专利名称：一种基于ltcc的小型化x波段带通滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于微波技术领域，涉及一种带通滤波器，更具体地说，涉及一种基于LTCC 工艺的小型化X波段带通滤波器设计方法。
背景技术：
微波滤波器是微波系统中控制系统频率响应特性的二端口网络，其性能直接影 响整个系统的性能。传统的滤波器多采用微带或谐振腔形式实现，虽能实现低损耗，但 往往具有较大的平面尺寸。现代通讯系统对期间的小型化和高性能的要求不断提高，为 了解决器件的尺寸与传输特性之间的矛盾，Yasushi Horri等人在2005年提出了多层 (Multilayered,ML) CRLH TL结构。ML TL结构使得电磁波沿垂直于水平面的竖直方向传播， 并用垂直于传播方向的水平平行板电容取代平面微带线结构中常用的平面电容，将电磁波 的传输方向和模型尺寸变化方向分别放在两个维度。这样的ML TL结构最大的优点在于可 以在较大的电长度下得到较小的物理尺寸和较短的传输线长度。低温共烧陶瓷(LTCC)是电子封装技术的一种，采用多层陶瓷技术，能够将无源元 件内埋置于介质基板内部，同时也可以将有源元件贴装于基板表面制成无缘/有缘集成的 功能模块。LTCC技术在成本、集成封装、布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计的多样性及 优良的高频性能等方面都显现出众多优点，已成为无源集成的主流技术。近年来在微波领 域的应用受到越来越多的关注，具有高Q值，便于内嵌无源器件，散热性好，可靠性高，耐高 温，冲震等优点，利用LTCC技术，可以很好的加工出尺寸小，精密度高，紧密性好，损耗小的 微波器件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种尺寸小、紧密性好、通带内插入损耗小和带外抑制度 高的新型的小型化X波段LTCC带通滤波器的设计方法，基于LTCC工艺，利用多层复合左右 手传输线结构实现等效集总参数元件，并设计了上下边带传输零点。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的，一种基于LTCC的小型化X波段 LTCC带通滤波器，包括一个上下前后四个面有接地金属外壳，其中接地金属外壳的上下面 通过金属过孔连接；接地金属外壳内部上下平行设置七块水平设置的金属板，所述七块金 属板包括七块尺寸相同的平板，自下而上分别命名第一平板至第七平板；第一平板连接的 输入端带状线、第七平板连接的输出端带状线，分别通过穿过金属外壳的金属过孔引到微 带线，以微带线形式输入输出；接地金属外壳内器件周围和接地金属外壳下方微带线及金 属过孔周围填充陶瓷介质材料。本发明进一步的技术方案是，所述上下平行设置的七块金属平板中，第一平板除 连接输入带状线外，同时连接与接地金属外壳前面相连的第一前向金属线；第二平板连接 与接地金属外壳前面相连的第二前向金属线；第三平板连接与接地金属外壳后面相连的第 一后向金属线；第五平板连接与接地金属外壳后面相连的第二后向金属线；第六平板连接与接地金属外壳前面相连的第三前向金属线，所述第三前向金属线与第二前向金属线呈上 下平行设置，通过两个金属过孔相连；所述第七平板除连接输入带状线外，同时连接与接地 金属外壳前面相连的第四前向金属线。所述的相邻平板实现左手串联电容；前向金属线、后向金属线实现左手并联电感。 所述连接前向金属线的金属过孔实现了上边带传输零点；相邻前向金属线之间的电容耦合 实现了下边带传输零点。所述连接输入、输出端带状线和微带线的金属过孔与连接金属接地外壳上下面的 金属过孔形成准同轴线结构，使异面的馈源端口转换为共面端口。本发明的有益效果是与现有发明比较，本发明基于LTCC工艺，提出了一种结构 简单、尺寸更小、通带内插入损耗更小、带外抑制度更高的X波段带通滤波器的设计方法。 本发明采用了多层复合左右手传输线结构，将电磁场的传输方向和模型尺寸变化方向分别 放在两个维度，有效的减小了器件的尺寸；同时基于LTCC工艺，多层传输线结构等效集总 参数元件，设计出的上下边带的传输零点，很好的改善了带外抑制和高频性能。
图1为本发明所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的结构示意图；图2为本发明所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的前视图；图3为本发明所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的俯视图；图4为本发明所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的左视图；图5为本发明具体实施方式
所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的幅频特 性仿真结果；图6为本发明具体实施方式
所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的群时延 特性仿真结果；图7为本发明所述基于LTCC的小型化X波段带通滤波器的周期单元等效电路图。其中1为第一金属板；2为第二金属板；3为第三金属板；4为第四金属板；5为第 五金属板；6为第六金属板；7为第七金属板；8为接地金属外壳；9为第一金属过孔；10为 第二金属过孔；11为第三金属过孔；12为第一微带；13为第二微带；14为第四金属过孔；15 为陶瓷介质材料；Ia为第一平板；Ib为输入端带状线；Ic为第一焊盘；Id为第一前向金属 线；2a为第二平板；2b为第二前向金属线；2c为第二焊盘；3a为第三平板；北为第一后向 金属线；如为第四平板为第五平板；恥第二后向金属线；6a为第六平板；6b为第三前 向金属线；6c为第三焊盘；7a为第七平板；7b为输出端带状线；7c为第四焊盘；7d为第四 前向金属线。具休实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示，一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，上下前后四个面有接地 金属外壳8，其中接地金属外壳的上下面通过第一金属过孔9连接；腔内部上下平行设置七 块水平设置的金属板，自下向上分别为第一金属板1、第二金属板2、第三金属板3、第四金 属板4、第五金属板5、第六金属板6、第七金属板7 ；七块金属板包括七块尺寸相同的平板， 自下而上分别命名第一平板la、第二平板2a、第三平板3a、第四平板4a、第五平板5a、第六平板6a、第七平板7a ；第一平板Ia连接的输入端带状线lb，通过穿过金属外壳8的第二金 属过孔10连接到第一微带线12，第七平板7a连接的输出端带状线7b，通过穿过金属外壳8 的第三金属过孔11连接到第二微带线13，所述第二金属过孔10、第三金属过孔11与连接 接地金属外壳上下面的第一金属过孔9形成准同轴线结构，使异面端口转换为共面端口 ； 第一平板Ia连接与接地金属外壳前面相连的第一前向金属线ld，输入端带状线Ib连接第 一焊盘Ic ；第二平板加连接与接地金属外壳前面相连的第二前向金属线2b ；第三平板3a 连接与接地金属外壳后面相连的第一后向金属线北；第五平板如连接与接地金属外壳后 面相连的第二后向金属线恥；第六平板6a连接与接地金属外壳前面相连的第三前向金属 线6b ；第七平板7a连接与接地金属外壳前面相连的第四前向金属线ld，输出端带状线7b 连接第四焊盘7c ；第二前向金属线2b和第三前向金属线6b之间通过第四金属过孔14连 接，所述第四金属过孔14的底端连接第二焊盘2c、顶端连接第三焊盘6c ；接地金属外壳8 内器件的周围和接地金属外壳8下方微带线12、13及金属过孔10、11周围填充陶瓷介质材 料15。在此结构中，左手并联电感k由第二前向金属线2b、第三前向金属线6b及第一后 向金属线北、第二后向金属线恥提供，左手串联电容Q由平板la_7a中两两相邻平板之间 的间距提供。连接第二前向金属线2b与第三前向金属线6b的第四金属过孔14，等效为不 相邻级间的反馈电感，实现了高阻带的传输零点；第一前向金属线Id和第二前向金属线2b 之间的电容耦合、第三前向金属线6b和第四前向金属线7d之间的电容耦合，等效为相邻级 间的电容，实现了低阻带的传输零点。本发明滤波器工作原理左右手传输线等效电路如图7所示，通常情况下为了得 到有效带宽有ωκ，工程应用中更为简单的CRLH TL平衡时截止频率表达式为
ωτ 1
2 2猛
ωοΚ ^2ωκ +^γ-2Od =-
私rCR式中
1ω L——左手频率变量，coL = ^^ ；
1ω R—右手频率变量，ωκ = -TF^ ；
V尺尺ω cL—左手传输部分截止频率；ω cR—右手传输部分截止频率；可以看出，中心频率以及决定带宽大小的截止频率均由Q、k、CK、LK决定。通过调 整用来提供左右手传输特性电容、电感值的结构参数，可以达到改变频率特性的目的。小型化滤波器往往不能避免各级谐振腔间耦合较大，带外抑制差的问题。在通带 频率附近，实现几个传输零点，往往可以降低部分频段内的带外抑制。传输零点的形成主要原因是能量的阻隔，分两种情况全反射和能量短路到其他 支路。当信号经过并联网络Y时，Y的导纳为无穷大发生短路，将能量全部传到地，从而形 成传输零点；当信号经过串联网络Z的阻抗无穷大时，信号无法经过，形成一个传输零点。
本专利中连接第二前向金属线和第三前向金属线的两个金属过孔，等效为不相邻 级间的反馈电感，实现了高阻带的传输零点；相邻前向金属线间的电容耦合，实现了低阻带 的传输零点。通过调节模型结构参数，改变等效电感、电容值，可以方便的调节传输零点。本发明中LTCC工艺所采用金属为金，介质基板材料为Ferro-A6型LTCC陶瓷材 料，其相对介电常数为5. 9，介质损耗为0. 002，烧结前介质板厚度d = 127um,整个滤波器共 20层介质板厚度，整个器件体积仅为4. 5mmX 3. 6mmX 1. 93mm。该滤波器模型幅频特性仿真结果如图5所示，该带通滤波器工作于 9. 24GHz-10. 03GHz,通带内插入损耗小于1. 2dB,通带内回波损耗大于13. 3dB,下边带 7. 41GHz,8. 5GHz处有两个传输零点，上边带11.63GHz、14. 47GHz处有两个传输零点， 7. 9GHz以下很大频段内带外抑制大于35dB，11. 4GHz以上很大频段内带外抑制大于35dB。该滤波器模型群时延特性仿真结果如图6所示，改带通滤波器在工作频段内，群 时延在0. 48ns-0. 63ns之间，通带内群时延波动仅小于0. 15ns。综上所述，本发明提出的X波段带通滤波器设计方法，采用了多层左右手复合传 输线结构，将波的传输方向和模型尺寸变化方向分别放在两个维度，有效的减小了器件的 尺寸；同时基于LTCC工艺，多层传输线结构等效集总参数元件，设计出的上下边带的传输 零点，很好的改善了带外抑制和高频性能。设计了一种结构简单、尺寸更小、带内插入损耗 更小、带外抑制度更高的X波段带通滤波器，该带通滤波器可以广泛的应用于微波通信系 统中。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱 离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所 提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在于，上下前后四个面有接地金 属外壳，其中接地金属外壳的上下面通过金属过孔连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在于，所 述接地金属外壳内部上下平行设置七块金属板，每块金属板呈水平设置，自下而上分别命 名第一金属板至第七金属板；所述七块金属板包括七块尺寸相同的平板，自下而上分别命 名第一平板至第七平板。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在 于，所述第一平板连接的输入端带状线、第七平板连接的输出端带状线，分别通过穿过接地 金属外壳的金属过孔引到微带线，以微带线形式输入输出，所述金属过孔与连接金属外壳 上下面的金属过孔形成准同轴线结构，使异面端口转换为共面端口。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在 于，所述七块尺寸相同的平板中，第一平板除连接输入端带状线，同时连接与接地金属外壳 前面相连的前向金属线；第二平板连接与接地金属外壳前面相连的前向金属线；第三平板 连接与接地金属外壳后面相连的后向金属线；第五平板连接与接地金属外壳后面相连的后 向金属线；第六平板连接与接地金属外壳前面相连的前向金属线；第七平板除连接的输入 端带状线，同时连接与接地金属外壳前面相连的前向金属线。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在于， 所述第二平板、第六平板所连接的前向金属线，呈上下平行设置，通过两个金属过孔相 连。
6.根据权利要求1或3所述的一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，其特征在于， 所述接地金属外壳内器件周围填充陶瓷介质材料，接地金属外壳下方微带线及金属过孔周 围填充陶瓷介质材料。
全文摘要
本发明公开了一种基于LTCC的小型化X波段带通滤波器，该滤波器包括接地金属外壳，及多层连接前向或后向金属线的金属平板，通过金属过孔将不同层的带状线馈电端引到表层微带线传输，以微带线形式输入输出，金属外壳内器件周围和接地金属外壳下方微带线及金属过孔周围填充陶瓷介质材料。本发明采用基于LTCC工艺的多层复合左右手传输线结构等效集总参数元件，设计出的上下边带传输零点，很好的改善了带外抑制和高频性能，最终提出了一种结构简单、尺寸小、紧密性好、通带内插入损耗小和带外抑制度高的新型X波段LTCC带通滤波器。
文档编号H01P1/203GK102136615SQ20111000308
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月10日 优先权日2011年1月10日
发明者刘振武, 张安学, 张永曦, 徐卓, 蒋延生, 钟森 申请人:西安交通大学