本發(fā)明屬于電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種小型化集總參數(shù)ltcc帶通濾波器及其采用的雜散抑制型叉指電容和螺旋電感。

背景技術(shù)：

帶通濾波器(band-passfilter，bpf)是現(xiàn)代系統(tǒng)級封裝(systeminpackage，sip)開發(fā)中必不可少的關(guān)鍵組件。它也是最大的組件之一，特別是在超外差接收機(jī)中變頻到較低的中頻頻帶(intermediatefrequency，if)(大部分的fif<200mhz)之后。為了在這些極低頻率下實(shí)現(xiàn)小型化，由于垂直方向的集成水平較高，低溫共燒陶瓷(lowtemperatureco-firedceramic，ltcc)適用于構(gòu)建集總參數(shù)濾波器。很少有文獻(xiàn)使用ltcc技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾十兆赫頻率的帶通濾波器，并且大波長使得尺寸減小非常具有挑戰(zhàn)性。此外，大型聲表濾波器由于尺寸較小而在低頻率下占主導(dǎo)地位，但是它們有更高的插入損耗和群延遲，并且同時需要額外的電容器和電感器用于阻抗匹配。

帶通濾波器在幾十兆赫茲頻率下工作需要大電容和大電感構(gòu)成諧振器。實(shí)現(xiàn)大電容的同時減小濾波器尺寸只能通過使用垂直叉指型電容器(vertically-interdigitalcapacitor，vic)來實(shí)現(xiàn)。目前，增強(qiáng)vic的電容的兩種方式增加了叉指的尺寸或數(shù)量。然而，增加叉指的尺寸對于過濾器尺寸減小沒有幫助。增加指狀物的數(shù)量導(dǎo)致在多個頻點(diǎn)處產(chǎn)生不期望的共振或寄生雜散尖峰，從而限制了其可用頻帶。因?yàn)関ic是多導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其呈現(xiàn)通帶和阻帶。雖然所有的vic在設(shè)計和構(gòu)建時都顯示出這個問題，但目前還沒有文獻(xiàn)對多層vic的容值和雜散尖峰的抑制進(jìn)行探究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的因?yàn)槌霈F(xiàn)不期望的共振或寄生雜散尖峰，從而限制可用頻帶的缺陷，提出了使用高阻抗線路實(shí)現(xiàn)多層螺旋電感和一種雜散抑制型垂直叉指電容(spuriousspikessuppressedvertically-interdigitalcapacitor，svic)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種小型化集總參數(shù)ltcc帶通濾波器，包含雜散抑制型垂直叉指電容與三維螺旋電感，其特征在于濾波器為偶數(shù)層結(jié)構(gòu)，雜散抑制型垂直叉指電容與三維螺旋電感在濾波器的最頂層通過微帶線連接，雜散抑制型垂直叉指電容通過將間隔指的開路末端用垂直過孔連接并且具有缺陷結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明進(jìn)一步提出一種上述小型化集總參數(shù)ltcc帶通濾波器采用的雜散抑制型叉指電容，該叉指電容具有八節(jié)方形叉指的垂直叉指電容，均由8節(jié)叉指構(gòu)成，每節(jié)叉指分別位于第1、2、3、4、5、6、7、8層，垂直過孔連接第1、3、5、7叉指電容的開路端，在第3、5、7節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過，另一垂直過孔連接第2、4、6、8叉指電容的另一開路端，在第2、4、6節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過。

本發(fā)明還進(jìn)一步提出一種上述小型化集總參數(shù)ltcc帶通濾波器采用的螺旋電感，該螺旋電感采用三維多層螺旋結(jié)構(gòu)，有效提高了電感的q值，電感l(wèi)1設(shè)計成正方形，電感l(wèi)2設(shè)計成矩形。

作為優(yōu)選，上述螺旋電感由9.5圈0.2mm寬的高阻抗線來實(shí)現(xiàn)螺旋電感結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1，本發(fā)明針對60mhz的極低中心頻率，提出了一種微型集總元件10層低溫共燒陶瓷(ltcc)濾波器。通過使用高阻抗線路實(shí)現(xiàn)螺旋電感和雜散抑制型垂直叉指電容(svic)實(shí)現(xiàn)小型化、高性能和高可靠性。

2，雜散抑制型垂直叉指電容(svic)通過將間隔指的開路末端用垂直過孔連接并增加缺陷結(jié)構(gòu)和通孔，實(shí)現(xiàn)垂直交叉指型電容(vic)的電容值增加和雜散抑制，而q值不會下降。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明的svic三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的svic結(jié)構(gòu)等效模型圖。

圖4為本發(fā)明的傳統(tǒng)vic和svic電容值和q值以及電容有效帶寬仿真結(jié)果。

圖5為本發(fā)明的螺旋電感的平面圖、三維圖、電磁仿真電感值和q值。

圖6為本發(fā)明的濾波器仿真和測試結(jié)果。

圖7為本發(fā)明的濾波器三維結(jié)構(gòu)圖。

圖8為本發(fā)明的濾波器的平面結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物照片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明針對60mhz的極低中心頻率提出了一種微型集總元件10層低溫共燒陶瓷(ltcc)濾波器。通過使用高阻抗線路實(shí)現(xiàn)螺旋電感和雜散抑制型垂直叉指電容(svic)實(shí)現(xiàn)小型化。通過將間隔指的開路末端用垂直過孔連接，實(shí)現(xiàn)垂直交叉指型電容(vic)的電容值增加和雜散抑制，而q值不會下降。

為達(dá)到小型化的目的，所以選擇具有較少元件的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為使設(shè)計的帶通濾波器在60mhz的中心頻率處具有15mhz帶寬，選擇了具有八個元件的公知電路模型，如圖1所示。c3在輸入與輸出間引入反饋電容，用于確定兩個傳輸零點(diǎn)的位置以增強(qiáng)濾波器的選擇性。

本發(fā)明提出的濾波器是由電容和電感組成的10層電路，其中電容為8層，電感為10層。這里的電容在傳統(tǒng)vic的基礎(chǔ)上增加了缺陷結(jié)構(gòu)，以便達(dá)到電容尺寸的減小，性能不會下降還抑制了雜散。

提出的雜散抑制型叉指電容中，c1，c2，c3被設(shè)計成具有八節(jié)方形叉指的vic以減小尺寸，叉指電容由8節(jié)叉指構(gòu)成，每節(jié)叉指分別位于第1、2、3、4、5、6、7、8層。

從1端口方向看，第2、4、6、8節(jié)叉指的開路末端用垂直過孔連接，在第3、5、7節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過；從2端口方向看，第1、3、5、7叉指的開路末端用過孔連接，在第2、4、6節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過，如圖2所示。

所提出的svic結(jié)構(gòu)明顯減少了通帶與阻帶的數(shù)量，從而減少了雜散。另外，svic結(jié)構(gòu)也提高了有效電容值。在圖3(a)中，叉指由串聯(lián)電感表示，電容耦合由電容cij建模，其中i和j是叉指數(shù)。圖3(b)展示了當(dāng)添加垂直通孔連接時如何修改多層結(jié)構(gòu)?？芍S著阻帶的數(shù)量減少，頻率響應(yīng)中的寄生尖峰被抑制，容值得到增加而q值卻沒有降低，如圖4(a)所示。

本發(fā)明用常規(guī)的vic和提出的svic分別構(gòu)建模型時，使用svic的模型實(shí)現(xiàn)了大約8％的尺寸減小。此外，消除了3.4ghz，5.4ghz和7.4ghz的雜散尖峰，并且工作帶寬從3.4ghz擴(kuò)展到9.8ghz，因?yàn)楫?dāng)間隔叉指連接時，電流密度分布會改變。在10ghz附近仍存在固有諧振，因?yàn)檫B接的叉指在該頻率下相當(dāng)于四分之一波長諧振器，如圖4(b)。

圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電感l(wèi)1和l2均采用三維多層螺旋結(jié)構(gòu)，9.5圈0.2mm寬的高阻抗線用來實(shí)現(xiàn)螺旋電感結(jié)構(gòu)，有效提高了電感的q值，因?yàn)殡姼衠值對濾波器的通帶內(nèi)插損影響非常大。電感l(wèi)1設(shè)計成正方形，以減少優(yōu)化參數(shù)，其平面和三維圖分別如圖5(a)和(b)所示；電感l(wèi)2設(shè)計成矩形，以降低整個濾波器的水平y(tǒng)方向長度，其平面和三維圖分別如圖5(c)和(d)所示。

如圖1所示，為使設(shè)計的帶通濾波器在60mhz的中心頻率處具有15mhz帶寬，選擇了具有八個元件的公知電路模型。c3在輸入與輸出間引入反饋電容，用于確定兩個傳輸零點(diǎn)的位置以增強(qiáng)濾波器的選擇性，兩個傳輸零點(diǎn)分別在位于34mhz和88mhz處。

如圖2所示，c1，c2，c3被設(shè)計成具有八節(jié)方形叉指的vic以減小尺寸，叉指電容由8節(jié)叉指構(gòu)成，每節(jié)叉指分別位于第1、2、3、4、5、6、7、8層。新穎性在于從1端口方向看，第2、4、6、8節(jié)叉指的開路末端用垂直過孔連接，在第3、5、7節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過；從2端口方向看，第1、3、5、7叉指的開路末端用過孔連接，在第2、4、6節(jié)叉指上有缺陷結(jié)構(gòu)以便于通孔穿過。所提出的svic結(jié)構(gòu)明顯減少了通帶與阻帶的數(shù)量，從而減少了雜散。另外，svic結(jié)構(gòu)也提高了有效電容值。

在圖3(a)中，叉指由串聯(lián)電感表示，電容耦合由電容cij建模，其中i和j是叉指數(shù)。圖3(b)展示了當(dāng)添加垂直通孔連接時如何修改多層結(jié)構(gòu)?？芍?，隨著阻帶的數(shù)量減少，頻率響應(yīng)中的寄生尖峰被抑制。

使用傳統(tǒng)vic結(jié)構(gòu)60mhz時候c1和c3電容值分別為43pf和7.5pf,而采用svic電容c1和c3電容值分別為46pf和8.5pf，而q值卻沒有降低，如圖4(a)所示。所提出的帶通濾波器用常規(guī)的vic和提出的svic分別構(gòu)建模型時，使用svic的模型實(shí)現(xiàn)了大約8％的尺寸減小。

如圖4(b)所示，svic電容消除了3.4ghz，5.4ghz和7.4ghz的雜散尖峰，并且工作帶寬從3.4ghz擴(kuò)展到9.8ghz。

集總參數(shù)濾波器中，電感q值對濾波器的通帶內(nèi)插入損耗影響非常大。為了提高電感的q值，圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中電感l(wèi)1和l2均采用三維多層螺旋結(jié)構(gòu)，9.5圈0.2mm寬的高阻抗線用來實(shí)現(xiàn)螺旋電感結(jié)構(gòu)。電感l(wèi)1設(shè)計成正方形，以減少優(yōu)化參數(shù)，其平面和三維圖分別如圖5(a)和(b)所示；電感l(wèi)2設(shè)計成矩形，以降低整個濾波器的水平y(tǒng)方向長度，其平面和三維圖分別如圖5(c)和(d)所示。當(dāng)頻率為60mhz時，l1和l2的電感值分別為123nh和317nh，q值分別為43和42，如圖5(e)所示。

該濾波器由10層ltcc組成，其中包含8層電容和10層電感，ferro-a6m燒制后的基板具有0.1mm厚度，介電常數(shù)為5.9，損耗角正切為0.002。該濾波器最終電磁優(yōu)化后的尺寸參數(shù)為wc1＝wc2＝3.15mm,wc3＝1.1mm,l1＝2.4mm,l2＝3.8mm,l3＝1.1mm,r＝0.2mm,r＝0.3mm,其中參數(shù)分別在圖2和5中定義。所提出的帶通濾波器的結(jié)構(gòu)，俯視圖和照片分別示于圖7和圖8(a)和(b)中。

如圖6所示，仿真結(jié)果與測量結(jié)果非常吻合。濾波器中心頻率為60mhz,基于15db回波損耗其帶寬為18mhz。兩個傳輸零點(diǎn)分別位于34mhz和88mhz頻率處。通帶內(nèi)插損為1.95db。測量的通帶插入損耗較高是由于頂部金屬層具有較大的表面粗糙度從而具有較高電阻損耗。

如圖8所示，所提出的濾波器整體尺寸為10mm×10mm×1mm(不包括gsg探針測試預(yù)留微帶線面積)，該尺寸等效為0.004×0.004×0.0004λg(λg為厚度為1mmferroa6m基板在60mhz頻率的波導(dǎo)波長)。

表1為本發(fā)明提出的濾波器和4個現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)提出的ltcc集總濾波器的尺寸和性能比較情況，可以看出在尺寸、插損和相對帶寬等方面性能都是最佳。

表1

上述現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)分別為：

[1]h.-h.huang,c.-h.chen,andt.-s.horng.quasi-lumpedbandpassfilterwithsharptransitionedgeandwidestopbandrejection.ietelectronicsletters,2013,49(9):479～480

[2]g.brzezina,l.roy,andl.maceachern.designenhancementofminiaturelumped-elementltccbandpassfilter,ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2009,57(4):815～823

[3]arabi,e.,lahti,m.,vaha-heikkila,t.,andshamim,a.a3-dminiaturizedhighselectivitybandpassfilterinltcctechnology.ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters,2009,19(11):710～712

[4]s.hwang,s.min,m.swaminathan,v.sundaram,andr.tummala.thin-filmhigh-rejectionfilterintegrationinlow-lossorganicsubstrate.ieeetransactionsoncomponents,packaging,andmanufacturingtechnology,2011,1:1160～1170

綜上所述，本發(fā)明針對60mhz的極低中心頻率，提出了一種微型集總元件10層低溫共燒陶瓷(ltcc)濾波器。通過使用高阻抗線路實(shí)現(xiàn)螺旋電感和的雜散抑制型垂直叉指電容(svic)實(shí)現(xiàn)小型化。通過將間隔指的開路末端用垂直過孔連接，實(shí)現(xiàn)垂直交叉指型電容(vic)的電容值增加和雜散抑制，而q值不會下降。與現(xiàn)有其他文獻(xiàn)相比所提出的濾波器的等效尺寸為最小。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。