CN110022133A - 一种小型化电感耦合型可调带通滤波器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，属于滤波器技术领域。结构主要包括壳体、输入极、输出极、接地极、三层接地板以及接地板不同层之间的电感和壳体表面的电容，采用低温共烧陶瓷技术，将接地板和电感烧结于陶瓷基板中，电容贴装于壳体上表面。本发明结构简单，成本低，使用低温共烧陶瓷技术制备，体积小，批量一致性好；同时三层接地板将不同电感、电容分隔开，避免不必要耦合带来的寄生和谐振，提高滤波精确度和品质因数。

Description

一种小型化电感耦合型可调带通滤波器及其制备方法

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种小型化电感耦合型可调带通滤波器。

背景技术

近年来，随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对微波滤波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。通信对抗系统需要在复杂的信息环境下实现对信号的处理，需要滤波器实现信号的选择。滤波器主要应用于分离信号、抑制干扰，这是滤波器最广泛和最基本的应用。在这种应用中，电调滤波器可使所需要频率的信号顺利通过，对不需要的频率产生抑制。当前的通信系统随着实际的需要，要求滤波器低插损、低带内波动、高信号选择性，同时体积尽可能小，以满足灵敏度和动态范围的要求。电调滤波器具有体积小、工作频带宽的优点，可很好地抑制二阶组合信号，有着广阔的应用前景。

带通滤波器在超短波频段下工作需要大电容和大电感构成谐振器。为了满足器件的小型化要求，最初的方法是采用高介电常数，高品质因数，低损耗的介质材料，减小谐振器的尺寸，进而减小器件的体积。但是传统的工艺技术成本较高，制作工艺复杂，批量一致性差。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，解决了小型化情况下传统工艺不技术成本较高，制作工艺复杂，批量一致性差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，包括：壳体、位于壳体两端的输入极和输出极、位于壳体两侧的接地极以及位于壳体内部的三层接地板；

壳体两侧的接地极之间设有接触桥，所述三层接地板均与接地极接触；第一层接地板与第二层接地板之间设有电感La、电感Lb和电感Ld，第二层接地板与第三层接地板之间设有电感Lc和电感Le，靠近第三层接地板的壳体外壁表面设有第一焊接盘和第二焊接盘；

输入极、电感La、电感Lb、电感Ld、输出极依次串联；电感La与电感Lb的连接点、电感Lc的一端、第一焊接盘的一端之间设有第一导电柱，电感Lb与电感Ld的连接点、电感Le的一端、第二焊接盘的一端之间设有第二导电柱；电感Lc的另一端与电感Le的另一端分别与接地极接触连接，第一焊接盘的另一端连接电容Ca后连接接地极，第二焊接盘的另一端连接电容Cb后连接接地极；

所述第二层接地板、第三层接地板上均设有用于导电柱通过的让位孔。

进一步地，所述电感La、电感Lb、电感Lc、电感Ld和电感Le均为螺旋电感，螺旋电感的每一层都是由金属导带绕制成的矩形或3/4矩形，电容Ca和电容Cb均为可调电容；

所述电感La和电感Ld结构一致，电感Lc和电感Le关于Z轴完全对称，相互耦合。

进一步地，所述壳体为低温共烧陶瓷制成，电感和接地板烧结于陶瓷基板中；包括壳体、第一焊接盘、第二焊接盘、电容Ca和电容Cb在内的元件均采用FV1206封装，接地极、输入极和输出极露在外面。

进一步地，所述壳体为长方体造型，第一层接地板、第二层接地板和第三层接地板均与壳体底面平行；所述输入极和输出极均为50Ω阻抗的端口。

一种小型化电感耦合型可调带通滤波器的制备方法，滤波器制备步骤如下：

配料：选择陶瓷原料配方配置陶瓷材料；

流延：将配制好的陶瓷材料制成流延浆料，流延出陶瓷基板；

打孔和填孔：对部分陶瓷基板进行打孔，获得导电柱让位孔和电感连接孔，再用金属浆料进行填孔；

导体印刷：用填孔后的陶瓷基板进行导体印刷，制备用于形成螺旋电感的金属导带，同一螺旋电感不同陶瓷基板层之间通过填孔后的电感连接孔连接；用带有导电柱让位孔的陶瓷基板进行导体印刷，形成不与导电柱接触的接地板金属层；

叠片：将印制好导体的陶瓷基板和未印制导体的陶瓷基板按照设计结构进行叠片，形成分层排布的螺旋电感和接地板；

等静压：将完成叠片的模块放在水中进行等静压，以便将不同层生瓷基板紧紧地压制成型以形成完整的滤波器器件；

排胶和烧结：将等静压后的模块放在烧结炉中进行排胶和烧结；

表层元器件的连接：将电容在表层与排胶烧结后的模块进行连接，制得低温共烧陶瓷的可调带通滤波器。

进一步地，所述金属浆料和金属导带的原料均为银浆料，印制的导体厚度为10±1微米。

进一步地，所述排胶和烧结步骤中，烧结炉中进行排胶和烧结时，烧结炉温度为50℃。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明采用低温共烧陶瓷，各元器件烧结于陶瓷基板上，由于低温共烧陶瓷技术可以制作层数很高的电路基板，并可将多个无源元件埋入其中，有利于提高电路的组装密度，减小器件体积和重量。

2.本发明结构简单，采用低温共烧陶瓷技术，制作工艺简单，批量一致性好，成本较低。

3.本发明陶瓷壳体内部设置三层接地板，将电感元件和电容元件分层放置，避免了不同层的电感与其它层的电感、电感与电容的耦合干扰，减少了元器件之间不必要耦合带来的寄生和谐振，在减小器件体积的同时保证了滤波器的精确度。

4.陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性。根据配料的不同，陶瓷材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数。

5.低温共烧陶瓷在900℃左右温度下烧结而成，可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命。

6.本发明采用FV1206封装，保证器件体积小的情况下便于集成到系统当中，方便焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明整体斜视结构图；

图2是本发明电感、电容及导电柱斜视结构图；

图3是本发明电感电容及导电柱正视结构图；

图4是本发明电感与接地极斜视结构图；

图5为本发明电容与接地极斜视结构图；

图6为本发明接地板与接地极斜视结构图；

图7为本发明电感、导电柱、接地板及输入极、输出极正视结构图；

图8为本发明滤波器等效电路原理图；

图9为本发明滤波器制备流程图；

图10为本发明一种仿真结果图；

图中标记：1-电感La，2-电感Lb，3-电感Lc，4-电感Ld，5-电感Le，6-第一焊接盘，7-第二焊接盘，8-第一导电柱，9-第二导电柱，10-接地极，11-接触桥，12-电容Ca，13-第一层接地板，14-第二层接地板，15-第三层接地板，16-让位孔，17-输入极，18-输出极，19-壳体，20-电容Cb，21-电感连接孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1～图7所示，其中图2～图7为图1的具体细节图；

一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，包括：壳体19、位于壳体19两端的输入极17和输出极18、位于壳体19两侧的接地极10以及位于壳体19内部的三层接地板；

具体地，所述壳体19采用低温共烧陶瓷烧结而成，整体呈长方体形状，宽与高构成面分别为壳体19两端面，长与高构成面分别为壳体19两侧面；在壳体19的两端面分别设置滤波器的输入极17和输出极18，输入极17和输出极18包裹着壳体19的两端面；在壳体19的两侧面分别设置两个接地极10，接地极10的形状为门型结构，内径与壳体19的高一致，所述两个接地极10分别扣嵌在壳体19的两侧中间位置；壳体19内部的陶瓷基板中烧结的三层接地板分别为第一层接地板13、第二层接地板14和第三层接地板15，三层接地板均与长方体壳体19的底面平行，且三层接地板把壳体19内部空间分为两部分。

可以理解的是，低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC)技术是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件(如低容值电容、电阻、滤波器、阻抗转换器、耦合器等)埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化。

所述壳体19两侧的两个接地极10之间设有接触桥11，所述三层接地板均与接地极10接触；第一层接地板13与第二层接地板14之间设有电感La 1、电感Lb 2和电感Ld 4，第二层接地板14与第三层接地板15之间设有电感Lc 3和电感Le 5，靠近第三层接地板15的壳体19外壁表面设有第一焊接盘6和第二焊接盘7；

具体地，所述接触桥11为矩形金属板，宽度与门型接地极10的门柱宽度一致，长度与两个接地极10门柱的间距一致，在壳体19的上表面置于两个接地极10的门柱之间，连接两个接地极10使之成为一个整体接地；所述三层接地板大致造型为相较于壳体19底面略微缩小的矩形金属板，区别于正规矩形的是接地板两侧对应于接地极10的地方凸出，凸出部分与壳体19两侧的接地极10接触连接在一起；所述电感均为螺旋电感，烧结于陶瓷基板中，螺旋电感的每一层都是由0.1mm宽度的金属导带绕制成的矩形或者3/4矩形，电感La 7和电感Ld 10的结构一致，电感Lc 9和电感Le 11关于Z轴完全对称，相互耦合；所述电容Ca 12和电容Cb 20均采用可调电容。

输入极17、电感La 1、电感Lb 2、电感Ld 4、输出极18依次串联；电感La 1与电感Lb2的连接点、电感Lc 3的一端、第一焊接盘6的一端之间设有第一导电柱8，电感Lb 2与电感Ld4的连接点、电感Le 5的一端、第二焊接盘7的一端之间设有第二导电柱9；电感Lc 3的另一端与电感Le 5的另一端分别与接地极10接触连接，第一焊接盘6的另一端连接电容Ca 12后连接接地极10，第二焊接盘7的另一端连接电容Cb 20后连接接地极10；

具体地，滤波器壳体19采用低温共烧陶瓷制成，所述电感和接地板均为陶瓷基板上通过导体印刷的金属导带绕制而成，电感La 1、电感Lb 2和电感Ld 4在导体印刷时，依次串联连接，并且电感La 1和电感Lb 2之间的金属导带与第一导电柱8接触连接，电感Lb 2和电感Ld 4之间的金属导带与第二导电柱9接触连接；同时电感La 1金属导带起端与输入极17接触连接，电感Ld 4金属导带终端与输出极18接触连接；电感Lc 3金属导带起端设置为圆环行套在第一导电柱8上与之接触连接，电感Lc 3金属导带终端与接地极10接触连接，电感Le 5金属导带起端设置为圆环行套在第二导电柱9上与之接触连接，电感Le 5金属导带终端与接地极10接触连接；所述第一焊接盘6和第二焊接盘7的连接两端分别为上端和下端，其中第一焊接盘6的下端与第一导电柱8连接，第二焊接盘7的下端与第二导电柱9连接，第一焊接盘6的上端焊接电容Ca 12，第二焊接盘7的上端焊接电容Cb 20，电容Ca 12和电容Cb 20另一端均与接地极10连接。

其等效电路如图8所示，包括：输入端Pin、输出端Pout、电感La 1、电感Lb 2、电感Lc 3、电感Ld 4、电感Le 5、电容Ca 12、电容Cb 20和信号地GND；

具体连接关系如下：

输入端Pin、电感La 7、电感Lb 8、电感Ld 10和输出端Pout依次串联，电感La 7和电感Lb 8的连接点经过电感Lc 9接信号地GND，电感Lb 8和电感Ld 10经过电感Le 11接信号地GND，电容Ca 12与电感Lc 9并联，电容Cb 20与电感Le 11并联。

所述第二层接地板14、第三层接地板15上均设有用于导电柱通过的让位孔16；

具体地，导电柱的直径略小于让位孔16的内径，导电柱通过让位孔16贯穿第二层接地板14与第三层接地板15分隔的空间，便于不同层之间的电感、电容连接。

可以理解的是，由于壳体19采用低温共烧陶瓷，接地板、电感、导电柱均烧结于壳体19内部的陶瓷基板中，电容贴装于壳体19的上表面，三层接地板将电感和电容分层隔离，避免不同层的电感与其它层的电感、电感与电容发生不必要的耦合，产生寄生或者谐振干扰，提高了滤波器的滤波精确度和Q值。同时，本发明结构简单，主要由电感和电容构成，采用低温共烧陶瓷技术烧结，制作方便，批量一致性好，成本较低。

陶瓷材料具有优良的高频、高速传输以及宽通带的特性，根据配料的不同，陶瓷材料的介电常数可以在很大范围内变动，配合使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数，增加了电路设计的灵活性；

并且，可以适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通PCB电路基板更优良的热传导性，极大地优化了电子设备的散热设计，可靠性高，可应用于恶劣环境，延长了其使用寿命。

进一步，包括壳体19、第一焊接盘6、第二焊接盘7、电容Ca 12和电容Cb 20在内的元件均采用FV1206封装技术，只将接地极10、输入极17和输出极18露在外面；

具体封装尺寸为3.2*1.6*0.94mm，保证了器件的小体积与易用性，方便本滤波器焊接集成于系统中；所述接地极10、输入极17和输出极18采用铜材质制成。

第一层接地板13、第二层接地板14和第三层接地板15均与壳体19底面平行，构成多层结构，有利于电感元件的布局。

所述输入极17和输出极18均为50Ω阻抗的端口，方便测试。

本发明滤波器的制备流程如图9所示，具体制备方法如下：

配料：选择陶瓷原料配方配置陶瓷材料；

流延：将配制好的陶瓷材料制成流延浆料，流延出陶瓷基板；

打孔和填孔：对部分陶瓷基板进行打孔，获得导电柱让位孔16和电感连接孔21，再用金属浆料进行填孔；

导体印刷：用填孔后的陶瓷基板进行导体印刷，制备用于形成螺旋电感的金属导带，同一螺旋电感不同陶瓷基板层之间通过填孔后的电感连接孔21连接；用带有导电柱让位孔16的陶瓷基板进行导体印刷，形成不与导电柱接触的接地板金属层；

叠片：将印制好导体的陶瓷基板和未印制导体的陶瓷基板按照设计结构进行叠片，形成分层排布的螺旋电感和接地板；

等静压：将完成叠片的模块放在水中进行等静压，以便将不同层生瓷基板紧紧地压制成型以形成完整的滤波器器件；

排胶和烧结：将等静压后的模块放在烧结炉中进行排胶和烧结；

表层元器件的连接：将电容在表层与排胶烧结后的模块进行连接，制得低温共烧陶瓷的可调带通滤波器。

具体地，让位孔16填充银浆料之后形成导电柱，用于连接不同层之间的器件；填孔所用的金属浆料和导体印刷所用的金属导带的原材料均采用银浆料，印制的金属导带厚度为10±1微米；

可以理解为，金属导带的厚度是通过对每一层陶瓷基板对应印刷导体的图形进行处厚度减薄处理形成，即陶瓷基板的减薄厚度为导体印刷厚度，对应于金属导带厚度；

排胶和烧结时，烧结炉温度控制为50℃。

滤波器壳体19由多层陶瓷基板叠加而成，每层陶瓷基板通过打孔、填孔和导体印刷，形成螺旋电感、接地板以及导电柱的层叠排布；

如螺旋电感包括多层结构，每一层结构为矩形或者3/4矩形形状的金属导带通过导体印制在陶瓷基板上，然后多层陶瓷基板叠加，这每一层的结构之间的矩形金属导带通过电感连接孔21连接，形成统一的一个螺旋电感；接地板的导体印刷为印刷整个陶瓷基板表面，有导电柱和让位孔16的地方，印刷导体沿让位孔16边沿印刷，不与导电柱接触，但接地板印刷导体在壳体19两侧延伸出来与接地极10接触。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明较佳实施例提供的一种小型化耦合型可调带通滤波器，如图10所示为采用本发明的一种仿真结果图，通过改变可变电容的大小，可以实现从250MHz～400MHz范围内任意一点的滤波。且滤波精确度高，品质因数好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，其特征在于，包括：壳体(19)、位于壳体(19)两端的输入极(17)和输出极(18)、位于壳体(19)两侧的接地极(10)以及位于壳体(19)内部的三层接地板；

壳体(19)两侧的接地极(10)之间设有接触桥(11)，所述三层接地板均与接地极(10)接触；第一层接地板(13)与第二层接地板(14)之间设有电感La(1)、电感Lb(2)和电感Ld(4)，第二层接地板(14)与第三层接地板(15)之间设有电感Lc(3)和电感Le(5)，靠近第三层接地板(15)的壳体(19)外壁表面设有第一焊接盘(6)和第二焊接盘(7)；

输入极(17)、电感La(1)、电感Lb(2)、电感Ld(4)、输出极(18)依次串联；电感La(1)与电感Lb(2)的连接点、电感Lc(3)的一端、第一焊接盘(6)的一端之间设有第一导电柱(8)，电感Lb(2)与电感Ld(4)的连接点、电感Le(5)的一端、第二焊接盘(7)的一端之间设有第二导电柱(9)；电感Lc(3)的另一端与电感Le(5)的另一端分别与接地极(10)接触连接，第一焊接盘(6)的另一端连接电容Ca(12)后连接接地极(10)，第二焊接盘(7)的另一端连接电容Cb(20)后连接接地极(10)；

所述第二层接地板(14)、第三层接地板(15)上均设有用于导电柱通过的让位孔(16)。

2.根据权利要求1所述的一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，其特征在于：所述电感La(1)、电感Lb(2)、电感Lc(3)、电感Ld(4)和电感Le(5)均为螺旋电感，螺旋电感的每一层都是由金属导带绕制成的矩形或3/4矩形，电容Ca(12)和电容Cb(20)均为可调电容；

所述电感La(1)和电感Ld(4)结构一致，电感Lc(3)和电感Le(5)关于Z轴完全对称，相互耦合。

3.根据权利要求1所述的一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，其特征在于：所述壳体(19)为低温共烧陶瓷制成，电感和接地板烧结于陶瓷基板中；包括壳体(19)、第一焊接盘(6)、第二焊接盘(7)、电容Ca(12)和电容Cb(20)在内的元件均采用FV1206封装，接地极(10)、输入极(17)和输出极(18)露在外面。

4.根据权利要求1所述的一种小型化电感耦合型可调带通滤波器，其特征在于：所述壳体(19)为长方体造型，第一层接地板(13)、第二层接地板(14)和第三层接地板(15)均与壳体(19)底面平行；

所述输入极(17)和输出极(18)均为50Ω阻抗的端口。

5.一种小型化电感耦合型可调带通滤波器的制备方法，其特征在于，制备步骤包括：

配料：选择陶瓷原料配方配置陶瓷材料；

流延：将配制好的陶瓷材料制成流延浆料，流延出陶瓷基板；

打孔和填孔：对部分陶瓷基板进行打孔，获得导电柱让位孔(16)和电感连接孔(21)，再用金属浆料进行填孔；

导体印刷：用填孔后的陶瓷基板进行导体印刷，制备用于形成螺旋电感的金属导带，同一螺旋电感不同陶瓷基板层之间通过填孔后的电感连接孔(21)连接；用带有导电柱让位孔(16)的陶瓷基板进行导体印刷，形成不与导电柱接触的接地板金属层；

叠片：将印制好导体的陶瓷基板和未印制导体的陶瓷基板按照设计结构进行叠片，形成分层排布的螺旋电感和接地板；

等静压：将完成叠片的模块放在水中进行等静压，以便将不同层生瓷基板紧紧地压制成型以形成完整的滤波器器件；

排胶和烧结：将等静压后的模块放在烧结炉中进行排胶和烧结；

表层元器件的连接：将电容在表层与排胶烧结后的模块进行连接，制得低温共烧陶瓷的可调带通滤波器。

6.根据权利要求5所述的一种小型化电感耦合型可调带通滤波器的制备方法，其特征在于：所述金属浆料和金属导带的原料均为银浆料，印制的导体厚度为10±1微米。

7.根据权利要求5所述的一种小型化电感耦合型可调带通滤波器的制备方法，其特征在于：所述排胶和烧结步骤中，烧结炉中进行排胶和烧结时，烧结炉温度为50℃。