一种基于LTCC的小型双边平衡超宽带滤波器的制作方法

一种基于ltcc的小型双边平衡超宽带滤波器
技术领域
1.本实用新型涉及无线通信电子技术领域，具体涉及一种主要应用于各类小型化电路设计中的ltcc带通滤波器。


背景技术：

2.随着无线通信技术的不断发展，移动通信、物联网、室内定位等技术也愈加受到广大消费者的青睐，促进了人们对小型化、智能化、便携式电子产品提出更高的使用需求，这也推动了无线通信市场以及集成电路得到不断发展。小型化作为所有通讯设备电路设计中最为重要的环节之一，如何实现在保证现有通信设备基本性能的前提下，尽可能减小电路中各电子元器件的小型化成为限制当下电子设备发展的主要问题之一。
3.然而，随着摩尔定律的不断发展，芯片的物理尺寸也在不断减小，集成电路的飞速发展为可穿戴设备的发展提供了夯实的技术基础，通过电路集成到芯片的方式实现整个产品的尺寸不断减小，满足人们对小型化电子产品的需求。尤其在uwb室内定位和卫星定位领域，如室内定位标签、移动卫星导航设备等均有着良好的市场。但在无线通信中除了满足电路小型化的要求外，如何减小各电路上电子元器件的物理尺寸也是当下一直需要解决的问题。尤其是在uwb滤波器设计中，如何既保证滤波器具有非常宽的工作带宽，同时还需保证滤波器通带内具有较小的插入损耗，以及尽可能减小滤波器的物理尺寸是当下滤波器研究中主要的研究课题。
4.因此，如何设计一种小型化、插入损耗小、结构简单、性能稳定、且具有超宽带特性的贴片式滤波器已经成为当下急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是针对现有技术中uwb滤波器尺寸较大、且伴随具有较高插入损耗等缺陷，提供一种小型化程度高、插入损耗小、结构简单、性能稳定、且具有超宽带特性的基于ltcc的小型双边平衡超宽带滤波器。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种基于ltcc的小型双边平衡超宽带滤波器，包括有陶瓷基板（介电常数为35）、金属贴片和接地贴片，陶瓷基板呈盒状结构，接地贴片贴设于陶瓷基板的内壁表面，其特征在于：所述金属贴片包括有在陶瓷基板内按左右对称结构设置的两组弯折组合金属贴片，在两组弯折组合金属贴片之间的中心处设置有中心金属贴片，中心金属贴片与两组弯折组合金属贴片处于同一平面，两组弯折组合金属贴片以中心金属贴片为轴左右对称；在两组弯折组合金属贴片的上方和下方分别平行设置有侧金属贴片，在中心金属贴片的上方和下方分别平行设置有中间金属贴片，上下的侧金属贴片与中间金属贴片分别处于同一平面，由左右的弯折组合金属贴片及侧金属贴片和中间的中心金属贴片及中间金属贴片组合成具有三对滤波器效果的三阶滤波器；在陶瓷基板的左右两侧内壁表面分别贴设有侧表面金属贴片，两组弯折组合金属贴片分别连接两条侧表面金属贴片；所述弯折组合金属贴片、中心金属贴片、侧金属贴片及中间金属贴
片分别与接地贴片连接。
7.进一步地，所述弯折组合金属贴片包括有第一节金属贴片、第二节金属贴片、第三节金属贴片和第四节金属贴片，第一节金属贴片与所述侧表面金属贴片垂直连接，第二节金属贴片与第一节金属贴片在同一平面呈直角弯折连接，第三节金属贴片与第二节金属贴片在同一平面呈直角弯折连接，第四节金属贴片与第三节金属贴片在同一平面呈直角弯折连接。
8.进一步地，位于弯折组合金属贴片上下方的侧金属贴片分别与第四节金属贴片上下对齐并平行；位于中心金属贴片上下方的中间金属贴片分别与中心金属贴片上下对齐并平行。
9.进一步地，左右两第四节金属贴片分别位于中心金属贴片的左右两侧，并且三者在同一平面内相互平行。
10.进一步地，接地贴片为金属接地贴片，其包括有沿陶瓷基板前后内壁表面贴设的侧接地贴片和沿陶瓷基板上下内表面贴设的平接地贴片，两侧接地贴片与两平接地贴片依次首尾相连在陶瓷基板内构成一框状结构，并形成整个滤波器的接地结构。
11.进一步地，各侧金属贴片及各中间金属贴片的后端分别与后面的侧接地贴片连接，中心金属贴片及第四节金属贴片的前端分别与前面的侧接地贴片连接。
12.进一步地，还包括有左右两下表面金属贴片，两下表面金属贴片分别贴设于陶瓷基板的底部左右两侧，两侧表面金属贴片分别与两下表面金属贴片连接。
13.进一步地，第一节金属贴片、第二节金属贴片、第三节金属贴片、第四节金属贴片、中心金属贴片、侧金属贴片、中间金属贴片、侧表面金属贴片、下表面金属贴片、侧接地贴片及平接地贴片均为矩形贴片，并且均为采用金属铜制成的厚度为0.1mm的贴片。
14.陶瓷基板形成的盒状结构的尺寸为3.8mm
×
3.8mm
×
2.8mm（长
×
宽
×
高）。
15.进一步地，两平接地贴片及两侧接地贴片的左右边缘分别距离陶瓷基板左右边缘的距离均为0.5mm；侧金属贴片与对应的第四节金属贴片之间的距离及中间金属贴片与中心金属贴片之间的距离均为0.2mm，第四节金属贴片与中心金属贴片之间的距离为0.57mm。
16.本实用新型主要通过对金属贴片的不同位置和物理尺寸的优化，以实现最终的低插入损耗和超宽带特性。与现有技术相比，解决了穿戴设备中超宽带滤波器尺寸较大、插入损耗较大的缺陷。通常现有的uwb滤波器采用提高对应滤波阶数实现超宽带特性，但增加对应阶数亦造成滤波器的尺寸增大，本实用新型仅采用简单的弯折结构和基于低温共烧加工技术，以及更易于对高介电常数的陶瓷材料进行加工处理，并且滤波器的阶数仅采用三阶特性，实现传输系数3db衰减内的带宽为1250-2100mhz，其采用相对带宽公式计算的结果为50.6%，满足uwb设计的基本要求，并且带内的插入损耗在通带范围内平均值仅为0.5db。另外，本实用新型具有结构简单、易加工、性能稳定、物理尺寸小的特点。
附图说明
17.图1为本实用新型整体结构示意图（做了一部分透视）；
18.图2为本实用新型正视角度的内部平面布置示意图；
19.图3为本实用新型俯视角度的内部平面布置示意图；
20.图4为本实用新型内部结构示意图；
21.图5为弯折组合金属贴片与中心金属贴片的平面示意图；
22.图6为本实用新型反射系数和传输系数与频率变化仿真结果图。
23.图中，1为陶瓷基板，2为弯折组合金属贴片，21为第一节金属贴片，22为第二节金属贴片，23为第三节金属贴片，24为第四节金属贴片，3为中心金属贴片，4为侧金属贴片，5为中间金属贴片，6为侧表面金属贴片，7为下表面金属贴片，8为侧接地贴片，9为平接地贴片。
具体实施方式
24.本实施例中，参照图1-图5，所述基于ltcc的小型双边平衡超宽带滤波器，包括有陶瓷基板1，其介电常数为35、金属贴片和接地贴片，陶瓷基板1呈盒状结构，接地贴片贴设于陶瓷基板1的内壁表面；所述金属贴片包括有在陶瓷基板1内（盒内）按左右对称结构设置的两组弯折组合金属贴片2，在两组弯折组合金属贴片2之间的中心处设置有中心金属贴片3，中心金属贴片3与两组弯折组合金属贴片2处于同一平面，两组弯折组合金属贴片2以中心金属贴片3为轴左右对称；在两组弯折组合金属贴片2的上方和下方分别平行设置有侧金属贴片4，在中心金属贴片3的上方和下方分别平行设置有中间金属贴片5，上下的侧金属贴片4与中间金属贴片5分别处于同一平面，由左右的弯折组合金属贴片2及侧金属贴片4和中间的中心金属贴片3及中间金属贴片5组合成具有三对滤波器的三阶滤波器，以较少的滤波阶数组合成具有超宽带特性的滤波器；在陶瓷基板1的左右两侧内壁表面分别贴设有侧表面金属贴片6，两组弯折组合金属贴片2分别连接两条侧表面金属贴片6；所述弯折组合金属贴片2、中心金属贴片3、侧金属贴片4及中间金属贴片5分别与接地贴片连接。
25.所述弯折组合金属贴片2包括有第一节金属贴片21、第二节金属贴片22、第三节金属贴片23和第四节金属贴片24，第一节金属贴片21与所述侧表面金属贴片6垂直连接，第二节金属贴片22与第一节金属贴片21在同一平面呈直角弯折连接，第三节金属贴片23与第二节金属贴片22在同一平面呈直角弯折连接，第四节金属贴片24与第三节金属贴片23在同一平面呈直角弯折连接。第一节金属贴片21的宽度与工作频段内对应的50欧姆微带线的线宽一致，主要用于将电磁波从端口位置导入陶瓷基板1内；通过调整四节金属贴片的长度来实现调整弯折组合金属贴片2的电长度，以实现改变弯折组合金属贴片2在陶瓷基板1中产生的等效电感值。
26.位于弯折组合金属贴片2上下方的侧金属贴片分别与第四节金属贴片24上下对齐并平行；位于中心金属贴片3上下方的中间金属贴片5分别与中心金属贴片3上下对齐并平行，通过改变中心金属贴片3的长度和宽度可以调整其在陶瓷基板1中的等效电感值。
27.左右两第四节金属贴片24分别位于中心金属贴片5的左右两侧，并且三者在同一平面内相互平行，帮该滤波器称为双边平衡滤波器。通过调节侧金属贴片4和中间金属贴片5的长度、宽度以及与第四节金属贴片24及中心金属贴片5之间的间距，可以对应调整其在陶瓷基板1中的等效电容值。其中，调整第四节金属贴片24与中心金属贴片5之间的间距，亦可调整其对应的等效电容值，同理，调整调节侧金属贴片4和中间金属贴片5之间的间距也会实现上述效果。通过调整上述模型对应参数值的大小可以改变对应等效电容和电感值的大小，亦可调节整个超宽带滤波器的工作频段。
28.接地贴片为金属接地贴片，其包括有沿陶瓷基板1前后内壁表面贴设的侧接地贴
片8和沿陶瓷基板1上下内表面贴设的平接地贴片9，两侧接地贴片8与两平接地贴片9依次首尾相连在陶瓷基板1内构成一框状结构，并形成整个滤波器的接地结构。
29.侧金属贴片4及各中间金属贴片5的后端分别与后面的侧接地贴片8连接，中心金属贴片3及第四节金属贴片24的前端分别与前面的侧接地贴片8连接。
30.还包括有左右两下表面金属贴片7，两下表面金属贴片7分别贴设于陶瓷基板1的底部左右两侧（不与底部的平接地贴片9连接），两侧表面金属贴片5分别与两下表面金属贴片6连接，共同组成滤波器的输入和输出端口。
31.第一节金属贴片21、第二节金属贴片22、第三节金属贴片23、第四节金属贴片24、中心金属贴片3、侧金属贴片4、中间金属贴片5、侧表面金属贴片6、下表面金属贴片7、侧接地贴片8及平接地贴片9均为矩形贴片，并且均为采用金属铜制成的厚度为0.1mm的贴片。
32.陶瓷基板1形成的盒状结构的尺寸为3.8mm
×
3.8mm
×
2.8mm（长
×
宽
×
高），亦可通过改善陶瓷材料的物理介电特性，在保证工作频率范围不变的前提下，进一步缩小滤波器的物理尺寸。对于整个滤波器的结构是通过层叠方式并利用ltcc低温共烧技术实现组装的。
33.平接地贴片9及侧接地贴片8的左右边缘分别距离陶瓷基板1左右边缘的距离均为0.5mm，不仅可防止造成电磁信号短路，还可将前后的侧接地贴片进行首尾电连接，使滤波器具有良好面积的金属gnd（接地）作用；侧金属贴片4与对应的第四节金属贴片24之间的距离及中间金属贴片5与中心金属贴片3之间的距离均为0.2mm，第四节金属贴片24与中心金属贴片3之间的距离为0.57mm。
34.参照图6，使用ansys高频电磁仿真软件hfss对本实用新型提出的滤波器模型3d结构进行仿真，得到本实用新型所涉及的滤波器对应的反射系数和传输系数系数分别随频率变化的曲线图。本实用新型具有传输系数3db衰减内的带宽为1250mhz-2100mhz，相对带宽大于50%以上，通带内的插入损耗平均值小于0.5db，明显满足超宽带滤波器的基本工程要求。
35.以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本技术范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。