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一种新型缝耦合多层陶瓷带通滤波器的设计
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2017-11-18
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1 前言
近年来，随着低温共烧陶瓷（LTCC）技术的迅猛发展，多层陶瓷滤波器因其小型化、高性能和低成本引起人们极大的兴趣。其中，TEM模带状线和微带线交指型多层陶瓷带通滤波器已被广泛而深入的讨论。在所示报道滤波器结构中，带状线谐振器位于同一层上，谐振器之间通过宽边耦合形成交指带通滤波器，滤波器具有良好的阻带性能。为了进一步缩小滤波器在PCB板上占位面积，本论文中引入了一种新型缝耦合结构的带通滤波器。在这种结构滤波器中，带状线型谐振器位于不同的介质层，即每一层上仅仅只有一个谐振器，因此每一层在PCB板上的占位面积大大缩小。然而，由于陶瓷层厚度很薄（0.02mm），相邻带状线谐振器之间通过宽边相互耦合，耦合强度较大。为了调整相邻层之间谐振器耦合强弱，引入了与地相连的耦合缝，通过调节耦合缝的宽度来满足相邻层谐振器之间耦合所需的耦合量，从而满足滤波器所需要的性能。
2 滤波器结构
三级缝耦合带状线带通滤波器结构如图1所示。该滤波器由六层微波陶瓷介质组成，每层陶瓷介质的厚度为0.02mm，陶瓷外表面以及陶瓷层之间采用金属银层涂覆（在图1中，深色部分代表金属银层），金属涂覆层的厚度为0.01mm。陶瓷介质的相对介电常数εr为58，无载品质因数Qu为7000，谐振频率温度系数τf为-8ppm/℃。λ/4波长带状线谐振器位于不同的陶瓷层形成交指结构，滤波器与外电路之间通过抽头结构耦合输入输出。图2显示了滤波器的耦合结构，其中图2（a）为与外电路耦合输入输出的抽头，图2（b）为谐振器级间耦合的耦合缝。
图1 缝耦合三级多层陶瓷滤波器结构
图2 多层陶瓷滤波器耦合结构示意图：
（a）级间耦合缝；（b）输入输出耦合抽头
3 理论分析
中缝耦合带状线示意图如图3所示，导体带位于金属矩形腔中。计算缝耦合矩形带状线的奇偶模阻抗需要考虑左右两侧金属板对边缘电容的影响。当参数g足够大时，可忽略左右两侧金属板对边缘电容的影响。当参数g较小时，奇偶模阻抗计算需要考虑参数g的影响。
近年来，随着低温共烧陶瓷（LTCC）技术的迅猛发展，多层陶瓷滤波器因其小型化、高性能和低成本引起人们极大的兴趣。其中，TEM模带状线和微带线交指型多层陶瓷带通滤波器已被广泛而深入的讨论。在所示报道滤波器结构中，带状线谐振器位于同一层上，谐振器之间通过宽边耦合形成交指带通滤波器，滤波器具有良好的阻带性能。为了进一步缩小滤波器在PCB板上占位面积，本论文中引入了一种新型缝耦合结构的带通滤波器。在这种结构滤波器中，带状线型谐振器位于不同的介质层，即每一层上仅仅只有一个谐振器，因此每一层在PCB板上的占位面积大大缩小。然而，由于陶瓷层厚度很薄（0.02mm），相邻带状线谐振器之间通过宽边相互耦合，耦合强度较大。为了调整相邻层之间谐振器耦合强弱，引入了与地相连的耦合缝，通过调节耦合缝的宽度来满足相邻层谐振器之间耦合所需的耦合量，从而满足滤波器所需要的性能。
2 滤波器结构
三级缝耦合带状线带通滤波器结构如图1所示。该滤波器由六层微波陶瓷介质组成，每层陶瓷介质的厚度为0.02mm，陶瓷外表面以及陶瓷层之间采用金属银层涂覆（在图1中，深色部分代表金属银层），金属涂覆层的厚度为0.01mm。陶瓷介质的相对介电常数εr为58，无载品质因数Qu为7000，谐振频率温度系数τf为-8ppm/℃。λ/4波长带状线谐振器位于不同的陶瓷层形成交指结构，滤波器与外电路之间通过抽头结构耦合输入输出。图2显示了滤波器的耦合结构，其中图2（a）为与外电路耦合输入输出的抽头，图2（b）为谐振器级间耦合的耦合缝。
图1 缝耦合三级多层陶瓷滤波器结构
图2 多层陶瓷滤波器耦合结构示意图：
（a）级间耦合缝；（b）输入输出耦合抽头
3 理论分析
中缝耦合带状线示意图如图3所示，导体带位于金属矩形腔中。计算缝耦合矩形带状线的奇偶模阻抗需要考虑左右两侧金属板对边缘电容的影响。当参数g足够大时，可忽略左右两侧金属板对边缘电容的影响。当参数g较小时，奇偶模阻抗计算需要考虑参数g的影响。
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