一种基于LTCC工艺的超宽通带五阶带通滤波器

技术领域

本发明涉及的是滤波器技术领域，具体涉及一种基于LTCC工艺的超宽通带五阶带通滤波器。

背景技术

随着通信技术的飞速发展，全球通讯行业正逐步迈入5G时代。LTCC 即低温共烧结陶瓷，可以实现三大无源器件（电阻、电容、电感） 及其各种无源器件（如滤波器、变压器等）封装于多层布线基板中，并与 有源器件（如功率 MOS、晶体管、IC 模块等）共同集成为完整的电路系 统。现已广泛应用于各种制式的手机、蓝牙、GPS 模块、WLAN 模块、 WIFI 模块等；此外，由于其产品的高可靠性，在汽车电子、通讯、航空航 天与军事、微机电系统、传感器技术等领域的应用也日益上升。

5G时代来临，LTCC扮演重要角色，因为LTCC能适应大电流和耐高温，从手机、穿戴装置到车用等领域，都需要运用到RF零组件，LTCC作为关键组件，以手机应用而言，5G手机的使用数量就比4G大幅成长40％，推升LTCC需求量大幅成长。

LTCC带通滤波器的实现方式通常有一下三种：第一种是传统并联谐振式带通滤波器，通过电感与电容并联构成的并联谐振单元实现；第二种是采用分布式电容极板，通过极板与极板间的耦合实现带通滤波器的效果；第三种是通过高通滤波器与低通滤波器串联实现。三种结构实现的带通滤波器在制作和设计上分别存在着各自的优点与困难。传统并联谐振式结构带通滤波器的近带抑制相较另外两种更深，但其随着并联谐振单元的增加，其通带插损不断变大，对信号的损失难以把控；采用分布式结构的带通滤波器，其设计简单，调试方便，电性能均衡，但由于结构上主要由极板与极板间耦合实现，对制作工艺要求更高，在LTCC膜片叠层及切割烧结过程中容易产生问题，批量一致性差；采用高通滤波器与低通滤波器串联结构的带通滤波器其通带较宽，插损较好，信号保真率高，但带外抑制较差，结构复杂，调试困难。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于LTCC工艺的超宽通带五阶带通滤波器，该滤波器体积小，且解决了传统滤波器通带窄插损大的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于LTCC工艺的超宽通带五阶带通滤波器，包括陶瓷基体、底部输入电极、底部输出电极和底部接地电极；所述陶瓷基体内部包括五个并联谐振、一个接地极板SD、两个串联连接电容、两个串联连接电感、一个交叉耦合电容C15及一个并联电感L24；所述两个串联连接电容包括第一串联电容C12、第二串联电容C45；所述两个串联连接电感包括第一串联电感L23、第二串联电感L34；所述五个并联谐振单元呈镜像对称分布，包括由第一电感L1与第一并联谐振电容CC1构成的第一并联谐振，由第二电感L2与第二并联谐振电容CC2构成的第二并联谐振，由第三电感L3与第三并联谐振电容CC3构成的第三并联谐振，由第四电感L4与第四并联谐振电容CC4构成的第四并联谐振，由第五电感L5与第五并联谐振电容CC5构成的第五并联谐振；所述第一并联谐振与第二并联谐振通过第一串联电容C12连接，第二并联谐振与第三并联谐振通过第一串联电感L23连接，第三并联谐振与第四并联谐振通过第二串联电感L34连接，第四并联谐振与第五并联谐振通过第二串联电容C45连接；所述第一并联谐振电容CC1下端通过孔柱Hin与底部输入电极连接；所述第五并联谐振电容CC5下端通过孔柱Hout与底部输出电极连接；所述接地极板SD位于陶瓷基体内部最下层，且通过孔柱Hsd与底部接地电极连接。

作为优选方案：所述陶瓷基体内部共分十层，其中接地极板SD位于陶瓷基体第十层，所述第一电感L1包括孔柱H11、双层极板J1和孔柱H12；所述双层极板J1位于陶瓷基体的第一层与第二层；所述孔柱H11位于陶瓷基体的第一层与第十层间，上端连接双层极板J1，下端与接地极板SD连接；所述孔柱H12位于陶瓷基体的第一层与第八层间，上端连接双层极板J1，下端与第一并联谐振电容CC1连接；所述第一并联谐振电容CC1位于陶瓷基体第六层与第八层，左端与第一电感L1孔柱H12连接，所述第一串联电容C12位于陶瓷基体第六层与第八层，两层左端均与第一并联谐振电容CC1的右端连接。

作为优选方案：所述第二电感L2包括孔柱H21，双层极板J2，孔柱H22；所述双层极板J2位于陶瓷基体的第一层与第二层；所述孔柱H21位于陶瓷基体的第一层与第十层间，上端连接双层极板J2，下端与接地极板SD连接；所述孔柱H22位于陶瓷基体的第一层与第九层间，上端连接双层极板J2，所述第二并联谐振电容CC2位于陶瓷基体第七层与第九层，且与第二电感L2孔柱H22的下端连接。

作为优选方案：所述第三电感L3包括孔柱H31，双层极板J3，孔柱H32；所述双层极板J3位于陶瓷基体的第一层与第二层；所述孔柱H31位于陶瓷基体的第一层与第十层间，上端连接双层极板J2，下端与接地极板SD连接；所述孔柱H32位于陶瓷基体的第一层与第九层间，上端连接双层极板J3，所述第三并联谐振电容CC3位于陶瓷基体第七层与第九层，且与第三电感L3的孔柱H32下端连接；所述第一串联电感L23位于陶瓷基体第三层，左端与第二电感孔柱H21相连，右端与第三电感孔柱H31相连。

作为优选方案：所述第四电感L4包括孔柱H41，双层极板J4，孔柱H42；所述双层极板J4位于陶瓷基体的第一层与第二层；所述孔柱H41位于陶瓷基体的第一层与第十层间，上端连接双层极板J4，下端与接地极板SD连接；所述孔柱H42位于陶瓷基体的第一层与第九层间，上端连接双层极板J4，所述第四并联谐振电容CC4位于陶瓷基体第七层与第九层，且与第四电感L4的孔柱H42的下端连接；述第二串联电感L34位于陶瓷基体第三层，左端与第三电感孔柱H31相连，右端与第四电感孔柱H41相连。

作为优选方案：所述第五电感L5包括孔柱H51，双层极板J5，孔柱H52；所述双层极板J5位于陶瓷基体的第一层与第二层；所述孔柱H51位于陶瓷基体的第一层与第十层间，上端连接双层极板J5，下端与接地极板SD连接；所述孔柱H52位于陶瓷基体的第一层与第八层间，上端连接双层极板J5，所述第五并联谐振电容CC5位于陶瓷基体第六层与第八层，左端与第五电感L5的孔柱H52下端连接，右端与第二串联电容C45连接。

作为优选方案：所述交叉耦合电容C15位于陶瓷基体第五层，采用一字型结构分别与第一并联谐振电容CC1第六层极板和第五并联谐振电容CC5第六层极板形成耦合；所述并联电感L24位于陶瓷基体第三层，采用C型结构，分别与第二电感孔柱H21和第四电感孔柱H41连接。

作为优选方案：所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5的孔柱均采用柱型金属孔柱结构；第一并联谐振电容CC1、第二并联谐振电容CC2、第三并联谐振电容CC3、第四并联谐振电容CC4、第五并联谐振电容CC5及交叉耦合电容C15均采用对平板式电容极板的结构；第一串联电容C12、第一串联电容C45采用垂直直插式电容极板结构。

作为优选方案：所述第一并联谐振与第五并联谐振、第二并联谐振与第四并联谐振、第一串联电容C12与第二串联电容C45、第一串联电感L23与第二串联电感L34的结构呈镜像对称，第三并联谐振、交叉耦合电容C15、并联电感L24结构呈中心对称。

作为优选方案：所述陶瓷基体的材料的介电常数为9.8，损耗角正切0.003的陶瓷材料，底部接地电极、底部输入电极、底部输出电极均采用银材料印刷，所述滤波器的通带范围为3.64-7.04GHz，通带最大插入损耗为1.75dB，在低端阻带0-3GHz抑制大于30dB；在高端阻带7.8GHz-12.5GHz抑制大于30dB；三倍频12.5-17GHz抑制大于15dB。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出一种基于LTCC工艺的超宽通带五阶带通滤波器，旨在解决现有LTCC带通滤波器并联谐振结构通带过窄，高通滤波器与低通滤波器串联结构抑制不深的问题。该滤波器采用五阶并联谐振结构，五个并联谐振单元加深了带外抑制，并且创新的引入了一个交叉耦合电容、一个并联电感及两个串联连接电感，极大地拓宽了带通滤波器的通带，加深了三倍频带外抑制，改变了传统五阶带通滤波器通带窄插损大的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明的LTCC带通滤波器的等效电路原理图；

图2为本发明的LTCC带通滤波器的外部结构示意图；

图3为本发明的LTCC带通滤波器的内部整体结构示意图；

图4为本发明的LTCC带通滤波器的内部整体结构分解示意图；

图5为本发明的LTCC带通滤波器的内部正视结构示意图；

图6为本发明的LTCC带通滤波器的内部侧视结构示意图；

图7为本发明的LTCC带通滤波器的第1层平面结构图；

图8为本发明的LTCC带通滤波器的第2层平面结构图；

图9为本发明的LTCC带通滤波器的第3层平面结构图；

图10为本发明的LTCC带通滤波器的第4层平面结构图；

图11为本发明的LTCC带通滤波器的第5层平面结构图；

图12为本发明的LTCC带通滤波器的第6层平面结构图；

图13为本发明的LTCC带通滤波器的第7层平面结构图；

图14为本发明的LTCC带通滤波器的第8层平面结构图；

图15为本发明的LTCC带通滤波器的第9层平面结构图；

图16为本发明的LTCC带通滤波器的第10层平面结构图；

图17为本发明的LTCC带通滤波器的S11仿真结果图；

图18为本发明的LTCC带通滤波器的S21仿真结果图；

图19为本发明的LTCC带通滤波器的S22仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

为了更清楚详细的阐述本发明的技术实施方案，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。

图1为本发明的LTCC带通滤波器的等效电路原理图。如图1所示，本发明主体采用传统五阶带通滤波器，包括由第一电感L1与第一并联谐振电容CC1构成的第一并联谐振，由第二电感L2与第二并联谐振电容CC2构成的第二并联谐振，由第三电感L3与第三并联谐振电容CC3构成的第三并联谐振，由第四电感L4与第四并联谐振电容CC4构成的第四并联谐振，由第五电感L5与第五并联谐振电容CC5构成的第五并联谐振，第一并联谐振与第二并联谐振通过第一串联电容C12连接，第四并联谐振与第五并联谐振通过第二串联电容C45连接。本发明在传统五阶带通滤波器的架构上通过引入两个连接第二并联谐振与第三并联谐振的串联电感L23与连接第三并联谐振与第四并联谐振的串联电感L34和连接第二并联谐振与第四并联谐振的并联电感L24、交叉耦合电容C15极大地拓宽通带，增加了通带近端与三倍频的抑制。

图2为本发明的LTCC带通滤波器的外部结构示意图，包括陶瓷基体、底部输入电极、底部输出电极、底部接地电极。本发明外部整体尺寸为2.0mm×1.25mm×0.8mm，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。底部输入电极、底部输出电极呈镜像分布印刷在陶瓷基体底部左右两侧；所述底部接地电极印刷在陶瓷基体底部中心。

如图3至图6所示，本发明内部结构共分十层，其中接地极板SD位于陶瓷基体第十层，通过孔柱Hsd与底部接地电极连接。内部五个并联谐振单元呈镜像对称分布，包括由第一电感L1与第一并联谐振电容CC1构成的第一并联谐振，由第二电感L2与第二并联谐振电容CC2构成的第二并联谐振，由第三电感L3与第三并联谐振电容CC3构成的第三并联谐振，由第四电感L4与第四并联谐振电容CC4构成的第四并联谐振，由第五电感L5与第五并联谐振电容CC5构成的第五并联谐振；所述第一并联谐振与第二并联谐振通过第一串联电容C12连接，第二并联谐振与第三并联谐振通过第一串联电感L23连接，第三并联谐振与第四并联谐振通过第二串联电感L34连接，第四并联谐振与第五并联谐振通过第二串联电容C45连接。第一并联谐振与第五并联谐振、第二并联谐振与第四并联谐振、第一串联电容C12与第二串联电容C45、第一串联电感L23与第二串联电感L34呈镜像对称结构相同。

第一电感L1采用孔柱-极板-孔柱结构，包括与接地极板连接的孔柱H11，双层极板J1，与第一并联谐振电容CC1连接的孔柱H12。双层极板J1位于陶瓷基体的第一层与第二层，与接地极板连接的孔柱H11位于陶瓷基体的第一层与第十层间，与第一并联谐振电容CC1连接的孔柱H12位于陶瓷基体的第一层与第八层间。与接地极板连接的孔柱H11上端连接双层极板J1，下端与接地极板SD连接；第一并联谐振电容CC1连接的孔柱H12上端连接双层极板J1，下端与第一并联谐振电容CC1连接；第一并联谐振电容CC1位于陶瓷基体第六层与第八层，左端与第一电感L1孔柱H12连接，右端与第一串联电容C12连接，下端通过孔柱Hin与底部输入电极连接；

第一串联电容C12位于陶瓷基体第六层与第八层，两层左端均与第一并联谐振电容CC1连接；

第二电感L2采用孔柱-极板-孔柱结构，包括与接地极板连接的孔柱H21，双层极板J2，与第二并联谐振电容CC2连接的孔柱H22。双层极板J2位于陶瓷基体的第一层与第二层，与接地极板连接的孔柱H21位于陶瓷基体的第一层与第十层间，与第二并联谐振电容CC2连接的孔柱H22位于陶瓷基体的第一层与第九层间。与接地极板连接的孔柱H21上端连接双层极板J2，下端与接地极板SD连接；与第二并联谐振电容CC2连接的孔柱H22上端连接双层极板J2，下端与第二并联谐振电容CC2连接；第二并联谐振电容CC2位于陶瓷基体第七层与第九层，与第二电感L2孔柱H22连接；

第三电感L3采用孔柱-极板-孔柱结构，包括与接地极板连接的孔柱H31，双层极板J3，与第三并联谐振电容CC3连接的孔柱H32。双层极板J3位于陶瓷基体的第一层与第二层，与接地极板连接的孔柱H31位于陶瓷基体的第一层与第十层间，与第三并联谐振电容CC3连接的孔柱H32位于陶瓷基体的第一层与第九层间。与接地极板连接的孔柱H31上端连接双层极板J2，下端与接地极板SD连接；与第三并联谐振电容CC3连接的孔柱H32上端连接双层极板J3，下端与第三并联谐振电容CC3连接；第三并联谐振电容CC3位于陶瓷基体第七层与第九层，与第三电感L3孔柱H32连接；

第一串联电感L23位于陶瓷基体第三层，左端与第二电感孔柱H21相连，右端与第三电感孔柱H31相连；

第四电感L4采用孔柱-极板-孔柱结构，包括与接地极板连接的孔柱H41，双层极板J4，与第四并联谐振电容CC4连接的孔柱H42。双层极板J4位于陶瓷基体的第一层与第二层，与接地极板连接的孔柱H41位于陶瓷基体的第一层与第十层间，与第四并联谐振电容CC4连接的孔柱H42位于陶瓷基体的第一层与第九层间。与接地极板连接的孔柱H41上端连接双层极板J4，下端与接地极板SD连接；与第四并联谐振电容CC4连接的孔柱H42上端连接双层极板J4，下端与第四并联谐振电容CC4连接；第四并联谐振电容CC4位于陶瓷基体第七层与第九层，与第四电感L4孔柱H42连接；

第二串联电感L34位于陶瓷基体第三层，左端与第三电感孔柱H31相连，右端与第四电感孔柱H41相连；

第五电感L5采用孔柱-极板-孔柱结构，包括与接地极板连接的孔柱H51，双层极板J5，与第五并联谐振电容CC5连接的孔柱H52。双层极板J5位于陶瓷基体的第一层与第二层，与接地极板连接的孔柱H51位于陶瓷基体的第一层与第十层间，与第五并联谐振电容CC5连接的孔柱H52位于陶瓷基体的第一层与第八层间。与接地极板连接的孔柱H51上端连接双层极板J5，下端与接地极板SD连接；所述与第五并联谐振电容CC5连接的孔柱H52上端连接双层极板J5，下端与第五并联谐振电容CC5连接；第五并联谐振电容CC5位于陶瓷基体第六层与第八层，左端与第五电感L5孔柱H52连接，左端与第二串联电容C45连接，下端通过孔柱Hout与底部输出电极连接；

交叉耦合电容C15位于陶瓷基体第五层，采用一字型结构分别与第一并联谐振电容CC1第六层极板和第五并联谐振电容CC5第六层极板形成耦合；并联电感L24位于陶瓷基体第三层，采用C型结构，分别与第二电感孔柱H21和第四电感孔柱H41连接。

如上所述的带通滤波器各层具体结构如图7-图16所示。如上所述的带通滤波器的电容采用垂直直插式（VIC型）和对平面式（MIM型）结合使用，旨在最小的空间中达到满足要求的电容值，减少了电容极板所占用的体积。在内部结构布局上五个并联谐振单元采用了镜像对称的设计方式，合理优化了内部空间结构，降低了设计调试难度及规避了生产过程中出现的误差，该滤波器体积仅为2.0mm×1.25mm×0.8mm。

图17-图19为本发明带通滤波器S参数结果仿真图。如图所示，该带通滤波器的通带范围为3.64-7.04GHz，通带最大插入损耗为1.75dB，在低端阻带0-3GHz抑制大于30dB；在高端阻带7.8GHz-12.5GHz抑制大于30dB；三倍频12.5-17GHz抑制大于15dB。

综上所述，本发明的有益效果如下：

（1）采用孔柱-极板-孔柱结构电感，避免了LTCC传统多层螺旋式折线电感空间占用大，调试困难，制作工艺要求高的问题。同时采用该结构电感能够增加电感与电感间的耦合电容，减小两个并联谐振单元间的串联电容体积，使得器件小型化。

（2）创新的在传统五阶带通滤波器的基础上引入了一个连接第二并联谐振单元与第四并联谐振单元的并联电感，两个连接第二并联谐振单元与第三并联谐振单元、第三并联谐振单元与第四并联谐振单元的串联连接电感，极大地拓宽通带，所设计的带通滤波器通带宽度为3.4GHz，插损控制在1.75dB以内，改善了传统五阶带通滤波器通带窄插损大的问题。

（3）通过引入一个连接第二并联谐振单元与第四并联谐振单元的并联电感与一个交叉耦合电容，增加了通带近端与三倍频的抑制，所设计的带通滤波器在低端阻带0-3GHz抑制大于30dB；在高端阻带7.8GHz-12.5GHz抑制大于30dB；三倍频12.5-17GHz抑制大于15dB。

以上所描述是实施例是本发明中的一个较好的实施例，并不以上述实施方式限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，基于本发明所作的任何修改、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。