CN109273810A - 一种陶瓷滤波器结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷滤波器结构及其制备方法，陶瓷滤波器以全封闭金属化的单块陶瓷为基础，以在陶瓷谐振器上开有耦合窗口，且通过堆叠的方式将带有耦合窗口的陶瓷谐振器堆叠，使堆叠在一起的所有陶瓷谐振器通过耦合窗口形成一条完整的以中心频率为中心，并以通带带宽为界的全陶瓷腔体的滤波器。本发明通过陶瓷谐振器组合的滤波器既满足滤波器的功效，又能实现体积减小的目的，并能确保滤波器额性能。

Description

一种陶瓷滤波器结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷滤波器结构，尤其涉及一种陶瓷滤波器及其制备方法。

背景技术

随着现代通信技术的不断发展，对滤波器的要求越来越高，小尺寸、高性能、高功率、低成本的滤波器技术对于无线通信应用中的滤波器显得尤为重要，5G的阵列式天线的应用条件下，现存的金属腔体滤波器的尺寸已经完全无法满足无线通信***的要求；如常规的单通道20瓦滤波器，目前的尺寸在200X100X30毫米以上，但5G滤波器的尺寸要求在50X30X30毫米的尺寸以下，否则阵列天线方案无法实现。

根据谐振腔原理，腔体内的谐振频率，取决于腔体的尺寸以及墙体填充材料的介电常数；同样的填充材料，尺寸越大则谐振频率越低；同样尺寸条件下，谐振频率和介电常数的平方根成反比，即同样的腔体尺寸下，填充物介电常数越大则腔体的谐振频率越低，空腔谐振腔，以空气为介质，介电常数为1，而陶瓷材料可用的介电常数范围在4-120之间，以36介电常数为例，同样频率条件下的腔体尺寸可缩减到金属空腔的六分之一，可见应用介电材料对于缩减腔体尺寸的显著能力。

介质陶瓷材料具有高频率条件下优异的低损耗特性，其特性可通过品质因子QF值来表征，高QF值也意味着微波信号在以陶瓷块为载体的介质谐振器中传播时，具有超低的能量损失，可提升滤波器的单腔Q值，进而提升滤波器的性能。

将超低损耗的介质陶瓷材料以及单腔的设计，在此基础上制备的陶瓷滤波器，将具有最小的尺寸，合理的电性能，合理的功率处理能力，具有最佳的5G通信中功率滤波器性能，满足苛刻的通信对滤波器的要求。

介质陶瓷滤波器需要高品质因子QF的介质陶瓷材料，其介电常数范围在4-160之间，如微波介质陶瓷材料Ba(Co1/3Nb2/3)O3具有优异的介电性能，尤其是高的品质因子Qf值，其品质因子Qf可达80000GHz，介电常数在35。

在一个同样3D外部尺寸的谐振器中制备陶瓷谐振器，显然是介质滤波器的最佳解决方案，这样的一致外部尺寸，在谐振器的压制、后续尺寸研磨精调工艺、组装工艺等介质滤波器制备工艺成为标准化工艺，对介质滤波器的规模量产非常重要；但如何在3D尺寸一致的介质谐振器中实现滤波器所必需的频率差值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种陶瓷滤波器结构及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种陶瓷滤波器结构，陶瓷谐振器以全封闭金属化的单块陶瓷为基础，以在陶瓷谐振器上开有耦合窗口，且通过堆叠的方式将带有耦合窗口的陶瓷谐振器堆叠，使堆叠在一起的所有陶瓷谐振器通过耦合窗口形成一条完整的以中心频率为中心，并以通带带宽为界的全陶瓷腔体的滤波器。

再更进一步的，所述的一种陶瓷滤波器结构，其中，相连通的所述耦合窗口之间形成耦合或交叉耦合。

再更进一步的，所述的一种陶瓷滤波器结构，其中，所述滤波器由3至10块陶瓷谐振器堆叠构成。

再更进一步的，中任意一项中所述的一种陶瓷滤波器结构，其中，所述滤波器中的每一块的陶瓷谐振器的谐振频率依照滤波器的指标设定，且可为不同的谐振频率。

一种陶瓷滤波器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：确定陶瓷材料的基本参数指标，介电常数，损耗值；

步骤2：依据滤波器的参数指标要求，结合所选材料，进行滤波器仿真设计；

步骤3：通过步骤2的仿真设计，确定滤波器的腔体个数，各块的谐振频率，各块之间的耦合系数，耦合窗口指标；

步骤4：依照步骤3中谐振频率的要求，制备各个陶瓷谐振块；

步骤5：将金属化后的陶瓷谐振器，按照步骤3中的数据开耦合窗口；

步骤6：将开好耦合窗口的陶瓷谐振器，按照步骤2仿真后的要求进行组装；

步骤7：使用网络分析仪进行S参数分析，并通过磨针进行频率及耦合强度调整，实现指定的滤波器的性能。

进一步的，所述的一种陶瓷滤波器的制备方法，其中，所述陶瓷谐振块的制作方式，以下步骤：

步骤1：将陶瓷粉体造粒；

步骤2：将造粒成型的陶瓷放置在模具中通过压力压制成型，形成陶瓷干压坯片；

步骤3：依据所需谐振器的频率，对陶瓷块的尺寸进行限定，其公式如下：

其中，f_TE为频率；

c为光速；

a为长度；

d为宽度；

ε为介电常数；

步骤4：将成型后的生坯片以3-5度每分钟的升温速率，在1100-1700度范围内的温度下，经过8-40小时的保温烧结，等待冷却成陶瓷块；

步骤5：将烧结成型后的陶瓷块经过研磨抛光处理；

步骤6：按照步骤5中的陶瓷块尺寸制备相应的丝印模板；

步骤7：通过丝印模板的丝印方法，将银层丝印到陶瓷块的表面上；

步骤8：通过700-900度的高温对丝印银层后的陶瓷块进行10至200min的银层烧结，得到具有金属化的陶瓷谐振器。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明通过采用陶瓷谐振器作为滤波器的基础，可以大幅降低谐振器的尺寸，且保持了较高的单腔Q值；并通过优化设计谐振腔块体尺寸以及块体间的偶合窗口，使得组装后的多腔谐振器实现滤波器的性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是滤波器耦合结构示意图；

图2是滤波器调试前的示意图；

图3是滤波器调试中的示意图；

图4是滤波器挑试后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

一种陶瓷滤波器结构，陶瓷谐振器以全封闭金属化的单块陶瓷为基础，以在陶瓷谐振器上开有耦合窗口，且通过堆叠的方式将带有耦合窗口的陶瓷谐振器堆叠，使堆叠在一起的所有陶瓷谐振器通过耦合窗口形成一条完整的以中心频率为中心，并以通带带宽为界的全陶瓷腔体的滤波器。

本发明中相连通的所述耦合窗口之间形成耦合或交叉耦合，依照相邻的耦合窗口的位置进行不同的耦合。

本发明中所述滤波器由3至10块陶瓷谐振器堆叠构成，在上述的结构中该滤波器至少由3块陶瓷谐振器进行组装，同时通过不同的装配个数，也能实现不同带通的滤波器，其按照需求而制定需要的陶瓷谐振器的个数。

本发明中所述滤波器中的每一块的陶瓷谐振器的谐振频率依照滤波器的指标设定，且可为不同的谐振频率，其中，滤波器的指标为需要通过的频率范围。

一种陶瓷滤波器的制备方法，括以下步骤：

步骤1：确定陶瓷材料的基本参数指标，介电常数，损耗值；

步骤2：依据滤波器的参数指标要求，结合所选材料，进行滤波器仿真设计；

步骤3：通过步骤2的仿真设计，确定滤波器的腔体个数，各块的谐振频率，各块之间的耦合系数，耦合窗口指标；

步骤4：依照步骤3中谐振频率的要求，制备各个陶瓷谐振块；

步骤5：将金属化后的陶瓷谐振器，按照步骤3中的数据开耦合窗口；

步骤6：将开好耦合窗口的陶瓷谐振器，按照步骤2仿真后的要求进行组装；

步骤7：使用网络分析仪进行S参数分析，并通过磨针进行频率及耦合强度调整，实现指定的滤波器的性能。

其中，根据麦克斯韦方程式所开发的商业微波仿真软件，可实现滤波器的精确仿真设计，根据所希望开发的滤波器参数指标，确定好可达成的滤波器拓扑结构，依据所选用微波材料的介电常数以及材料的损耗特性，精确计算仿真，得到符合要求详细的滤波器结构，各介质谐振单元的精确尺寸，耦合窗的大小及位置等数据，后续的生产加工将依据设计，精确的实现，就可制备出符合要求指标的滤波器来。

如图1所示，滤波器按照滤波器耦合结构拓扑进行设定，上述的滤波器的参数指标要求，以设定的滤波器的频率为主，进行相应的设定。

滤波器的关键参数：

以中心频率：3.5GHz；

通带带宽：200MHz(3.4-3.6GHz)；

上述的如图2至4所示，以以中心频率2.6GHz，通带带宽：100MHz(2.55-2.65GHz)，通过使用网络分析仪进行S参数分析，并通过磨针进行频率及耦合强度调整，最终可以让滤波器通过的频率达到预期的频率。

本法中所述陶瓷谐振块的制作方式，如以下步骤：

步骤1：将陶瓷粉体造粒；

步骤2：将造粒成型的陶瓷放置在模具中通过压力压制成型，形成陶瓷干压坯片；

步骤3：依据所需谐振器的频率，对陶瓷块的尺寸进行限定，其公式如下：

其中，f_TE为频率；

c为光速；

a为长度；

d为宽度；

ε为介电常数；

步骤4：将成型后的生坯片以3-5度每分钟的升温速率，在1100-1700度范围内的温度下，经过8-40小时的保温烧结，等待冷却成陶瓷块；

步骤5：将烧结成型后的陶瓷块经过研磨抛光处理；

步骤6：按照步骤5中的陶瓷块尺寸制备相应的丝印模板；

步骤7：通过丝印模板的丝印方法，将银层丝印到陶瓷块的表面上；

步骤8：通过700-900度的高温对丝印银层后的陶瓷块进行10至200min的银层烧结，得到具有金属化的陶瓷谐振器。

本发明通过采用全陶瓷银层全封闭谐振器作为滤波器的基础，可以大幅降低谐振器的尺寸，且保持了较高的单腔Q值；并通过优化设计谐振腔块体尺寸以及块体间的偶合窗口，使得组装后的多腔谐振器实现滤波器的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种陶瓷滤波器结构，其特征在于：陶瓷谐振器以全封闭金属化的单块陶瓷为基础，以在陶瓷谐振器上开有耦合窗口，且通过堆叠的方式将带有耦合窗口的陶瓷谐振器堆叠，使堆叠在一起的所有陶瓷谐振器通过耦合窗口形成一条完整的以中心频率为中心，并以通带带宽为界的全陶瓷腔体的滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷滤波器结构，其特征在于：相连通的所述耦合窗口之间形成耦合或交叉耦合。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷滤波器结构，其特征在于：所述滤波器由3至10块陶瓷谐振器堆叠构成。

4.根据权利要求1至3中任意一项中所述的一种陶瓷滤波器结构，其特征在于：所述滤波器中的每一块的陶瓷谐振器的谐振频率依照滤波器的指标设定，且可为不同的谐振频率。

5.一种陶瓷滤波器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定陶瓷材料的基本参数指标，介电常数，损耗值；

步骤2：依据滤波器的参数指标要求，结合所选材料，进行滤波器仿真设计；

步骤3：通过步骤2的仿真设计，确定滤波器的腔体个数，各块的谐振频率，各块之间的耦合系数，耦合窗口指标；

步骤4：依照步骤3中谐振频率的要求，制备各个陶瓷谐振块；

步骤5：将金属化后的陶瓷谐振器，按照步骤3中的数据开耦合窗口；

步骤6：将开好耦合窗口的陶瓷谐振器，按照步骤2仿真后的要求进行组装；

步骤7：使用网络分析仪进行S参数分析，并通过磨针进行频率及耦合强度调整，实现指定的滤波器的性能。

6.根据权利要求5所述的一种陶瓷滤波器的制备方法，其特征在于：所述陶瓷谐振块的制作方式，以下步骤：

步骤1：将陶瓷粉体造粒；

步骤2：将造粒成型的陶瓷放置在模具中通过压力压制成型，形成陶瓷干压坯片；

步骤3：依据所需谐振器的频率，对陶瓷块的尺寸进行限定，其公式如下：

其中，f_TE为频率；

c为光速；

a为长度；

d为宽度；

ε为介电常数；

步骤4：将成型后的生坯片以3-5度每分钟的升温速率，在1100-1700度范围内的温度下，经过8-40小时的保温烧结，等待冷却成陶瓷块；

步骤5：将烧结成型后的陶瓷块经过研磨抛光处理；

步骤6：按照步骤5中的陶瓷块尺寸制备相应的丝印模板；

步骤7：通过丝印模板的丝印方法，将银层丝印到陶瓷块的表面上；

步骤8：通过700-900度的高温对丝印银层后的陶瓷块进行10至200min的银层烧结，得到具有金属化的陶瓷谐振器。