CN114899560A - 一种基于ltcc工艺的n79频段小型化宽阻带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于，包括：金属屏蔽腔；介质基板；金属银层；谐振器；金属化通孔；金属带；所述介质基板和金属银层设置于金属屏蔽腔内；所述金属银层设置于多个介质基板上下两侧；所述谐振器包括电容加载部分及等阻抗线；所述谐振器的电容加载部分由两层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成；所述金属带位于介质基板及金属银层两侧，且可接收并传递来自馈源的信号；所述谐振器的电容加载部分可接收金属带传递的信号，所述谐振器的短路端由连接金属屏蔽腔的等阻抗线实现。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，尤其是一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器技术领域。
背景技术
现如今，根据不同的场合对滤波器的有不同的特性需求，现代通信市场俨然成了多种滤波器的竞技场。微波滤波器从不同工艺及结构角度上来看，有低温共烧陶瓷(LTCC)，声表面波(SAW)，体声波(BAW)，金属腔体，印刷电路板(PCB)及其他MEMS工艺等。
而现有技术的滤波器中：声表面波滤波器受限于加工工艺，且存在频率范围小，使用角度小等缺陷；体声波滤波器伴随着加工成本大，难度高，成品率低等缺陷；金属腔体滤波器受限于其原材料，存在设计灵活度低，质量重，体积大等缺陷；PCB工艺滤波器中，SIW滤波器存在体积大等缺陷；低温共烧陶瓷(LTCC)工艺具有多层电路布局及高密度封装等特点，LTCC工艺的滤波器往往采用集总电路，通过将贴片电容及螺旋电感代替集总元件，将其在LTCC基板内部级联形成滤波响应，但是这导致了滤波器金属损耗增大且尺寸增大，使得滤波器性能降低。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明提供本发明提供了一种基于LTCC工艺的小型化高选择性带通滤波器，依托5G通信N79频段(4400～5000MHz)为应用背景，它是基于四分之一波长电容加载短路谐振器，四周金属层屏蔽腔，金属化通孔，LTCC工艺等技术设计的。通过在LTCC各基板两侧绘制金属电路，构造同一谐振器处在不同层，位于不同层的谐振器在水平和垂直方向均进行能量耦合，对空间实现了充分的利用，从而实现小型化设计；利用四周附着的金属构造金属屏蔽腔体，将能量束缚在封闭空间中，减少了辐射损耗的同时提高了所提出滤波器的电磁兼容能力。同时四周金属外壳均可以为地，减少了谐振器短路到地所需的金属化通孔个数，有效减少了损耗，也使得布局更加灵活。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于，包括：
金属屏蔽腔；
介质基板；
金属银层；
谐振器；
金属化通孔；
金属带；
所述介质基板和金属银层设置于金属屏蔽腔内；
所述金属银层设置于多个介质基板上下两侧；
所述谐振器包括电容加载部分及等阻抗线；
所述谐振器的电容加载部分由两层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成；
所述金属带位于介质基板及金属银层两侧，且可接收并传递来自馈源的信号；所述谐振器的电容加载部分可接收金属带传递的信号，所述谐振器的短路端由连接金属屏蔽腔的等阻抗线实现。
优选的，所述等阻抗线弯折设置。
优选的，所述谐振器为四分之一波长电容加载短路谐振器。
优选的，所述金属屏蔽腔为四周封闭的金属外壳。
优选的，所述金属外壳由完整的金属银在介质基板及金属银层四周封装形成。
优选的，所述滤波器为三阶带通滤波器。
优选的，所述介质基板为8层，所述金属银层为9层；
其中第1层金属银层为金属屏蔽腔底板，第1层金属银层为金属屏蔽腔顶板，第2到8层金属银层分别设置于1至8层介质基板的相邻层之间；
所述谐振器包括第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器；
其中第一谐振器与第三谐振器的电容加载部分都由第3层金属银层和第5层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成，并通过金属通孔与等阻抗线连接；所述第二谐振器的电容加载部分由第2层金属银层及第4层金属银层实现的平板电容构成，其等阻抗线位于第7层金属银层，两部分通过贯穿的金属化通孔连接。
优选的，所述第6层金属银层有一金属银质隔板，用来控制空间能量的耦合；且所述隔板上有三个圆形孔可使得金属化通孔通过。
优选的，所述金属屏蔽腔顶板和馈源连接，两侧的金属带将信号传递到第5层金属银层，再传递到第一谐振器的电容加载部分。
优选的，所述滤波器设计频段为4400MHz-5000MHz。
本发明的有益效果体现在：
(1)该滤波器中，所使用的金属屏蔽腔由完整的银金属在器件四周封装形成。普通滤波器中金属屏蔽腔是由器件顶层和底层的金属及四周贯穿的金属化通孔构成，而该滤波器将四周贯穿的金属化通孔简化为四周的金属壁。这在一定程度上减小了辐射损耗，提升了该滤波器的电磁兼容能力，并且也使得该滤波器的Q值进一步提升。
(2)该滤波器使用LTCC制造工艺，但不似市面上普遍存在的LTCC滤波器使用贴片电容及螺旋电感代替分布式元件来级联形成滤波器响应。该滤波器运用四分之一波长电容加载短路谐振器产生谐振点。用谐振器代替分布式元件能在一定程度上减少金属的使用，减少了金属损耗。
该滤波器尺寸仅为1.274mm×1.024mm×0.57mm，电尺寸为0.074λ0×0.059λ0×0.033λ0。综上所述，该滤波器拥有小型化，宽阻带，低损耗，高功率容量等优点，适用于5G中的N79频段。
附图说明：
图1为基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器的结构示意图；
图2为基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器的金属屏蔽外壳；
图3为基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器侧视图；
图4为基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器的主视图；
图5为基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器的3D示意图；
图6是基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器在1-17GHz的频率响应；
图7是基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器在1-23GHz的频率响应；
附图标记：1-金属屏蔽腔；2-介质基板；3-金属银层；4-谐振器；5-金属化通孔；6-金属带；7-金属银质隔板；401-第一谐振器；402-第二谐振器；403-第三谐振器；301-第1层金属银层；302-第9层金属银层；303-第3层金属银层；304-第5层金属银层；305-第2层金属银层；306-第7层金属银层；701-圆形孔；101-金属屏蔽腔底板；102-金属屏蔽腔顶板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
请参阅图1-7所示，本发明提供的具体实施例如下：
实施例1
一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于，包括：
金属屏蔽腔；
介质基板；
金属银层；
谐振器；
金属化通孔；
金属带；
所述介质基板和金属银层设置于金属屏蔽腔内；
所述金属银层设置于多个介质基板上下两侧；
所述谐振器包括电容加载部分及等阻抗线；
所述谐振器的电容加载部分由两层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成；
所述金属带位于介质基板及金属银层两侧，且可接收并传递来自馈源的信号；所述谐振器的电容加载部分可接收金属带传递的信号，所述谐振器的短路端由连接金属屏蔽腔的等阻抗线实现。
LTCC工艺有多层电路布局和高密度封装的特点，本实施例考虑到目前的LTCC工艺的滤波器往往采用集总电路，通过将贴片电容及螺旋电感代替集总元件，将其在LTCC基板内部级联形成滤波响应。这导致滤波器金属损耗增大且尺寸增大，使得滤波器性能降低。
本实施例在LTCC各基板两侧绘制金属电路，构造同一谐振器处在不同层，位于不同层的谐振器在水平和垂直方向均进行能量耦合，对空间实现了充分的利用，从而实现小型化设计。
实施例2
本实施例中，作为实施例1技术方案的进一步改进，其特征在于：
所述谐振器为四分之一波长电容加载短路谐振器；且所述等阻抗线弯折设置。
本实施例中谐振器使用了电容加载，该设计不仅进一步减小了滤波器整体尺寸，还使得谐振器高次谐波原理主模式，从而使滤波器实现宽阻带响应。同时谐振器由电容加载部分及弯折的等阻抗线部分组成，两部分用金属化通孔进行连接，将等阻抗线部分弯折设置进一步减小了滤波器整体尺寸。
实施例3
本实施例中，作为实施例2技术方案的进一步改进，其特征在于：
其特征在于：
所述金属屏蔽腔为四周封闭的金属外壳。
所述金属外壳由完整的金属银在介质基板及金属银层四周封装形成。
现有滤波器中金属屏蔽腔往往是由器件顶层和底层的金属及四周贯穿的金属化通孔构成，本实施例使用四周封闭的金属外壳包裹基板，四周金属外壳的使用代替了传统滤波器屏蔽腔使用的四周贯穿的金属化通孔。用金属层代替金属化通孔，不仅减少了金属屏蔽腔所占面积，实现小型化，并且该金属屏蔽腔四周皆可为地，这使得滤波器电路接地更为灵活。
实施例4
本实施例中，作为实施例3技术方案的进一步改进，其特征在于：
所述介质基板为8层，所述金属银层为9层；
其中第1层金属银层为金属屏蔽腔底板，第1层金属银层为金属屏蔽腔顶板，第2到8层金属银层分别设置于1至8层介质基板的相邻层之间；
所述谐振器包括第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器；
其中第一谐振器与第三谐振器的电容加载部分都由第3层金属银层和第5层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成，并通过金属通孔与等阻抗线连接；所述第二谐振器的电容加载部分由第2层金属银层及第4层金属银层实现的平板电容构成，其等阻抗线位于第7层金属银层，两部分通过贯穿的金属化通孔连接。
所述金属屏蔽腔顶板和馈源连接，两侧的金属带将信号传递到第5层金属银层，再传递到第一谐振器的电容加载部分。
本实施例中，三个谐振器均由电容加载部分及弯折的等阻抗线部分组成。馈源信号通过结构两侧的金属带到达第5层金属银层(silver_5)直接连接到该滤波器中第一谐振器的电容加载部分。第一谐振器与第二谐振器大小相同，其电容加载部分都由第3层金属银层(silver_3)和第5层金属银层(silver_5)及连接两金属银层的金属化通孔构成，其等阻抗线部分被弯折以减小尺寸，两部分用金属化通孔进行连接。第一谐振器及第三谐振器的短路端由连接金属壁的等阻抗线实现。第二谐振器的电容加载部分由位于第2层金属银层(silver_2)及第4层金属银层(silver_4)实现的平板电容构成，其等阻抗线部分位于第7层金属银层(silver_7)，两部分通过贯穿的金属化通孔进行连接，实现了三阶带通响应。
因此本方案实现了三阶带通滤波器的小型化，同时，通过对等阻抗线进行电容加载改变了该谐振器高次模式出现的频率，实现了滤波器的宽阻带响应。
实施例5
本实施例中，作为实施例4技术方案的进一步改进，其特征在于：
所述第6层金属银层有一金属银质隔板，用来控制空间能量的耦合；且所述隔板上有三个圆形孔可使得金属化通孔通过。
本实施例设置的金属银质隔板，用于控制空间能量的耦合，进一步提高了滤波器性能，实现了宽阻带响应。
实施例6
本实施例中，作为实施例1-5技术方案的进一步改进，其特征在于：
所述滤波器设计频段为4400MHz-5000MHz。
目前以5G和物联网为核心的无线通信技术正在快速推进，高速无线通信正在深刻改变甚至颠覆人们过去的生活生产。随着以5G为代表的通信技术迅速发展，6GHz以下频段的滤波器在射频***中被迫切需要，而5G通信N79频段为4400～5000MHz。
本实施例中，该滤波器设计频段为N79(4400MHz-5000MHz)，中心频率为4.75GHz，3dB带宽为1.26GHz(4.08-5.34GHz)，相对带宽为，带内最小***损耗为-1.62dB，上阻带-20dB带外抑制达到4.67f0(f0为滤波器中心频率)。该滤波器物理尺寸为1.274mm×1.024mm×0.57mm，电尺寸为0.074λ0×0.059λ0×0.033λ0，其尺寸与常用的5G滤波器尺寸相同甚至更小，且加工成本更低，这有利于大规模生产和应用。因此，该滤波器适用于5G中的N79频段，拥有小型化，宽阻带，低损耗，高功率容量等优点。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于，包括：
金属屏蔽腔；
介质基板；
金属银层；
谐振器；
金属化通孔；
金属带；
所述介质基板和金属银层设置于金属屏蔽腔内；
所述金属银层设置于多个介质基板上下两侧；
所述谐振器包括电容加载部分及等阻抗线；
所述谐振器的电容加载部分由两层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成；
所述金属带位于介质基板及金属银层两侧，且可接收并传递来自馈源的信号；所述谐振器的电容加载部分可接收金属带传递的信号，所述谐振器的短路端由连接金属屏蔽腔的等阻抗线实现。
2.根据权利要求1所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：所述等阻抗线弯折设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述谐振器为四分之一波长电容加载短路谐振器。
4.根据权利要求3所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述金属屏蔽腔为四周封闭的金属外壳。
5.根据权利要求4所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述金属外壳由完整的金属银在介质基板及金属银层四周封装形成。
6.根据权利要求5所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述滤波器为三阶带通滤波器。
7.根据权利要求6所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述介质基板为8层，所述金属银层为9层；
其中第1层金属银层为金属屏蔽腔底板，第9层金属银层为金属屏蔽腔顶板，第2到8层金属银层分别设置于1至8层介质基板的相邻层之间；
所述谐振器包括第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器；
其中第一谐振器与第三谐振器的电容加载部分都由第3层金属银层和第5层金属银层及连接两金属银层的金属化通孔构成，并通过金属通孔与等阻抗线连接；所述第二谐振器的电容加载部分由第2层金属银层及第4层金属银层实现的平板电容构成，其等阻抗线位于第7层金属银层，两部分通过贯穿的金属化通孔连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述第6层金属银层有一金属银质隔板，用来控制空间能量的耦合；且所述隔板上有三个圆形孔可使得金属化通孔通过。
9.根据权利要求8所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述屏蔽腔顶板和馈源连接，两侧的金属带将信号传递到第5层金属银层，再传递到第一谐振器的电容加载部分。
10.根据权利要求1-9所述的一种基于LTCC工艺的N79频段小型化宽阻带滤波器，其特征在于：
所述滤波器设计频段为4400MHz-5000MHz。
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