一種多層陶瓷微波帶通濾波器的制作方法

本發明屬于微波功能器件技術領域，具體涉及一種多層陶瓷微波帶通濾波器。

背景技術：

微波通常是指波長處在1mm到1m(頻率在300mhz到300ghz)的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統稱。微波的基本性能通常呈現為穿透、反射、吸收這三個性能特征。由于這些特點，微波被廣泛應用于雷達、微波爐、等離子發生器、傳感器系統和無線網絡系統(如手機網絡、藍牙、衛星電視、無線局域網等技術)等領域。

微波濾波器是射頻電路中的關鍵無源部件，在系統中完成頻率的選擇功能，廣泛應用于雷達，無線接收機等微波射頻電路。隨著工業技術的不斷進步和發展，新型電子系統對組裝密度和功能的要求不斷增加，無源濾波器正朝著小型化，高性能的方向發展。

為了優化濾波器的性能和減小體積，基于低溫共燒陶瓷(lowtemperatureco-firedceramic，ltcc)技術的多層濾波器設計技術近來備受關注。ltcc技術具有高頻特性好、可靠性高、適應性好、實現成本低等特點，能夠將無源器件和有源器件有效的結合在一起，非常適合小型化射頻微波電路的集成化發展。

然而，對于含有諧振器的電路的尺寸縮小的優化還存在許多有待解決的問題。微波濾波器的小型化已經成為一個熱門的研究領域，在小型化的基礎上提高性能是濾波器研究的主要內容。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種多層陶瓷微波帶通濾波器，本發明通過設計新型耦合結構，增強各uir諧振結構之間的耦合，從而使得器件具有中心頻率較低、尺寸較小的、帶外抑制好、帶內波動小等特點。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種多層陶瓷微波帶通濾波器，包括：平形設置的端電極及介質層，介質層中內電極包括：

分別與兩個端電極垂直相連的第一接地金屬層和第二金屬接地金屬層，第一接地金屬層和第二金屬接地金屬層之間設有間隔排列于同一平面的四個均勻阻抗諧振器，所述平面與兩個接地金屬層平行，四個均勻阻抗諧振器均為寬邊耦合的多層帶狀線結構；

四個均勻阻抗諧振器下方平行設置有由第一金屬片，第二金屬片和第三金屬片首尾相連形成的第一加強耦合金屬層，其中：第一金屬片的設置方向與均勻阻抗諧振器相垂直，并且架設于四個均勻阻抗諧振器正下方，第一金屬片的首端設于第一均勻阻抗諧振器正下方，且通過沿第一均勻阻抗諧振器方向的第二金屬片連接至第一端電極，第一金屬片的尾端設于第四均勻阻抗諧振器正下方，且通過沿第四均勻阻抗諧振器方向的第三金屬片連接至第二端電極；

四個均勻阻抗諧振器上方平行設置有由第四金屬片，第五金屬片和第六金屬片相連形成的第二加強耦合金屬層，其中：第四金屬片的設置方向與均勻阻抗諧振器相垂直，并且架設于四個均勻阻抗諧振器正上方，第五金屬片的首端與第四金屬片在第二均勻阻抗諧振器正上方處相連，并且沿第二均勻阻抗諧振器方向連接至第二端電極，第六金屬片的首端與第四金屬片在第四均勻阻抗諧振器正上方處相連，并且沿第四均勻阻抗諧振器方向連接至第一端電極，

第一均勻阻抗諧振器遠離接地端與第四均勻阻抗諧振器遠離接地端分別設有第一金屬層和第二金屬層分別作為濾波器的輸入端和輸出端，其中：所述第一金屬層和第二金屬層采用抽頭結構接外部電路。

進一步地，所述第一接地金屬層和第二接地金屬層均采用低溫共燒陶瓷工藝制作，具體是在介質層上印刷銀漿。

進一步地，為了降低諧振頻率，本發明四個均勻阻抗諧振器的結構均采用五層相互隔離設置的帶狀金屬通過寬邊耦合形成的結構。

進一步地，本發明中任一均勻阻抗諧振器中各層帶狀金屬通過第一端電極或第二端電極接地，其中，任意相鄰兩層帶狀金屬實現接地所連接的端電極不一致。

作為優選實施方式，本發明中任一均勻阻抗諧振器的長度在4.65mm～4.75mm范圍內，寬度在0.22mm～0.23mm范圍內。

作為優選實施方式，本發明中任一均勻阻抗諧振器中任意相鄰兩層帶狀金屬之間的距離為0.045mm～0.055mm。

作為優選實施方式，本發明中任意兩個相鄰的均勻阻抗諧振器之間的距離為0.57～0.59mm。

作為優選實施方式，本發明中第一接地金屬層和第二金屬接地金屬層之間的距離為0.9mm～1.1mm。

作為優選實施方式，本發明中第一金屬層和第二金屬層的寬度均為0.085mm～0.950mm。

作為優選實施方式，本發明中第一加強耦合金屬層設在距離均勻阻抗諧振器所在平面下方0.23mm～0.27mm處，其寬度為0.22mm～0.23mm；其中：第一金屬片的長度為1.5～1.6mm。

作為優選實施方式，本發明中第二加強耦合金屬層設在距離均勻阻抗諧振器所在平面下方0.28mm～0.31mm處，其寬度為0.15mm～0.23mm；其中：第四金屬片的長度為1.7～2.0mm。

本發明微波濾波器采用低溫共燒陶瓷工藝制作，由于四個uir結構距離較遠導致相互耦合較弱，這種弱耦合使得有用信號的傳遞受阻，因此本發明設計加強耦合金屬層加強第一uir結構、第二uir結構、第三uir結構及第四uir結構之間的相互耦合，使得有用信號的傳輸能力增強，尤其是第二加強耦合金屬層的設計是實現電壓駐波比vswr、帶外抑制、通帶損耗性能優化的關鍵結構。

本發明的有益效果是：

本發明是基于ltcc工藝制作的均勻阻抗諧振結構射頻帶通濾波器，本發明通過疊層技術向空間拓展，基于內連技術將一個帶狀線分布在不同平面內，通過設置任意相鄰兩層帶狀金屬的接地方向相反，使得任意兩條帶狀金屬之間存在電位差，進而產生互電容和互電感；進一步地，本發明通過在單級均勻阻抗諧振結構之間設置加強耦合金屬層，使得各諧振器之間電容耦合加強，進而降低能量的損耗，達到降低通帶內插入損耗的目的，根據本發明實施例可以看出，通過合理設計結構參數和材料參數，能夠實現頻率低，帶內波動小，無寄生通帶且帶外抑制好的微型化微波濾波器。

附圖說明

圖1為本發明基于ltcc工藝的微波帶通濾波器的結構示意圖；其中，圖(a)為微波帶通濾波器的三維立體結構示意圖，圖(b)為微波帶通濾波器的三維立體結構的正視圖，圖(c)為微波帶通濾波器的三維立體結構的俯視圖，圖(d)為微波帶通濾波器的三維立體結構的左視圖；圖中1為第一接地金屬層，2為第一加強耦合金屬層，3為第一均勻阻抗諧振結構，4為第二均勻阻抗諧振結構，5為第三均勻阻抗諧振結構，6為第一均勻阻抗諧振結構，7為第一金屬層，8為第二金屬層，9為第二加強耦合金屬層，10為第二接地金屬層，11為介質層，12為第一端電極，13為第二端電極。

圖2為本發明實施例基于ltcc工藝制得微波帶通濾波器在0.45～0.8ghz頻率下s21的性能曲線。

圖3為實施例基于ltcc工藝的微波帶通濾波器在0.45～0.8ghz頻率下電壓駐波比vswr性能測試曲線。

圖4為實施例基于ltcc工藝的微波帶通濾波器在0～3ghz頻率下的寄生通帶圖。

具體實施方式

以下結合說明書附圖對本發明具體實施例進行詳細說明：

實施例：

如圖1所示，本發明提供了一種多層陶瓷微波帶通濾波器，包括：平形設置的端電極12～13及介質層11，介質層11中內電極包括：分別與兩個端電極12～13垂直相連的第一接地金屬層1和第二金屬接地金屬層10，第一接地金屬層1和第二金屬接地金屬層10之間設有間隔排列于同一平面的四個均勻阻抗諧振器3～6，所述平面與兩個接地金屬層1、10平行，四個均勻阻抗諧振器3～6均為寬邊耦合的多層帶狀線結構；

四個均勻阻抗諧振器3～6下方平行設置有由第一金屬片，第二金屬片和第三金屬片首尾相連形成的第一加強耦合金屬層2，其中：第一金屬片的設置方向與均勻阻抗諧振器相垂直，并且架設于四個均勻阻抗諧振器3～6正下方，第一金屬片的首端設于第一均勻阻抗諧振器3正下方，并且通過沿第一均勻阻抗諧振器3方向設置的第二金屬片連接至第一端電極12，第一金屬片的尾端設于第四均勻阻抗諧振器6正下方，且通過沿第四均勻阻抗諧振器6方向設置的第三金屬片連接至第二端電極13；

四個均勻阻抗諧振器3～6上方平行設置有由第四金屬片，第五金屬片和第六金屬片相連形成的第二加強耦合金屬層9，其中：第四金屬片的設置方向與均勻阻抗諧振器相垂直，并且架設于四個均勻阻抗諧振器3～6正上方，第五金屬片的首端與第四金屬片在第二均勻阻抗諧振器4正上方處相連，并且沿第二均勻阻抗諧振器4方向連接至第二端電極，第六金屬片的首端與第四金屬片在第四均勻阻抗諧振器6正上方處相連，并且沿第四均勻阻抗諧振器6方向連接至第一端電極12；

第一均勻阻抗諧振器3遠離第一端電極12端與第四均勻阻抗諧振器6遠離第一端電極12端分別設有第一金屬層7和第二金屬層8作為濾波器的輸入端和輸出端，其中：第一金屬層7第二金屬層8采用抽頭結構與外接電路連接，作為優選實施方式，抽頭結構設于離第一端電極12最遠端。

本實施例將第一金屬層7作為輸入端，第二金屬層8作為輸出端，則相應地，如圖1，信號從第一uir結構3最左端(即-y方向)依次接入第一uir結構3、第二uir結構4和第三uir結構5和第四uir結構6，最終從第四uir結構6的最右端(即+y方向)輸出。

本發明實施例還提供了基于ltcc工藝微波帶通濾波器的具體設計，本實施例設計的微波帶通濾波器的詳細性能要求如下表所示：

本實施例的濾波器設計是采用帶狀線，由于ltcc濾波器尺寸較小，采用單層導帶的帶狀線不能滿足設計需要，因此采用五層的均勻特性阻抗諧振結構(以下簡稱為uir諧振結構)以降低諧振頻率，進而使得器件能工作在相對低的頻率；

本實施例中內電極金屬材料均為銀，介質層11所用材料的相對介電常數為35。

各級uir諧振結構均為寬邊耦合的多層帶狀線結構，故根據傳輸線理論可知：帶狀線是由一條厚度為dh，寬度為w，長度l的矩形導體和上、下兩塊接地金屬板構成，兩接地金屬板之間的距離為b，其單位長度上的電容c和電感l由以下公式計算：

中心頻率：

如上表中，本實施例器件的中心頻率f0為625mhz，采用matalab軟件根據上述三個公式計算得到b為1mm，w為0.225mm，長l為4.69mm。

然后本實施例使用hfss軟件進行仿真優化，為了獲得50mhz的寬帶，最終得到4級uir結構，并且相鄰兩個均勻阻抗諧振器之間的距離為0.58mm,任一阻抗諧振器中相鄰帶狀金屬層之間的距離為0.05mm。

進一步地，為了獲得帶外抑制以及減小帶內插入損耗，在第一級uir結構3和第四uir結構6之間加入了電容耦合，即第一加強耦合金屬層2，在第一uir結構3、第二uir結構4和第三uir結構5和第四uir結構6之間加入電容耦合，即第二加強耦合金屬層9；

對于第一加強耦合金屬層2和第二加強耦合金屬層9，經過仿真確定尺寸和位置，寬度均為0.2mm，第一加強耦合金屬層2位置在均勻阻抗諧振器3～6所在平面下方0.24mm處，第二加強耦合金屬層9位置在均勻阻抗諧振器3～6所在平面上方0.3mm處。

由此確定整個器件的尺寸5.0mm×5.0mm×1.5mm。

采用hfss軟件進行優化確定最終圖形，設計第一金屬層7和第二金屬層8的寬度均為0.09mm,見圖1。

根據上述結構參數得到本實施例微波濾波器的性能仿真結果如下圖所示：

圖2為本發明實施例在0.45ghz到0.8ghz時的插入損耗s21情況，從圖2中可以看出：在通頻帶內(600mhz～650mhz)，插入損耗小于3.5db，帶寬為50mhz，帶外抑制大于40db，帶內波動小于1.0db。

圖3為本發明實施例在0.45ghz～0.8ghz時的駐波比(vswr)情況，從圖3中可以看出：在600～650mhz內電壓駐波最高位1.4349，小于1.5。

圖4為本發明實施例在0ghz～3ghz時的插入損耗s21情況，從圖4中可以看出：在0～3ghz內沒有寄生的通帶。

以上結合附圖對本發明的實施例進行了闡述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。