CN217590765U - 一种无源低通滤波器及低通滤波电路 - Google Patents

Abstract

本申请属于滤波电子技术领域，提供了一种无源低通滤波器及低通滤波电路，其中，低通滤波器包括：射频输入模块、第一谐振模块、第一衰减模块、多个串联的第二谐振模块、多个第二衰减模块以及射频输出模块，具体的，射频输入模块用于输出第一射频信号，第一谐振模块用于输出预设通带频率的第二射频信号；第一衰减模块用于衰减第二射频信号中的杂波信号；多个串联的第二谐振模块用于调整第二射频信号的频率；每个第二衰减模块用于衰减第二射频信号中的杂波信号，生成第三射频信号；射频输出模块用于输出第三射频信号。本申请实施例能够解决传统的低通滤波器的宽频通带和频率截止特性不能满足需求以及体积小型化不够的问题。

Description

一种无源低通滤波器及低通滤波电路

技术领域

本申请属于滤波电子技术领域，尤其涉及一种无源低通滤波器及低通滤波电路。

背景技术

在快速发展的现代无线通信系统中，如虚拟现实(Virtual Reality，VR)、无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、卫星通信等，对低通滤波器的需求与日俱增。在这些系统中，低通滤波器应用于射频前端接收机中以抑制镜像频率、本振频率和谐波。

目前，在传统的低通滤波器中由于等效电感具有自电容，等效电容具有自电感，所以在实际的应用中容易产生二次谐波，影响滤波器的性能指标。同时随着电子设备小型化的发展，现有技术实现的滤波器体积较大，无法满足小型化的需求。

因此，传统的滤波器存在滤波器电路的宽频通带和陡峭的频率截止特性不能满足需求，以及低通滤波器的小型化不够的问题。

实用新型内容

本申请提供了一种无源低通滤波器及低通滤波电路，旨在解决传统的低通滤波器的宽频通带和频率截止特性不能满足需求以及体积小型化不够的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种无源低通滤波器，包括：

射频输入模块，用于接入射频信号，并对所述射频信号混合处理，并输出第一射频信号；

第一谐振模块，与所述射频输入模块耦接，用于对所述第一射频信号的频率进行调节，以输出预设通带频率的第二射频信号；

第一衰减模块，与所述第一谐振模块耦接，用于衰减所述第二射频信号中的杂波信号；

多个串联的第二谐振模块，与所述第一谐振模块耦接，用于调整所述第二射频信号的频率；

多个第二衰减模块，每个所述第二衰减模块的第一端耦接于相邻的所述第二谐振模块之间的公共节点，每个所述第二衰减模块的第二端接地，用于衰减所述第二射频信号中的杂波信号，生成第三射频信号；

射频输出模块，与所述多个串联的第二谐振模块连接，用于输出所述第三射频信号。

在其中一个实施例中，所述第一谐振模块包括第一电感和第一电容，所述第一电感的第一端和所述第一电容的第一端共接于所述射频输入模块，所述第一电感的第二端和所述第一电感的第二端共接于所述第二谐振模块。

在其中一个实施例中，每个所述第二谐振模块包括第二电感和第二电容，所述第二电感与所述第二电容并联。

在其中一个实施例中，所述第一衰减模块包括至少一个电容，所述至少一个电容的第一端与所述第一谐振模块连接，所述至少一个电容的第二端接地。

在其中一个实施例中，所述第一电感和所述第二电感为螺旋状电感或者矩形电感。

在其中一个实施例中，所述第一电容和所述第二电容的结构为金属-介质-金属结构。

在其中一个实施例中，无源低通滤波器还包括衬底层和接地金属层；

其中，所述第一谐振模块和所述第二谐振模块形成于所述衬底层，所述第一衰减模块和所述第二衰减模块通过通孔结构连接所述接地金属层。

在其中一个实施例中，所述衬底层材料为砷化镓材料，所述衬底层厚度为100±5μm。

在其中一个实施例中，所述射频输入模块和所述射频输出模块均为共面端口结构。

本申请实施例的第二方面提供了一种低通滤波电路，包括如上述任一项所述的无源低通滤波器。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

上述的低通滤波器电路包括射频输入模块、第一谐振模块、第一衰减模块、多个串联的第二谐振模块、多个第二衰减模块以及射频输出模块。其中，射频输入模块用于接入射频信号并输出第一射频信号，第一谐振模块用于输出预设通带频率的第二射频信号；第一衰减模块用于衰减第二射频信号中的杂波信号；多个串联的第二谐振模块用于调整第二射频信号的频率；每个第二衰减模块用于衰减第二射频信号中的杂波信号，生成第三射频信号；射频输出模块用于输出第三射频信号。本申请实施例能够解决传统的低通滤波器的宽频通带和频率截止特性不能满足需求以及体积小型化不够的问题，本申请的构思在于，通过设置第一衰减模块和第二衰减模块可以有效的衰减射频信号中的杂波信号，通过设置第一谐振模块和第二谐振模块可以对射频信号的频率进行调节，如此操作，可以有效的避免传统的滤波器存在滤波器电路的宽频通带和陡峭的频率截止特性不能满足需求，以及低通滤波器的小型化不够的问题。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的一种无源低通滤波器的原理示意图；

图2为本申请一实施例提供的一种无源低通滤波器的等效电路图；

图3为本申请的一实施例提供的另一种无源低通滤波器等效电路图；

图4为本申请的一实施例提供的另一种无源低通滤波器的结构示意图；

图5为本申请一实施例提供的通带频率为0.5GHz的低通滤波器的输入端口回波损耗S11和输出端口回波损耗S22参数测试曲线示意图；

图6为本申请一实施例提供的通带频率为0.5GHz的低通滤波器的阻带抑制S21参数测试曲线示意图。

其中，图中各附图标记：

101、射频输入模块；102、射频输出模块；103、第一谐振模块；104、多个第二谐振模块；105、第一衰减模块；106、多个第二衰减模块。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

虽然我国现有的滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足各种电信设备，但随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求滤波器向集成方向发展。从整体而言，我国的无源滤波器发展较为缓慢，尤其是采用薄膜集成无源器件(Integrated Passive Device，IPD)工艺研制的低通滤波器，尚未大量生产和应用，为了缩短和需求的差距，需要自主研制基于薄膜集成无源器件工艺制作的低通滤波器。

射频无源器件(例如电阻、电感、电容和滤波器)可以通过多种工艺进行制作，例如采用低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic，LTCC)技术将无源器件嵌入到多层基板中。LTCC工艺因为其优异的电气性能和机械性能而被广泛应用，传统的低通滤波器大多采用LTCC工艺制作，但是采用LTCC工艺的陶瓷基板的尺寸在小型化的发展道路上遇到了瓶颈。

近年来，与LTCC工艺及PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)工艺相比，IPD半导体工艺可以制造更细的线宽、高密度的电容、高品质因素(Q-factor)的电感和高精度的电感，可以采用薄膜集成无源器件工艺将各无源器件进行集成，这对通信系统实现高集成度、高性能具有深远的意义。为满足低通滤波器紧凑的尺寸、陡峭的频率截止特性和高带外抑制的传输特性的性能要求，系统集成技术如系统级封装(system-in-a-package，SiP)在射频系统中应用广泛。

在本实施例中，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波器件。

电感Q值，也叫电感的品质因数，是衡量电感器件的主要参数。电感Q值是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的Q值越高，其损耗越小，效率越高。

如图1所示，本申请实施例的第一方面提供了一种无源低通滤波器的原理示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

请参阅图1，本申请实施例中的无源低通滤波器包括：射频输入模块101、第一谐振模块103、第一衰减模块105、多个第二谐振模块104、多个第二衰减模块106以及射频输出模块102。

在本实施例中，射频输入模块101用于接入射频信号，并对射频信号混合处理，并输出第一射频信号，第一谐振模块103与射频输入模块101耦接，用于对第一射频信号的频率进行调节，以输出预设通带频率的第二射频信号；第一衰减模块105与第一谐振模块103耦接，用于衰减第二射频信号中的杂波信号；多个串联的第二谐振模块104与第一谐振模块103耦接，用于调整第二射频信号的频率；每个第二衰减模块106的第一端耦接于相邻的第二谐振模块104之间的公共节点，每个第二衰减模块106的第二端接地，用于衰减第二射频信号中的杂波信号，生成第三射频信号；射频输出模块与多个串联的第二谐振模块104连接，用于输出第三射频信号。

在本实施例中，需要说明的是接入的射频信号可以包括多种幅度的干扰频率，在第一谐振模块103和第一衰减模块105共接点第一衰减模块105会对射频信号进行分流处理，第一衰减模块105会对第一谐振模块103调节输出的第二射频信号的杂波信号在极点处对处于截至频率的杂波信号快速衰减。

进一步地，第二射频信号直接进入多个第二谐振模块104，其中，多个第二谐振模块104与第一谐振模块103耦接，多个第二谐振模块104用于调整第二射频信号中通带频率偏离预设值的频率。进一步地，多个第二衰减模块106的第一端耦接于相邻的第二谐振模块104之间的公共节点，每个第二衰减模块106的第二端接地，用于对处于截至频率的其他杂波频率幅度衰减处理，生成第三射频信号；当射频信号达到预设的信号时，且杂波衰减至预设的范围时，射频信号进入与多个串联的第二谐振模块104连接的射频输出模块102，射频输出模块102用于输出第三射频信号至共面端口。

在一个实施例中，射频输入模块101包括射频(RF)接口，射频接口接入的射频信号可以是数字模拟信号、音频信号、视频信号的其中的一种或者多种，并对相应的信号混合处理输出符合预设值的信号频率。例如射频接口接入数字模拟信号，经过射频接口混合处理输出稳定的数字模拟信号，并触发后级模块实现相应的功能。需要说明的是射频输入模块101还可以设置多个其他的无线接口，射频接口也可以根据装置需要实现相应的功能进行相应的替换，具体的接口类型和型号不限。

在一实施例中，第一谐振模块103至少包括电感元器件或者电容元器件中的任意一种。

在本实施例中，参见图2所示，第一谐振模块103包括第一电感L1和第一电容C1，第一电感L1的第一端和第一电容C1的第一端共接于射频输入模块101，第一电感L1的第二端和第一电感L1的第二端共接于第二谐振模块104。

在一个实施例中，其中一个第二谐振模块104包括第二电感L2和第二电容C2，第二电感L2与第二电容C2并联。多个第二谐振模块104包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3以及第四电容C4，其中电感和电容分别对应连接，例如，第一电容C1的第一端与射频输入模块101连接，第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与第四电容C4的第一端连接，第四电容C4的第二端与射频输出模块102连接，第一电感L1与第一电容C1并联，第二电感L2与第二电容C2并联，第三电感L3与第三电容C3并联，第四电感L4与第四电容C4并联。

在一个实施例中，第一衰减模块105包括至少一个电容，至少一个电容的第一端与第一谐振模块103连接，至少一个电容的第二端接地。

例如，第一衰减模块105包括第五电容C5，第二衰减模块106包括第六电容C6以及第七电容C7。具体的，第五电容C5的第一端与第一电容C1的第二端连接，第五电容C5的第二端接地，第六电容C6的第一端与第二电容C2的第二端连接，第六电容C6的第二端接地，第七电容C7的第一端与第三电容C3的第二端连接，第七电容C7的第二端接地。

在另一个实施例中，参见图3所示，当第一谐振模块103只包括电感时，此时电感起通交流阻直流的作用，相应的功能实现为此电路中首次连接并联的电感和电容以及一接地电容的部分。

在本实施例中，参考图3所示，第一谐振模块103包括第一电感L1。多个第二谐振模块104包括第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3，其中电感和电容分别对应连接，例如，第一电感L1的第一端与射频输入模块101连接，第一电感L1的第二端与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端与射频输出模块102连接，第二电感L2与第一电容C1并联，第三电感L3与第二电容C2并联，第四电感L4与第三电容C3并联，第一衰减模块105包括第四电容C4，第二衰减模块106包括第五电容C5以及第六电容C6，具体的，第四电容C4的第一端与第一电容C1的第一端连接，第四电容C4的第二端接地，第五电容C5的第一端与第二电容C2的第一端连接，第五电容C5的第二端接地，第六电容C6的第一端与第三电容C3的第一端连接。

优选地，当第一谐振模块103只设置一电感，从射频输入模块101接入的射频信号，经过电感的射频信号首先被第一衰减模块105处理传输到极点处非通带频率的损耗，再经过多个第二谐振模块104中首个谐振模块谐振处理，稳定通带频率在预设值区间，使得低通滤波器具有陡峭的截止频率特性，并具有良好的带外高抑制特性。

可选地，多个第二谐振模块104串联的谐振电路数量根据设备需要实现的效果和实际成本选择一个或者多个第二谐振电路连接，具体的数量不限。

其中，多个第二衰减模块106的衰减电路数量据设备需要实现的效果和实际成本选择一个或者多个第二衰减电路连接，具体的数量不限。

在本实施例中，射频输入模块101还包括多个通孔，其中，当射频输入模块101包括两个通孔时，两个通孔分别连接射频共面端的地端Via；其中，射频输出模块102包括两个通孔时，两个通孔分别连接射频共面端的地端Via；其中，第一衰减模块105和多个第二衰减模块106组成的支路中的电容分别连接对应的通孔Via，各个支路的电容通过通孔接入接地金属层。

优选地，接地背面的通孔的尺寸为84±5um，需要说明的是通孔的尺寸大小不限于本实施例中设置的尺寸，具体尺寸的大小可以根据实现设备功能和通孔大规模、工业化生产便捷和经济的角度选择。

在一实施例中，第一衰减模块105包括至少一个电容，至少一个电容的第一端与第一谐振模块103连接，至少一个电容的第二端接地。

具体地，各支路电容第一端连接共接点，各支路电容地第二端接入接地金属层。

在一实施例中，第一电感L1和第二电感L2为螺旋状电感或者矩形电感。

优选地，无源低通滤波器的电感为环形磁性材料的电感，且电感成品形状为多个螺旋状电感或者矩形电感，其中，电感只能使用环形磁性材料，不能使用多边形材料，当使用多边形材料时，制成的电感为空心电感；可选地，成品的样式不限于环形或者矩形，具体的样式和形状可以根据板子的尺寸和相应功能实现的需要来设置。

在一实施例中，第一电容C1和第二电容C2的结构为金属-介质-金属结构。

需要说明地是电容中间的介质层可选择不同材质的介质，具体的，的介质包括，氧化铝、电容器纸、瓷片其中的其中一种或者多者，具体介质材质的选择根据功能的需要和制造成本选择，具体的类型不限。

在一实施例中，无源低通滤波器还包括衬底层和接地金属层；

其中，第一谐振模块103和第二谐振模块104形成于衬底层，第一衰减模块105和第二衰减模块106通过通孔结构连接接地金属层。

具体地，低通滤波器设置的电容均是采用薄膜集成无源器件工艺(IntegratedPassive Device，简称IPD)在衬底层上形成的，并且是由顶层金属，底层金属，以及顶层金属与底层金属之间加入一个中间绝缘层构成的。

可选地，底层金属表面再嵌入接地金属层形成护套或屏蔽层，并采用单点接地、中点接地、两端接地、交叉互联其中一种或者多种的接地方式。

可选地，中间绝缘层可以但不限于为氮化硅中间绝缘层。

在一实施例中，衬底层为半导体材料砷化物作为导体面层，衬底的厚度为100±5μm，具体地，除衬底层为单层的基板，衬底层为砷化镓(GaAs)基板外，还可以采用其他半导体材料，例如硅，当衬底层的厚度≦200μm时，优选地，衬底层10的厚度为100μm，但具体的衬底厚度根据功能实现来选择。

在另一个实施例中，无源低通滤波器和衬底层、接地金属层组成无源低通滤波器芯片；无源低通滤波器芯片长度为1.8±0.05mm；无源低通滤波器芯片宽度为0.9±0.05mm；无源低通滤波器芯片高度为0.1±0.05mm。通过基于薄膜集成无源器件工艺形成的上述尺寸的低通滤波器，实现了低通滤波器的超小型化，便于应用于各种需要贴片的电子装置中。

在另一实施例中，如图4和图5所示，图4为本申请一实施例提供的通带频率为0.5GHz的低通滤波器的输入端口回波损耗S11和输出端口回波损耗S22参数测试曲线示意图，图5为本申请一实施例提供的通带频率为0.5GHz的低通滤波器的阻带抑制S21参数测试曲线示意图。低通滤波器的输入端口回波损耗S11在整个0-0.5GHz频带内小于-16.0dB，说明本实施例的低通滤波器经过主路和各谐振支路后被反射回来的损耗小，低通滤波器达到了阻抗匹配。低通滤波器的阻带抑制S21在整个0-0.5GHz频带内大于-1.82dB，说明低通滤波器的插入损耗小，传输特性良好。在1.068GHz时，S21＜-20dB，在1.3GHz时，S21＜-40dB说明低通滤波器的矩形系数好，具有陡峭的截止频率；在1.25～8GHz时，S21＜-35dB，说明低通滤波器具有高带外抑制特性。

在一实施例中，一种低通滤波电路，包括射频输入模块101、射频输出模块102、多个谐振模块以及多个衰减模块；且射频输入模块101、射频输出模块102、多个谐振模块以及多个衰减模块对应与无源低通滤波器分别连接。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、电路的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、电路完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元或电路，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、电路可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、电路的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、电路的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

Claims (10)

1.一种无源低通滤波器，其特征在于，包括：

射频输入模块，用于接入射频信号，并对所述射频信号混合处理，并输出第一射频信号；

第一谐振模块，与所述射频输入模块耦接，用于对所述第一射频信号的频率进行调节，以输出预设通带频率的第二射频信号；

第一衰减模块，与所述第一谐振模块耦接，用于衰减所述第二射频信号中的杂波信号；

多个串联的第二谐振模块，与所述第一谐振模块耦接，用于调整所述第二射频信号的频率；

多个第二衰减模块，每个所述第二衰减模块的第一端耦接于相邻的所述第二谐振模块之间的公共节点，每个所述第二衰减模块的第二端接地，用于衰减所述第二射频信号中的杂波信号，生成第三射频信号；

射频输出模块，与所述多个串联的第二谐振模块连接，用于输出所述第三射频信号。

2.如权利要求1所述的无源低通滤波器，其特征在于，所述第一谐振模块包括第一电感和第一电容，所述第一电感的第一端和所述第一电容的第一端共接于所述射频输入模块，所述第一电感的第二端和所述第一电感的第二端共接于所述第二谐振模块。

3.如权利要求2所述的无源低通滤波器，其特征在于，每个所述第二谐振模块包括第二电感和第二电容，所述第二电感与所述第二电容并联。

4.如权利要求3所述的无源低通滤波器，其特征在于，所述第一衰减模块包括至少一个电容，所述至少一个电容的第一端与所述第一谐振模块连接，所述至少一个电容的第二端接地。

5.如权利要求3所述的无源低通滤波器，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感为螺旋状电感或者矩形电感。

6.如权利要求3所述的无源低通滤波器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容的结构为金属-介质-金属结构。

7.如权利要求1所述的无源低通滤波器，其特征在于，还包括：

衬底层和接地金属层；

其中，所述第一谐振模块和所述第二谐振模块形成于所述衬底层，所述第一衰减模块和所述第二衰减模块通过通孔结构连接所述接地金属层。

8.如权利要求7所述的无源低通滤波器，其特征在于，

所述衬底层材料为砷化镓材料，所述衬底层厚度为100±5μm。

9.如权利要求8所述的无源低通滤波器，其特征在于，所述射频输入模块和所述射频输出模块均为共面端口结构。

10.一种低通滤波电路，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的无源低通滤波器。

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