基于频率选择性耦合抑制三次五次谐波的LTCC滤波器

摘要

本发明公开一种基于频率选择性耦合的三次五次谐波抑制的LTCC滤波器，该滤波器包含两个四分之一波长谐振器、两条馈电线和若干层地板，分别分布在十层导体层上，各层通过金属通孔连接起来；第一、三、五、八、十层是地板，第二、四、六、九层是电路层，第七层是馈电电路所在的层；两条馈电线与第六层的谐振器通过平行耦合方式馈电，分别选择两条馈电线和谐振器之间的耦合区域就能很好的抑制三次和五次谐波，达到宽阻带的效果；两个四分之一波长谐振器在不同层之间有部分枝节间的耦合，从而形成能够抑制三次五次谐波的宽阻带滤波器；本发明采用的LTCC工艺包含多层结构，减小了滤波器的尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LTCC工艺的宽阻带带通滤波器，特别涉及利用馈电结构来抑制高次谐波，可应用于射频前端电路中的带通滤波器。

背景技术

随着现代通信系统的不断更新换代，无线通信技术的飞速发展对射频前端电路元器件提出了更严格的要求，高性能，小型化，低造价等成为了现今评定元器件的重要指标。无线通信技术的飞速发展以及全球通信频段的日益紧张更是对微波滤波器提出了更加严格的要求。现代滤波器要求具有高性能，小尺寸，宽阻带，低造价等特性。其中，小尺寸，宽阻带是单通带滤波器性能的重要指标。

现有的滤波器实现阻带抑制的方法多是利用在阻带引入传输零点实现的，产生传输零点的方法有很多，常用的第一种方法是利用阶跃阻抗谐振器（SIR），这种谐振器可以将滤波器的二次谐波推后到通带中心频率的2.5-3倍左右的频率上，二次谐波中心频率与通带中心频率的比值取决于SIR的结构，用多个不同结构的有相同通带中心频率的阶跃阻抗谐振器串联，即可实现阻带的抑制；常用的第二种方法是利用电磁信号的多径传输，在某一频点多径传输的电磁场相位相反，相互抵消，产生零点，这种方法可以利用交叉耦合产生，也可以利用源负载耦合（source-loadcoupling）产生；常用的第三种方法是利用混合磁电耦合滤波器结构产生传输零点，无源滤波器都是由两个基本要素组成，谐振器和耦合，多个谐振频率靠近的谐振器相互耦合就构成了滤波器，耦合结构是能量交换的途径，谐振器既耦合磁能也耦合电能，在某些情况下，同一耦合结构所耦合的电能和磁能是相互叠加的，因此可以实现很强的耦合，但是在另一种情况下，同一耦合结构所耦合的电能和磁能是相互抵消的，因此耦合的结果表现为传输零点，从而阻碍信号的传输；而本发明使用的方法，是通过利用馈电线与谐振器的耦合，当耦合调节至某一范围内时，耦合系数极小或为零，耦合结果表现为传输零点，从而阻碍信号的传输；其他方法还有使用椭圆函数滤波器等。

然而，现有的阻带抑制滤波器都存在较为复杂的结构，或者尺寸较大，插损大等问题。

发明内容

为了克服以上提到的滤波器小型化与宽阻带以及小型化与结构复杂之间的设计矛盾，本发明提供了一种基于频率选择性耦合抑制三次五次谐波的LTCC滤波器。该滤波器采用低温共烧陶瓷技术，即LTCC技术，极大地缩小了带通滤波器的体积。LTCC多层结构的滤波器除了具有小型化、轻量化的有点，还具有成本低，有利于批量生产，良好的高频性能，插损小等传统微带滤波器没有的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

基于频率选择性耦合抑制三次五次谐波的LTCC滤波器，整个滤波器为LTCC多层结构，由九层介质基板、十层导体层和八个金属通孔组成；两个四分之一波长短路线谐振器分别由位于五个不同导体层的微带线通过金属通孔连接在一起，呈左右中心对称结构分布；由馈电贴片构成的两条不同结构馈电线位于同一导体层且分别与位于馈电线所在导体层下层的四分之一波长谐振器部分区域以平行耦合方式进行馈电；其中左边的一条馈电线与该条馈电线下层的谐振器的一部分（谐振器分布在四个不同的导体层）形成频率选择性耦合抑制三次谐波，右边的一条馈电线与位于该条馈电线下层的谐振器的一部分（谐振器分布在四个不同的导体层）形成频率选择性耦合抑制五次谐波；当信号从左边馈电线输入端口输入，从右边馈电线端口输出时三次五次谐波均被抑制，使得该LTCC滤波器具有很好的带外抑制性能；两条馈电线之间形成源负载耦合，源负载耦合在通带左边产生一个传输零点，调节这个传输零点的位置，使通带具有更好的选择性；

进一步地，所述九层介质基板为LTCC陶瓷介质基板，由下而上顺次层叠，十层导体层均采用LTCC印刷工艺印制于介质基板表面；第一层导体层位于第九介质板上表面，第二导体层位于第九介质板和第八介质板之间，第三导体层位于第八介质板与第七介质板之间，第四导体层位于第七介质板与第六介质板之间，第五导体层位于第六介质板与第五介质板之间，第六导体层位于第五介质板与第四介质板之间，第七导体层位于第四介质板与第三介质板之间，第八导体层位于第三介质板与第二介质板之间，第九导体层位于第二介质板与第一介质板之间，第十导体层位于第一介质板下表面；

第一导体层为金属地板；第二导体层是两个四分之一波长谐振器始端，第二导体层呈镜像对称，第一通孔有两个，两个四分之一波长谐振器的开路端均各自设有第一通孔的孔端，第一通孔将第二导体层的电路与第五层电路连接起来；第三导体层为地板，上面相应位置上有两个开孔供两个第一通孔通过且第一通孔和第三导体层之间没有物理接触；第三导体层左右两边各有一个缺口，缺口位置分别正对于第三导体层的下层电路即第四导体层的输入输出端口；第四导体层为两条馈电线部分，各由结构和长度均不相同的馈电贴片组成，左边馈电线结构由左边馈电线始端向左边馈电线终端延伸，在左边馈电线的中端引出一个馈电端口，右边馈电线结构包括右边馈电线始端和右边馈电线末端即另一馈电端口；第五导体层包括所述两个四分之一波长谐振器中分别与第四导体层的馈电贴片耦合的第一耦合区域和第二耦合区域，第一耦合区域和第二耦合区域镜像对称，第二通孔为两个，第一耦合区域和第二耦合区域的始端均各自设有与相应第二通孔一端连接的孔端，第一耦合区域和第二耦合区域的末端均各自设有与相应的第一通孔连接的孔端，即第一通孔将第五导体层电路与第二导体层电路连接起来，第二通孔将第五导体层电路与第七导体层电路连接起来；第六导体层是地板，第六导体层上开有供两个第二通孔穿过且不与第二通孔相互接触的两个开孔；第七导体层包括两个四分之一波长谐振器中的第三耦合区域和第四耦合区域，第三耦合区域和第四耦合区域镜像对称，两个第二通孔的另一端均相应地与第三耦合区域一端的孔和第四耦合区域一端的孔连接，即第二通孔将第七导体层电路与第五层导体层电路连接起来，第三通孔有两个，第三耦合区域另一端的孔和第四耦合区域另一端的孔相应地与第三通孔的一端连接，即第三通孔将第七导体层电路与第九导体层电路连接起来；第八导体层是地板，第八导体层上相应开有供两个第三通孔穿过且不与第三通孔接触的两个开孔；第八导体层上还设有所述两个四分之一波长谐振器短路端的两个接地孔，第四通孔有两个，所述两个接地孔均各自通过第四通孔一端与第九导体层的电路相连接；第九导体层是两个四分之一波长谐振器短路端所在的层，同时也是两个四分之一波长谐振器的第五耦合区域和第六耦合区域所在的层，第九导体层呈镜像对称，第五耦合区域和第六耦合区域均有一端作为与第四通孔另一端连接的孔端，即第四通孔将第九导体层电路与第八导体层的地板相连接构成两个四分之一波长谐振器短路端；第五耦合区域的另一端和第六耦合区域的另一端相应地为与第三通孔另一端连接的孔端，第十导体层是地板。

进一步地，采用了四分之一波长谐振器，相较于二分之一波长谐振器，有效地减小了滤波器的尺寸；一对长度和结构均不相同的导体构成馈电贴片，通过频率选择性耦合分别抑制三次谐波和五次谐波；位于左边馈电线结构末端区域与右边左边馈电线结构中间区域形成源负载耦合，源负载耦合在通带左边产生一个传输零点，调节这个传输零点的位置，可以使通带达到一个更好的选择性。

本发明采用了四分之一波长谐振器，相较于二分之一波长谐振器，有效地减小了滤波器的尺寸；并且，采用了LTCC多层结构工艺制造，进一步使滤波器结构更加紧凑；另外，本发明还可利用不同的介质层数实现导体的阻抗变化，这样可以有效减小耦合区域的导体的线宽，线长以及线间距，达到缩小尺寸的作用。

该滤波器是由一对长度和结构均不相同的导体构成馈电贴片（即两条馈电线），通过频率选择性耦合分别抑制三次谐波和五次谐波；位于左边馈电结构末端区域与右边的馈电结构中间区域形成源负载耦合，源负载耦合在通带左边产生一个传输零点，调节这个传输零点的位置，可以使通带达到一个更好的选择性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、采用LTCC多层工艺，有效减小了滤波器尺寸。

2、利用频率可选择性耦合方法通过耦合馈电的方式抑制了三次谐波和五次谐波，得到了很宽的阻带，带外抑制很好。

3、馈电线之间引入源负载耦合，产生了一个传输零点，使得通带的选择性得到了极大的提升。

附图说明

图1是本发明的立体结构分层示意图；

图2是本发明的第一导体层俯视示意图；

图3是本发明的第二导体层俯视示意图；

图4是本发明的第三导体层俯视示意图；

图5是本发明的第四导体层俯视示意图；

图6是本发明的第五导体层俯视示意图；

图7是本发明的第六导体层俯视示意图；

图8是本发明的第七导体层俯视示意图；

图9是本发明的第八导体层俯视示意图；

图10是本发明的第九导体层俯视示意图；

图11是本发明的第十导体层俯视示意图；

图12是本发明LTCC滤波器实施例的频率响应特性曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，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附图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于频率选择性耦合的三次五次谐波抑制的LTCC滤波器，其特征在于整个滤波器为LTCC多层结构，由九层介质基板、十层导体层和八个金属通孔组成；两个四分之一波长短路线谐振器分别由位于五个不同导体层的微带线通过金属通孔连接在一起，呈左右对称结构分布；两条馈电线位于同一导体层，呈非对称结构分布;每一层介质基板由下而上顺次层叠，第一层导体层位于第九介质板9上表面，第二导体层位于第九介质板9和第八介质板8之间，第三导体层位于第八介质板8与第七介质板7之间，第四导体层位于第七介质板7与第六介质板6之间，第五导体层位于第六介质板6与第五介质板5之间，第六导体层位于第五介质板5与第四介质板4之间，第七导体层位于第四介质板4与第三介质板3之间，第八导体层位于第三介质板3与第二介质板2之间，第九导体层位于第二介质板2与第一介质板1之间，第十导体层位于第一介质板1下表面。

如图2所示，第一导体层为金属地板10。

如图3所示，第二导体层是两个四分之一波长谐振器始端，第二导体层呈镜像对称，第一通孔11有两个，两个四分之一波长谐振器的开路端911均各自设有第一通孔11的孔端901、902，第一通孔11将第二导体层的电路与第五层电路连接起来。

如图4所示，第三导体层为地板，上面相应位置上有两个开孔801供两个第一通孔11通过且第一通孔11和第三导体层之间没有物理接触；第三导体层左右两边各有一个缺口，缺口位置分别正对于第三导体层的下层电路即第四导体层的输入输出端口。

如图5所示，第四导体层为两条馈电线部分，各由结构和长度均不相同的馈电贴片组成，左边馈电线结构由左边馈电线始端701向左边馈电线终端702延伸，在左边馈电线的中端引出一个馈电端口703，右边馈电线结构包括右边馈电线始端704和右边馈电线末端即另一馈电端口705。通过频率选择性耦合分别抑制三次谐波和五次谐波；位于左边馈电结构末端区域即左边馈电线终端702与右边的馈电结构中间区域706形成源负载耦合，源负载耦合在通带左边产生一个传输零点，调节这个传输零点的位置，可以使通带达到一个更好的选择性。

如图6所示，第五导体层包括所述两个四分之一波长谐振器中分别与第四导体层的馈电贴片耦合的第一耦合区域611和第二耦合区域612，第一耦合区域611和第二耦合区域612镜像对称，第二通孔12为两个，第一耦合区域611和第二耦合区域612的始端均各自设有与相应第二通孔12一端连接的孔端601、603，第一耦合区域611和第二耦合区域612的末端均各自设有与相应的第一通孔11连接的孔端602、604，即第一通孔11将第五导体层电路与第二导体层电路连接起来，第二通孔12将第五导体层电路与第七导体层电路连接起来。

如图7所示，第六导体层是地板，第六导体层上开有供两个第二通孔12穿过且不与第二通孔12相互接触的两个开孔501。

如图8所示，第七导体层包括两个四分之一波长谐振器中的第三耦合区域411和第四耦合区域412，第三耦合区域411和第四耦合区域412镜像对称，两个第二通孔12的另一端均相应地与第三耦合区域411一端的孔401和第四耦合区域412一端的孔403连接，即第二通孔12将第七导体层电路与第五层导体层电路连接起来，第三通孔13有两个，第三耦合区域411另一端的孔402和第四耦合区域412另一端的孔404相应地与第三通孔13的一端连接，即第三通孔13将第七导体层电路与第九导体层电路连接起来。

如图9所示，第八导体层是地板，第八导体层上相应开有供两个第三通孔13穿过且不与第三通孔13接触的两个开孔301；第八导体层上还设有所述两个四分之一波长谐振器短路端的两个接地孔（311、312），第四通孔14有两个，所述两个接地孔（311、312）均各自通过第四通孔14一端与第九导体层的电路相连接。

如图10所示，第九导体层是两个四分之一波长谐振器短路端所在的层，同时也是两个四分之一波长谐振器的第五耦合区域211和第六耦合区域212所在的层，第九导体层呈镜像对称，第五耦合区域211和第六耦合区域212均有一端作为与第四通孔14另一端连接的孔端（201、203），即第四通孔14将第九导体层电路与第八导体层的地板相连接构成两个四分之一波长谐振器短路端；第五耦合区域211的另一端和第六耦合区域212的另一端相应地为与第三通孔13另一端连接的孔端（202、204），第十导体层是地板16。

如图10所示，第十导体层是地板16。

本实施例中，通带中心频率由四分之一波长谐振器长度决定，通带左边零点的位置主要由源负载耦合强度决定，通带右边的第一个零点主要由四分之一波长短路端的磁耦合决定，通带右边第二个零点主要由馈电线与谐振器的耦合决定，通过调节上述所指出的谐振器长度，源负载耦合和馈电线与谐振器的耦合，本实施例获得了所需的通带和阻带特性。

下面对一个实施例的各项参数描述如下：

如图3~11所示，L1为2.85mm，L2为3.4mm，L3为3.8mm，L4为3.8mm，L5为0.35mm，L6为3.8mm，L7为6.4mm，L8为3.4mm，L9为3.4mm，L10为4.9mm，L11为4.9mm，L12为1.7mmW1为1.2mm，W2为1.2mm每一层的介质厚度为0.1mm，导体层采用的是金属铜，介质基板为陶瓷，相对介电常数Er为5.9，介质损耗正切tan为0.002，电路体积为3.4mm*2.8mm*1.8mm。

测试结果如图11所示，图中包含四条曲线S11、S21、，该滤波器工作于2.4G，最小插入损耗为2.3dB,通带内回波损耗约为22dB，紧靠在通带上边频和通带下边频各有一个传输零点，使得该滤波器的选择性非常好。在4GHz到14GHz之间实现了超过24dB的带外抑制水平，可见，该滤波器具有非常好的选择性和宽阻带抑制性。

综上，本发明提供了采用馈电线与谐振器之间的选择性耦合结构来抑制三次五次谐波的宽阻带LTCC带通滤波器；这个电路具有体积小，宽阻带，插损小的优异性能，可加工为贴片元件，易于与其他电路模块集成，可广泛应用于无线通讯系统的射频前端中。

以上所描述的实施例是本发明中的一个较好的实施例，并不用以限制本发明。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，基于本发明所做的任何修改，等同替换，改进所获得的其他实施例，都属于本发明实施例的保护范围。