陶瓷基体第三层，采用C型结构分别与第一谐振电容C10上极板和第四谐振电容C40上极板耦合形成电容。
上文所述的带通滤波器各层与电感具体结构如图5-图11所示。
图12-图13为本实用新型带通滤波器S参数结果仿真图。如图所示，该带通滤波器的通带范围为2.21-2.41GHz，通带最大插入损耗为2dB，在低端阻带0-1.95GHz抑制大于25dB，在2.1GHz处产生传输零点，抑制达到30dB；在高端阻带2.60GHz-3GHz抑制大于25dB，在2.53GHz处产生传输零点，抑制达到29dB。
本实用新型具有结构新颖简单，近带抑制高，便于调试，生产批量一致性高等优点，适合LTCC工艺批量生产。
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，并不以上述实施方式限制本实用新型。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，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (7)
1.一种小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，包括陶瓷基体、外部输入电极、外部输出电极、外部接地电极；所述外部输入电极、外部输出电极对称印刷在陶瓷基体左右两侧；所述外部接地电极对称印刷在陶瓷基体前后两侧；所述陶瓷基体内部包括四个并联谐振、两个接地极板、五个串联连接电容及一个源-负载耦合电容C04；所述两个接地极板包括第一接地极板SD1、第二接地极板SD2，其中第二接地极板SD2采用缺陷地结构，包括四个圆形缺陷；所述五个串联连接电容包括输入电容C0、第一串联电容C1、第二串联电容C2、第三串联电容C3、输出电容C4；
所述四个并联谐振呈田字型左右对称分布在陶瓷基体内部，包括由第一电感L1和第一谐振电容C10并联构成的第一并联谐振，由第二电感L2和第二谐振电容C20并联构成的第二并联谐振，由第三电感L3和第三谐振电容C30并联构成的第三并联谐振，由第四电感L4和第四谐振电容C40并联构成的第四并联谐振；所述的第一并联谐振与第二并联谐振间通过第一串联电容C1连接，第二并联谐振与第三并联谐振间通过第二串联电容C2连接，第三并联谐振与第四并联谐振间通过第三串联电容C3连接；
所述陶瓷基体内部共分六层，其中第一层与第五层为第一接地层SD1与第二接地层SD2，其中第二接地层SD2为缺陷地结构，包括四个圆形缺陷，两层接地层均与陶瓷基体外部接地电极相连；
所述输入电容C0位于陶瓷基体第二、三、四层，第二层与第四层间极板通过过孔柱相连，第三层极板与外部输入电极相连；
所述第一谐振电容C10位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连，第四层极板通过传输线与输入电容C0下极板相连；所述第一电感L1位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第一谐振电容C10上极板相连；
所述第二谐振电容C20位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连；所述第二电感L2位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第二谐振电容C20上极板相连，通过传输线与第一串联电容C1上极板相连；
所述输出电容C4位于陶瓷基体第二、三、四层，第二层与第四层间极板通过过孔柱相连，第三层极板与外部输出电极相连；
所述第四谐振电容C40位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连，第四层极板通过传输线与输出电容C4下极板相连；所述第四电感L4位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第四谐振电容C40上极板相连；
所述第三谐振电容C30位于陶瓷基体第四、第六层，第四第六层极板通过过孔柱穿过第五层第二接地层SD2圆形缺陷相连；所述第三电感L3位于陶瓷基体第一层与第二层间，上端与第一接地层SD1相连，下端通过过孔柱与第三谐振电容C30上极板相连，通过传输线与第三串联电容C3上极板相连；
所述第二串联电容C2位于陶瓷基体第三层，由两极板构成，两极板分别通过过孔柱与第二谐振电容C20和第三谐振电容C30的第四层上极板相连；所述源-负载耦合电容C04位于陶瓷基体第三层，采用C型结构分别与第一谐振电容C10上极板和第四谐振电容C40上极板形成耦合。
2.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，
第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4采用柱型金属孔柱实现，通过调节金属孔柱的高度及半径调整电感量的大小；
第一谐振电容C10、第二谐振电容C20、第三谐振电容C30、第四谐振电容C40及输入电容C0、输出电容C4采用垂直直插式电容极板实现，通过调节极板间间距及极板正对面积小来调节电容值；
第一串联电容C1、第一串联电容C2、第一串联电容C3、第四串联电容C4及源-负载耦合电容C04采用对平板式电容极板实现，通过调节极板间间距及极板正对面积小来调节电容值。
3.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，第一电感L1、第二电感L2、第一谐振电容C10、第二谐振电容C20、第一串联电容C1的结构与第三电感L3、第四电感L4、第三谐振电容C30、第四谐振电容C40的结构呈镜像对称。
4.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，第二串联电容C2与第三串联电容C3结构呈中心对称。
5.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，陶瓷体材料为介电常数9.8，损耗角正切0.003的陶瓷材料，外部接地电极、外部输入电极、外部输出电极采用银材料印刷。
6.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，滤波器整体尺寸为3.2mm×2.5mm×1.5mm。
7.根据权利要求1所述的小型化高抑制LTCC柱型电感带通滤波器，其特征在于，滤波器的通带范围为2.21-2.41GHz，通带最大插入损耗为2dB，在低端阻带0-1.95GHz抑制大于25dB，在2.1GHz处产生传输零点，抑制达到30dB；在高端阻带2.60GHz-3GHz抑制大于25dB，在2.53GHz处产生传输零点，抑制达到29dB。
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| CN201922051955.0U CN210609090U (zh) | 2019-11-25 | 2019-11-25 | 一种小型化高抑制ltcc柱型电感带通滤波器 |
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| JPWO2021241208A1 (zh) * | 2020-05-25 | 2021-12-02 |
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2019
- 2019-11-25 CN CN201922051955.0U patent/CN210609090U/zh active Active
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| JPWO2021241208A1 (zh) * | 2020-05-25 | 2021-12-02 | ||
| JP7424483B2 (ja) | 2020-05-25 | 2024-01-30 | 株式会社村田製作所 | Ｌｃフィルタ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230718 Address after: 430000, Room 701, 7th Floor, Building 7, Guanggu SBI Entrepreneurship Street, Donghu New Technology Development Zone, Wuhan, Hubei Province Patentee after: Wuhan Meihaoheng Technology Co.,Ltd. Address before: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee before: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Effective date of registration: 20230718 Address after: 230000 floor 1, building 2, phase I, e-commerce Park, Jinggang Road, Shushan Economic Development Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Dragon totem Technology (Hefei) Co.,Ltd. Address before: 401.402, A1 / F, Zhejiang new science and Technology Park, no.2288, Jiangxi Road, Cao'e street, Shangyu District, Shaoxing City, Zhejiang Province Patentee before: CHINA JILIANG UNIVERSITY SHANGYU ADVANCED RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Patentee before: China Jiliang University |
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| TR01 | Transfer of patent right |