一种基于LTCC的双模带通滤波器及制备方法

本发明属于微波器件设计及制造，尤其涉及一种基于ltcc的双模带通滤波器及制备方法。

背景技术：

1、滤波器是最基本的微波电子器件，广泛应用于各行各业；随着5g时代的到来，特别是5g的fr2应用中，已经将民用频段提升至毫米波频段，国内外多家企业都开始关注并布局滤波器的应用市场，但这些企业目前公布出来的产品，从尺寸和性能方面看还存在较大提升空间；另外，电子信息产业推动着电子器件不断向着小型化、高频段、高性能方向发展，这使得小型化滤波器的研制方法成为通信电子系统集成技术中不可或缺的技术。

2、总结下来，传统滤波器存在以下缺点：

3、1、金属腔体滤波器难以小型化和轻量化，在大多数应用场合难以发挥作用；

4、2、薄膜微带滤波器虽然精度高，但是毫米波段对薄膜微带滤波器的平面结构中线条的精度要求非常高；难以小型化；

5、3、相比于金属腔体形式，介质滤波器更具小型化优势，但是难以做出复杂耦合结构的介质滤波器。

6、然而，谐振器作为滤波器的核心部件，对滤波器的性能具有较大的影响；因此提供一种基于ltcc的双模带通滤波器及制备方法，就显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于ltcc的双模带通滤波器及制备方法，就显得尤为重要。

2、这种基于ltcc的双模带通滤波器，包括：接地层和电介质基板，电介质基板连接接地层且位于接地层上方；还包括金属化通孔和七层金属层；电介质基板为陶瓷体，金属化通孔和七层金属层设于陶瓷体内部；

3、金属化通孔包括设于陶瓷体内部的第一金属化通孔和第二金属化通孔；陶瓷体内部，由下至上依次间隔设置io端口面、第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层和滤波器表面贴装器件；io端口面、第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层和滤波器表面贴装器件上均设有金属化通孔，所有的金属化通孔构成金属化通孔阵列，金属化通孔阵列从滤波器底部到顶部贯穿整个滤波器；

4、io端口面上其中两个相对的边上朝里设有两个金属焊盘；

5、第一金属化通孔从其中一个金属焊盘延伸至第二金属层，第一金属化通孔贯穿该金属焊盘与第二金属层之间的介质，第一金属化通孔还贯穿第一金属层；

6、第二金属化通孔从位于陶瓷体内底部的另一金属焊盘延伸至陶瓷体内靠上位置处的第六金属层，第二金属化通孔贯穿该金属焊盘与第六金属层之间的介质，第二金属化通孔由下至上还依次贯穿第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层；

7、第二金属层，包含三块分体金属板，其中两块分体金属板在水平面上轴对称，两个分体金属板相互接近的端部不接触且存在一定距离，剩余一块分体金属板位于前两块分体金属板中间且不与另外两块分体金属板接触；位于另外两块分体金属板中间的分体金属板上连接输入传输线一端，输入传输线一端另一端引出至第一金属化通孔内；位于中间的分体金属板上依次沿顺时针方向开设有第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽，第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽分别位于所在分体金属板四面外边缘的中心；第一矩形凹槽和第二矩形凹槽之间的金属板实体部分上设有第一矩形切角，第三矩形凹槽和第四矩形凹槽之间的金属板实体部分上设有第二矩形切角；输入传输线从轴对称的两块分体金属板间形成的矩形缺口内引出；

8、第四金属层，为一块金属板；该金属板中部开设有第一条形开口、第二条形开口和第三条形开口，其中第一条形开口和第三条形开口分别位于第二条形开口两侧，且分别与第二条形开口两端部平齐；该金属板上还设有第一矩形凹槽；

9、第六金属层，包括设有矩形缺口的矩形金属环片以及设于矩形金属环片内部的金属板；设于矩形金属环片内部的金属板上沿逆时针方向依次设有第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽；第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽分别位于设于矩形金属环片内部的金属板四面外边缘的中心；第三矩形凹槽正对矩形金属环片的矩形缺口；输出传输线一端穿过矩形缺口连接第三矩形凹槽中部的金属板，输出传输线另一端从矩形缺口内引出至第二金属化通孔内；第一矩形凹槽和第二矩形凹槽之间的金属板实体部分上设有第一矩形切角，第三矩形凹槽和第四矩形凹槽之间的金属板实体部分上设有第二矩形切角；

10、第二金属层上位于另外两块分体金属板中间的分体金属板，分体金属板上开设的第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽，位于第一矩形凹槽和第二矩形凹槽之间的第一矩形切角，以及位于第三矩形凹槽和第四矩形凹槽之间的第二矩形切角构成第一双模谐振器；

11、第六金属层上的矩形金属环片，位于矩形金属环片内部的金属板及其上的第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽，位于第一矩形凹槽和第二矩形凹槽之间的第一矩形切角，位于第三矩形凹槽和第四矩形凹槽之间的第二矩形切角，构成第二双模谐振器；

12、第一双模谐振器和第二双模谐振器之间通过陶瓷体内壁，第四金属层，位于第四金属层上的第一条形开口、第二条形开口和第三条形开口，位于第四金属层上的第一矩形凹槽形成交叉耦合，可以在带外构造双传输零点，提升滤波器的选择性。

13、作为优选：

14、第一金属层，包含两块分体金属板，两块分体金属板在水平面上轴对称，两个分体金属板相互接近的端部不接触且存在一定距离；

15、第三金属层，为设有矩形切口的矩形金属环片；

16、第五金属层，为设有矩形切口的矩形金属环片，矩形切口位于输出传输线正下方；

17、第七金属层，为设有矩形切口的矩形金属环片，矩形切口位于输出传输线正上方。

18、作为优选，io端口面上设置的两个金属焊盘、第一金属化通孔、第二金属化通孔、输入传输线和输出传输线组成第一双模谐振器和第二双模谐振器的输入输出馈电装置；金属焊盘为镍-金复合膜层。

19、作为优选，第一金属层、第七金属层、第一金属化通孔和第二金属化通孔组成信号屏蔽结构。

20、作为优选：

21、第二金属层上，第一矩形切角和第二矩形切角分别位于中间分体金属板的两个对角上；

22、第六金属层上，第一矩形切角和第二矩形切角分别位于处于矩形金属环片内部的金属板的两个对角上。

23、作为优选，电介质基板的介电常数为7.12，烧结后的电介质基板在z方向的单层厚度为0.1mm，用作微波介质材料；第一金属层至第七金属层七个金属层均为印刷于陶瓷体上的具备电路拓扑结构的银层；电介质基板为低温共烧陶瓷材质。

24、作为优选，双模带通滤波器的中心频率为30ghz。

25、作为优选，双模带通滤波器的尺寸为长3mm，宽3mm，高0.8mm。

26、这种基于ltcc的双模带通滤波器的制备方法，包括以下步骤：

27、步骤1、根据目标双模带通滤波器的性能要求，确定传输零点个数，确定待设计的双模带通滤波器的耦合形式，通过耦合矩阵综合理论得到滤波器的耦合矩阵；对双模带通滤波器进行建模和仿真，确定基于ltcc的双模带通滤波器的设计参数，得到双模带通滤波器的实际尺寸和耦合矩阵的关系；

28、步骤2、根据步骤1所得双模带通滤波器的实际尺寸和耦合矩阵的关系，设计出双模带通滤波器内io端口面、第一金属层至第七金属层和滤波器表面贴装器件的拓扑结构；根据拓扑结构，采用银浆料按照丝网印刷方式在每层ltcc电介质基板上印刷出对应拓扑结构的电路；

29、步骤3、通过对位叠层、等静压、共烧方式，将印刷出的每层拓扑结构的电路集成至陶瓷体内，将集成有拓扑结构电路的陶瓷体共烧成型；

30、步骤4、在io端口面镀覆两处相对的镍-金复合膜层，作为金属焊盘。

31、作为优选，步骤4中镍-金复合膜层中镍层厚度为2.5um～5um，金层厚度为0.1um～0.3um。

32、本发明的有益效果是：

33、本发明设计的基于ltcc的双模带通滤波器，所采用的低温共烧陶瓷(ltcc)是一种多层集成电路材料，由细陶瓷制成，具有良好的耐热性、尺寸稳定性、机械性能和优异的电学性能；相比其他基板材料，ltcc损耗更低，高频性能更好，尺寸更小；ltcc本身的多层结构特性，也使得ltcc集成的三维结构的双模带通滤波器，能够满足现代化的电子产品对尺寸、性能、可靠性的要求。

34、本发明设计的特殊结构的双模微带滤波器，它的一个谐振单元可以用作双调谐谐振电路，一个n阶滤波器需要的谐振单元数可以减半，仅设置一个谐振器就能具备两种谐振频率，在保证性能的前提下，本发明通过第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、io端口面和滤波器表面贴装器件这九层金属图形，在层间形成耦合电磁场分布；充分利用陶瓷体内部z方向空间，来容纳第一金属层至第七金属层的拓扑结构，大幅度缩减了双模带通滤波器中x方向和y方向的尺寸，大大减小了滤波器的尺寸，达到对滤波器进行小型化的目的；还能够提升小型化ltcc滤波器的电性能。

35、本发明在谐振器的正交平面上引入微扰元(第一矩形切角和第二矩形切角)，微扰元在谐振器的某一位置添加扰动，能够略微降低谐振器的几何对称性；微扰元的引入使得两个具有物理正交性的简并模相互耦合，实现双模态的交叉耦合，使得滤波器能够广泛应用于微波电子领域(射频微波电路)、5g通信以及其他微波电子系统。

36、本发明能够通过调节第二金属层中的第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽的大小，来微调第一双模谐振器的频率；还能够通过调节第六金属层中的第一矩形凹槽、第二矩形凹槽、第三矩形凹槽和第四矩形凹槽的大小，来微调第二双模谐振器的频率；第四金属层的电路拓扑图形为实现电磁波在垂直方向传输的最关键图形，能够通过调节第四金属层上第一条形开口、第二条形开口和第三条形开口的大小和位置，来调节第一双模谐振器和第二双模谐振器之间的耦合大小。

37、本发明的电介质基板选用介电常数7.12的陶瓷体；本发明的第一金属层、第七金属层、第一金属化通孔和第二金属化通孔组成信号屏蔽结构，能够有效保护基于ltcc的双模带通滤波器内部信号的传输，提升传输质量，减少传输信号辐射损耗；可有效阻止60ghz以下的干扰型号进入双模带通滤波器，提升双模带通滤波器的抗干扰能力。