CN107134614B - 一种多层陶瓷微波带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多层陶瓷微波带通滤波器，属于微波功能器件技术领域。本发明包括端电极及位于介质层中的两接地金属层，两接地金属层之间设有间隔排列于同一平面的四个UIR结构，四个UIR结构均为宽边耦合的多层带状线结构，通过设置第一加强耦合金属层增强第一级UIR结构与第四级UIR结构之间耦合，设置第二加强耦合金属层增强四个UIR结构之间耦合，第一级UIR结构和第四级UIR结构分别设有输入输出端以外接电路。本发明通过设计新型耦合结构，能够降低能量的损耗，进而降低通带内插入损耗，能够实现频率低，带内波动小，无寄生通带且带外抑制好的微型化微波滤波器。
Description
技术领域
本发明属于微波功能器件技术领域，具体涉及一种多层陶瓷微波带通滤波器。
背景技术
微波通常是指波长处在1mm到1m(频率在300MHz到300GHz)的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波的基本性能通常呈现为穿透、反射、吸收这三个性能特征。由于这些特点，微波被广泛应用于雷达、微波炉、等离子发生器、传感器系统和无线网络系统(如手机网络、蓝牙、卫星电视、无线局域网等技术)等领域。
微波滤波器是射频电路中的关键无源部件，在系统中完成频率的选择功能，广泛应用于雷达，无线接收机等微波射频电路。随着工业技术的不断进步和发展，新型电子系统对组装密度和功能的要求不断增加，无源滤波器正朝着小型化，高性能的方向发展。
为了优化滤波器的性能和减小体积，基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramic，LTCC)技术的多层滤波器设计技术近来备受关注。LTCC技术具有高频特性好、可靠性高、适应性好、实现成本低等特点，能够将无源器件和有源器件有效的结合在一起，非常适合小型化射频微波电路的集成化发展。
然而，对于含有谐振器的电路的尺寸缩小的优化还存在许多有待解决的问题。微波滤波器的小型化已经成为一个热门的研究领域，在小型化的基础上提高性能是滤波器研究的主要内容。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种多层陶瓷微波带通滤波器，本发明通过设计新型耦合结构，增强各UIR谐振结构之间的耦合，从而使得器件具有中心频率较低、尺寸较小的、带外抑制好、带内波动小等特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多层陶瓷微波带通滤波器，包括：平形设置的端电极及介质层，介质层中内电极包括：
分别与两个端电极垂直相连的第一接地金属层和第二接地金属层，第一接地金属层和第二接地金属层之间设有间隔排列于同一平面的四个均匀阻抗谐振器，所述平面与两个接地金属层平行，四个均匀阻抗谐振器均为宽边耦合的多层带状线结构；
四个均匀阻抗谐振器下方平行设置有由第一金属片，第二金属片和第三金属片首尾相连形成的第一加强耦合金属层，其中：第一金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器正下方，第一金属片的首端设于第一均匀阻抗谐振器正下方，且通过沿第一均匀阻抗谐振器方向的第二金属片连接至第一端电极，第一金属片的尾端设于第四均匀阻抗谐振器正下方，且通过沿第四均匀阻抗谐振器方向的第三金属片连接至第二端电极；
四个均匀阻抗谐振器上方平行设置有由第四金属片，第五金属片和第六金属片相连形成的第二加强耦合金属层，其中：第四金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器正上方，第五金属片的首端与第四金属片在第二均匀阻抗谐振器正上方处相连，并且沿第二均匀阻抗谐振器方向连接至第二端电极，第六金属片的首端与第四金属片在第四均匀阻抗谐振器正上方处相连，并且沿第四均匀阻抗谐振器方向连接至第一端电极，
第一均匀阻抗谐振器远离接地端与第四均匀阻抗谐振器远离接地端分别设有第一金属层和第二金属层分别作为滤波器的输入端和输出端，其中：所述第一金属层和第二金属层采用抽头结构接外部电路。
进一步地，所述第一接地金属层和第二接地金属层均采用低温共烧陶瓷工艺制作，具体是在介质层上印刷银浆。
进一步地，为了降低谐振频率，本发明四个均匀阻抗谐振器的结构均采用五层相互隔离设置的带状金属通过宽边耦合形成的结构。
进一步地，本发明中任一均匀阻抗谐振器中各层带状金属通过第一端电极或第二端电极接地，其中，任意相邻两层带状金属实现接地所连接的端电极不一致。
作为优选实施方式，本发明中任一均匀阻抗谐振器的长度在4.65mm～4.75mm范围内，宽度在0.22mm～0.23mm范围内。
作为优选实施方式，本发明中任一均匀阻抗谐振器中任意相邻两层带状金属之间的距离为0.045mm～0.055mm。
作为优选实施方式，本发明中任意两个相邻的均匀阻抗谐振器之间的距离为0.57～0.59mm。
作为优选实施方式，本发明中第一接地金属层和第二接地金属层之间的距离为0.9mm～1.1mm。
作为优选实施方式，本发明中第一金属层和第二金属层的宽度均为0.085mm～0.950mm。
作为优选实施方式，本发明中第一加强耦合金属层设在距离均匀阻抗谐振器所在平面下方0.23mm～0.27mm处，其宽度为0.22mm～0.23mm；其中：第一金属片的长度为1.5～1.6mm。
作为优选实施方式，本发明中第二加强耦合金属层设在距离均匀阻抗谐振器所在平面下方0.28mm～0.31mm处，其宽度为0.15mm～0.23mm；其中：第四金属片的长度为1.7～2.0mm。
本发明微波滤波器采用低温共烧陶瓷工艺制作，由于四个UIR结构距离较远导致相互耦合较弱，这种弱耦合使得有用信号的传递受阻，因此本发明设计加强耦合金属层加强第一UIR结构、第二UIR结构、第三UIR结构及第四UIR结构之间的相互耦合，使得有用信号的传输能力增强，尤其是第二加强耦合金属层的设计是实现电压驻波比VSWR、带外抑制、通带损耗性能优化的关键结构。
本发明的有益效果是：
本发明是基于LTCC工艺制作的均匀阻抗谐振结构射频带通滤波器，本发明通过叠层技术向空间拓展，基于内连技术将一个带状线分布在不同平面内，通过设置任意相邻两层带状金属的接地方向相反，使得任意两条带状金属之间存在电位差，进而产生互电容和互电感；进一步地，本发明通过在单级均匀阻抗谐振结构之间设置加强耦合金属层，使得各谐振器之间电容耦合加强，进而降低能量的损耗，达到降低通带内插入损耗的目的，根据本发明实施例可以看出，通过合理设计结构参数和材料参数，能够实现频率低，带内波动小，无寄生通带且带外抑制好的微型化微波滤波器。
附图说明
图1为本发明基于LTCC工艺的微波带通滤波器的结构示意图；其中，图(a)为微波带通滤波器的三维立体结构示意图，图(b)为微波带通滤波器的三维立体结构的正视图，图(c)为微波带通滤波器的三维立体结构的俯视图，图(d)为微波带通滤波器的三维立体结构的左视图；图中1为第一接地金属层，2为第一加强耦合金属层，3为第一均匀阻抗谐振结构，4为第二均匀阻抗谐振结构，5为第三均匀阻抗谐振结构，6为第一均匀阻抗谐振结构，7为第一金属层，8为第二金属层，9为第二加强耦合金属层，10为第二接地金属层，11为介质层，12为第一端电极，13为第二端电极。
图2为本发明实施例基于LTCC工艺制得微波带通滤波器在0.45～0.8GHz频率下S21的性能曲线。
图3为实施例基于LTCC工艺的微波带通滤波器在0.45～0.8GHz频率下电压驻波比VSWR性能测试曲线。
图4为实施例基于LTCC工艺的微波带通滤波器在0～3GHz频率下的寄生通带图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明具体实施例进行详细说明：
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种多层陶瓷微波带通滤波器，包括：平形设置的端电极12～13及介质层11，介质层11中内电极包括：分别与两个端电极12～13垂直相连的第一接地金属层1和第二接地金属层10，第一接地金属层1和第二接地金属层10之间设有间隔排列于同一平面的四个均匀阻抗谐振器3～6，所述平面与两个接地金属层1、10平行，四个均匀阻抗谐振器3～6均为宽边耦合的多层带状线结构；
四个均匀阻抗谐振器3～6下方平行设置有由第一金属片，第二金属片和第三金属片首尾相连形成的第一加强耦合金属层2，其中：第一金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器3～6正下方，第一金属片的首端设于第一均匀阻抗谐振器3正下方，并且通过沿第一均匀阻抗谐振器3方向设置的第二金属片连接至第一端电极12，第一金属片的尾端设于第四均匀阻抗谐振器6正下方，且通过沿第四均匀阻抗谐振器6方向设置的第三金属片连接至第二端电极13；
四个均匀阻抗谐振器3～6上方平行设置有由第四金属片，第五金属片和第六金属片相连形成的第二加强耦合金属层9，其中：第四金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器3～6正上方，第五金属片的首端与第四金属片在第二均匀阻抗谐振器4正上方处相连，并且沿第二均匀阻抗谐振器4方向连接至第二端电极，第六金属片的首端与第四金属片在第四均匀阻抗谐振器6正上方处相连，并且沿第四均匀阻抗谐振器6方向连接至第一端电极12；
第一均匀阻抗谐振器3远离第一端电极12端与第四均匀阻抗谐振器6远离第一端电极12端分别设有第一金属层7和第二金属层8作为滤波器的输入端和输出端，其中：第一金属层7第二金属层8采用抽头结构与外接电路连接，作为优选实施方式，抽头结构设于离第一端电极12最远端。
本实施例将第一金属层7作为输入端，第二金属层8作为输出端，则相应地，如图1，信号从第一UIR结构3最左端(即-Y方向)依次接入第一UIR结构3、第二UIR结构4和第三UIR结构5和第四UIR结构6，最终从第四UIR结构6的最右端(即+Y方向)输出。
本发明实施例还提供了基于LTCC工艺微波带通滤波器的具体设计，本实施例设计的微波带通滤波器的详细性能要求如下表所示：
本实施例的滤波器设计是采用带状线，由于LTCC滤波器尺寸较小，采用单层导带的带状线不能满足设计需要，因此采用五层的均匀特性阻抗谐振结构(以下简称为UIR谐振结构)以降低谐振频率，进而使得器件能工作在相对低的频率；
本实施例中内电极金属材料均为银，介质层11所用材料的相对介电常数为35。
各级UIR谐振结构均为宽边耦合的多层带状线结构，故根据传输线理论可知：带状线是由一条厚度为dh，宽度为w，长度l的矩形导体和上、下两块接地金属板构成，两接地金属板之间的距离为b，其单位长度上的电容C和电感L由以下公式计算：
中心频率：
如上表中，本实施例器件的中心频率f0为625MHz，采用MATALAB软件根据上述三个公式计算得到b为1mm，w为0.225mm，长l为4.69mm。
然后本实施例使用HFSS软件进行仿真优化，为了获得50MHz的宽带，最终得到4级UIR结构，并且相邻两个均匀阻抗谐振器之间的距离为0.58mm,任一阻抗谐振器中相邻带状金属层之间的距离为0.05mm。
进一步地，为了获得带外抑制以及减小带内插入损耗，在第一级UIR结构3和第四UIR结构6之间加入了电容耦合，即第一加强耦合金属层2，在第一UIR结构3、第二UIR结构4和第三UIR结构5和第四UIR结构6之间加入电容耦合，即第二加强耦合金属层9；
对于第一加强耦合金属层2和第二加强耦合金属层9，经过仿真确定尺寸和位置，宽度均为0.2mm，第一加强耦合金属层2位置在均匀阻抗谐振器3～6所在平面下方0.24mm处，第二加强耦合金属层9位置在均匀阻抗谐振器3～6所在平面上方0.3mm处。
由此确定整个器件的尺寸5.0mm×5.0mm×1.5mm。
采用HFSS软件进行优化确定最终图形，设计第一金属层7和第二金属层8的宽度均为0.09mm,见图1。
根据上述结构参数得到本实施例微波滤波器的性能仿真结果如下图所示：
图2为本发明实施例在0.45GHz到0.8GHz时的插入损耗S21情况，从图2中可以看出：在通频带内(600MHz～650MHz)，插入损耗小于3.5dB，带宽为50MHz，带外抑制大于40dB，带内波动小于1.0dB。
图3为本发明实施例在0.45GHz～0.8GHz时的驻波比(VSWR)情况，从图3中可以看出：在600～650MHz内电压驻波最高位1.4349，小于1.5。
图4为本发明实施例在0GHz～3GHz时的插入损耗S21情况，从图4中可以看出：在0～3GHz内没有寄生的通带。
以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种多层陶瓷微波带通滤波器，包括平形设置的端电极(12、13)和介质层(11)，其特征在于：介质层(11)中内电极包括：
分别与两个端电极(12、13)垂直相连的第一接地金属层(1)和第二接地金属层(10)，第一接地金属层(1)和第二接地金属层(10)之间设有间隔排列于同一平面的四个均匀阻抗谐振器(3～6)，所述平面与两个接地金属层(1、10)平行，四个均匀阻抗谐振器(3～6)均为宽边耦合的多层带状线结构；
四个均匀阻抗谐振器(3～6)下方平行设置有由第一金属片，第二金属片和第三金属片首尾相连形成的第一加强耦合金属层(2)，其中：第一金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器(3～6)正下方，第一金属片的首端设于第一均匀阻抗谐振器(3)正下方，且通过沿第一均匀阻抗谐振器(3)方向的第二金属片连接至第一端电极(12)，第一金属片的尾端设于第四均匀阻抗谐振器(6)正下方，且通过沿第四均匀阻抗谐振器(6)方向的第三金属片连接至第二端电极(13)；
四个均匀阻抗谐振器(3～6)上方平行设置有由第四金属片，第五金属片和第六金属片相连形成的第二加强耦合金属层(9)，其中：第四金属片的设置方向与均匀阻抗谐振器相垂直，并且架设于四个均匀阻抗谐振器(3～6)正上方，第五金属片的首端与第四金属片在第二均匀阻抗谐振器(4)正上方处相连，并且沿第二均匀阻抗谐振器(4)方向连接至第二端电极(13)，第六金属片的首端与第四金属片在第四均匀阻抗谐振器(6)正上方处相连，并且沿第四均匀阻抗谐振器(6)方向连接至第一端电极(12)，
第一均匀阻抗谐振器(3)远离接地端与第四均匀阻抗谐振器(6)远离接地端分别设有第一金属层(7)和第二金属层(8)分别作为滤波器的输入端和输出端，其中：所述第一金属层(7)和第二金属层(8)采用抽头结构接外部电路。
2.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，四个均匀阻抗谐振器(3～6)的结构均为五层相互隔离设置的带状金属通过宽边耦合形成的结构。
3.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，任一均匀阻抗谐振器的长度在4.65mm～4.75mm范围内，宽度在0.22mm～0.23mm范围内。
4.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，任一均匀阻抗谐振器中任意相邻两层带状金属之间的距离为0.045mm～0.055mm。
5.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，任意两个相邻的均匀阻抗谐振器之间的距离在0.57mm～0.59mm范围内。
6.根据权利要求2所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，任一均匀阻抗谐振器中各层带状金属通过第一端电极(12)或第二端电极(13)接地，其中，任意相邻两层带状金属实现接地所连接的端电极不一致。
7.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，第一接地金属层(1)和第二接地金属层(10)之间的距离为0.9mm～1.1mm。
8.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，第一金属层(7)和第二金属层(8)的宽度均为0.085mm～0.95mm。
9.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，第一加强耦合金属层(2)设于距离均匀阻抗谐振器(3～6)所在平面下方0.23mm～0.27mm处，第一加强耦合金属层(2)宽度为0.22mm～0.23mm；其中：第一金属片的长度为1.5mm～1.6mm。
10.根据权利要求1所述的一种多层陶瓷微波带通滤波器，其特征在于，第二加强耦合金属层(9)设于距离均匀阻抗谐振器(3～6)所在平面下方0.28mm～0.31mm处，第二加强耦合金属层(9)宽度为0.15mm～0.23mm；其中：第四金属片的长度为1.7mm～2.0mm。
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| Title |
|---|
| LTCC Wideband Bandpass Filters With High Performance Using Coupled Lines With Open/Shorted Stubs;Wenjie Feng;《 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》;20170301;全文 * |
| 超小型高性能LTCC微波滤波器的设计与研究;向明飞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20071215;正文第5章 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107134614A (zh) | 2017-09-05 |
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