CN102800906A

CN102800906A - 多层陶瓷基片集成波导滤波器

Info

Publication number: CN102800906A
Application number: CN2012102640605A
Authority: CN
Inventors: 徐自强; 徐美娟; 夏红; 廖家轩; 尉旭波
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: CN102800906B

Abstract

本发明涉及多层陶瓷基片集成波导滤波器，包括从下往上依次层叠的第三金属层、第二介质基板、第二金属层、第一介质基板和第一金属层，所述金属化通孔阵列贯穿第一金属层、第一介质基板和第二金属层后在第一介质基板的两端开口处形成第一输入输出端和第二输入输出端，所述第一输入输出端和呈带状的第一共面波导输入输出结构连接，所述第二输入输出端和呈带状的第二共面波导输入输出结构连接，在第一输入输出端与第二输入输出端共用腔壁上设有第一感性耦合窗引入源负载耦合。本发明的优点和有益效果：更适合于系统小型化和集成应用。

Description

多层陶瓷基片集成波导滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及基于低温共烧陶瓷技术的多层基片集成波导滤波器。

背景技术

滤波器是系统整机中重要的无源元件之一，其性能直接影响了系统整体的选择性、噪声系数、增益和灵敏度等。金属腔体滤波器通常具有低损耗、高Q值、选择性好等优点，但其加工难度大、成本高、体积大，且与有源电路难以集成。基于基片集成波导技术的滤波器不仅具有与金属波导滤波器近似的优良性能，而且易于加工与平面集成，目前得到了广泛的研究和应用。随着系统对电路体积和重量的要求进一步苛刻，对基片集成波导滤波器也提出了更高的要求。而传统的单层平面基片集成波导滤波器已不能适应这一需求。

同时，由于频谱资源的有限，现代通信系统对滤波器的选择性要求也越来越高，这也要求滤波器在相同的阶数下具备较多的传输零点。对于N阶滤波器网络，传统拓扑结构最多只能产生N-2个有限传输零点，要增加传输零点的个数，只有进一步增加阶数，但随着阶数的增加也会使得滤波器的体积增大。

而采用源/负载耦合技术，在源和负载之间添加直接耦合路径，可以在N阶网络里产生N个传输零点，也就是说，要产生两个传输零点，传统滤波器拓扑结构至少需要4阶谐振器，而引入源/负载耦合后，只需要两阶谐振腔就可以实现两个传输零点。但要产生这两个传输零点的前提是，源/负载和两个谐振腔之间耦合中，需要有一个负（容性）耦合存在，但在传统平面基片集成波导滤波器中，由于其单层平面的结构，相邻谐振器之间的耦合一般只能实现正（感性）耦合，负耦合往往很难实现。虽然通过高阶模的模式变换，即在相邻的两个谐振腔中，其中一个谐振腔采用高阶谐振模式，可以实现负耦合，但高阶模谐振腔的体积较基模谐振腔的体积要大大增加，非常不利于系统的小型化和轻量化的发展需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的多层陶瓷基片集成波导滤波器尺寸过大的不足，提出了一种多层陶瓷基片集成波导滤波器。

本发明的技术方案是：多层陶瓷基片集成波导滤波器，该滤波器为具有两个传输零点的二阶带通滤波器，其特征在于，包括从下往上依次层叠的第三金属层、第二介质基板、第二金属层、第一介质基板和第一金属层，所述金属化通孔阵列贯穿第一金属层、第一介质基板和第二金属层后在第一介质基板的两端开口处形成第一输入输出端和第二输入输出端，所述第一输入输出端和呈带状的第一共面波导输入输出结构连接，所述第二输入输出端和呈带状的第二共面波导输入输出结构连接，在第一输入输出端与第二输入输出端共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第一感性耦合窗（该耦合窗为一开口）引入源负载耦合，所述第一共面波导输入输出结构和第二共面波导输入输出结构位于第一金属层；金属化通孔阵列贯穿第二介质基板、第二金属层和第三金属层后形成第一谐振腔和第二谐振腔，在第一谐振腔与第二谐振腔共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第二感性耦合窗引入感性耦合（该耦合窗为一开口）。

进一步的，在第一输入输出端与第一谐振腔之间的设有容性耦合窗引入容性耦合。

进一步的，在第二输入输出端与第二谐振腔两侧边缘设有第三感性耦合窗引入感性耦合。

本发明的优点和有益效果：相比于传统的基片集成波导滤波器，只需通过调整上层输入输出端和下层谐振腔之间耦合槽的位置和尺寸，就可以调整耦合性质和耦合强度，从而可以根据需要灵活传输零点的位置，同时其所占电路板面积减小一半以上，更适合于系统小型化和集成应用，该滤波器制作工艺简单，与现有成熟的低温共烧陶瓷工艺兼容，非常适合于批量化生产。

附图说明

图1为本发明的总体结构爆破示意图。

图2为本发明的总体结构的侧视示意图。

图3为本发明的第一金属层的平面结构的几何参数示意图。

图4为本发明的第二金属层的平面结构的几何参数示意图。

图5为本发明的一个实施例的实测功能效果图。

附图标记说明：第一介质基板11、第二介质基板12、第一金属层21、第二金属层22、第三金属层23、第一共面波导输入输出结构31、第二共面波导输入输出结构32、第一输入输出端41、第二输入输出端42、第一谐振腔51、第二谐振腔52、第一感性耦合窗61、第二感性耦合窗62、第三感性耦合窗63、容性耦合窗7、金属化通孔阵列8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：如图1和图2所示，多层陶瓷基片集成波导滤波器，该滤波器为具有两个传输零点的二阶带通滤波器，其特征在于，包括从下往上依次层叠的第三金属层23、第二介质基板12、第二金属层22、第一介质基板11和第一金属层21，所述金属化通孔阵列8贯穿第一金属层21、第一介质基板11和第二金属层22后在第一介质基板11的两端开口处（本发明中金属层中金属化通孔阵列不连贯的地方被视为开口）形成第一输入输出端41和第二输入输出端42，所述第一输入输出端41和呈带状的第一共面波导输入输出结构31连接，所述第二输入输出端42和呈带状的第二共面波导输入输出结构32连接，在第一输入输出端41与第二输入输出端42共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第一感性耦合窗61（该耦合窗为一开口）引入源负载耦合，所述第一共面波导输入输出结构31和第二共面波导输入输出结构32位于第一金属层21；金属化通孔阵列8贯穿第二介质基板12、第二金属层22和第三金属层23后形成第一谐振腔51和第二谐振腔52，在第一谐振腔51与第二谐振腔52共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第二感性耦合窗62引入感性耦合（该耦合窗为一开口）。

为了进一步的增加本发明的性能，在第一输入输出端41与第一谐振腔51之间的设有容性耦合窗7引入容性耦合。在第二输入输出端42与第二谐振腔52两侧边缘设有第三感性耦合窗63引入感性耦合。

上述第一共面波导输入输出结构31和第二共面波导输入输出结构32，第一输入输出端41和第二输入输出端42呈匹配关系，当其中一端作为输入端时，另一端作为输出端，反之亦然。

本发明的技术方案的原理是：从输入端（如第一输入输出端41）到输出端（如第二输入输出端42）的信号分成两个路径，且强度在一个量级上，第一路从输入端通过第一感性耦合窗61后从输出端输出；另一路信号则从输入端分别通过容性耦合窗7、第一谐振腔51、第二感性耦合窗62、第二谐振腔52及第三感性耦合窗63后，从输出端输出。这两路信号在特定频率处因相位相反而对消产生传输零点，同时，由于引入了源和负载耦合，使得滤波器最多能产生与阶数数目相同的传输零点。根据实际的需要，利用低温共烧陶瓷技术多层结构的优势，在第一谐振腔51及第二谐振腔52正下方还可以继续叠加成对的谐振腔，在没有增加所占用电路板面积的前提下，获得更多的传输零点，实现滤波器更高的带外选择提性。

本发明的技术方案的输入输出端采用共面波导和输入输出结构结合的形式，即可实现本滤波器与平面微带电路的过渡，又可以有效抑制滤波器的寄生高阶模式，提高滤波器的上边带选择性，扩宽工作频率范围。

本发明的技术方案具备带外选择性好的优点，只需两个谐振腔就能产生两个传输零点，且两个谐振腔垂直位于输入输出端下方，内埋于陶瓷介质基板中，使得该发明的方案兼具小型化和可靠性高的优点。

本发明的技术方案具备的多层结构，使得设计时只需调整输入输出端与谐振腔之间耦合槽的位置和尺寸，无需采用高阶模式变换，便可以灵活调整正负（磁性/容性）的耦合性质和耦合强度，在减小体积的同时，更提高了设计的灵活性。

本发明的滤波器两个传输零点的位置，可以灵活调整和控制，即可同时位于下边带或上边带，也可以在下边带和下边带各分布一个，更为适合实际系统需求。

为了进一步的说明上述技术方案的可实施性，下面给出一个具体实施例：以中心频率9.2GHz实现多层陶瓷基片集成波导滤波器为例，利用标准的低温共烧陶瓷工艺加工，并测试了整体性能。本实施例所用的介质基板的材料为Ferro-A6M陶瓷基片，相对介电常数ε_r=5.9，损耗角正切0.0015，烧结后厚度为0.096mm。每层介质基板均由五层陶瓷基片构成。所有金属层材料为金或银，厚度10～12um，金属化通孔阵列中的通孔填充材料为金或银，通孔直径0.17～0.2mm，通孔间距尽量密集排布，前提为不超过实际工艺条件中对最小孔间距的要求。图3和图4为本发明的实施例的第一金属层和第二金属层的平面结构的几何参数示意图，其中的几何参数为输入输出端长度L_i=10mm，第一谐振腔长度L₁=12.48mm，第二谐振腔长度L₂=10.69mm，L_u=2.15mm，第三感性耦合窗长度L_2L=2.82mm，第三感性耦合窗宽度W_2L＝0.45mm，容性耦合窗半径R₁=2.50mm，输入输出端宽度W_o=0.75mm，共面波导输入输出结构宽度W_i=8.2mm，第一谐振腔宽度W₁=8.16mm，W_u＝1.35mm，第一感性耦合窗宽度W_SL=2.65mm，第二感性耦合窗宽度W₁₂=2.82mm。

根据上述具体尺寸，按照本发明的基本技术方案形成一具有具体尺寸的滤波器，上述具体尺寸的设定不应被理解为对本发明方案的保护范围的限制。

对上述具体实施例结构的滤波器进行测试，测试仪器为安捷伦公司的E8363B矢量网络分析仪，该实施例实测的传输特性如图5所示，该滤波器的中心频率9.17GHz，3dB相对带宽为2.05%，带内最小插入损耗为1.78dB，两个传输零点分别位于8.65GHz和10.55GHz。测试结果显示，滤波器具有优良性能，同时其尺寸仅为25×10×0.98mm³，远小于传统的平面基片集成波导滤波器。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.多层陶瓷基片集成波导滤波器，该滤波器为具有两个传输零点的二阶带通滤波器，其特征在于，包括从下往上依次层叠的第三金属层（23）、第二介质基板（12）、第二金属层（22）、第一介质基板（11）和第一金属层（21），所述金属化通孔阵列（8）贯穿第一金属层（21）、第一介质基板（11）和第二金属层（22）后在第一介质基板（11）的两端开口处形成第一输入输出端（41）和第二输入输出端（42），所述第一输入输出端（41）和呈带状的第一共面波导输入输出结构（31）连接，所述第二输入输出端（42）和呈带状的第二共面波导输入输出结构（32）连接，在第一输入输出端（41）与第二输入输出端（42）共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第一感性耦合窗（61）引入源负载耦合，所述第一共面波导输入输出结构（31）和第二共面波导输入输出结构（32）位于第一金属层（21）；金属化通孔阵列（8）贯穿第二介质基板（12）、第二金属层（22）和第三金属层（23）后形成第一谐振腔（51）和第二谐振腔（52），在第一谐振腔（51）与第二谐振腔）52）共用腔壁（两腔相邻的位置）上设有第二感性耦合窗（62）引入感性耦合。

2.根据权利要求1所述的多层陶瓷基片集成波导滤波器，其特征在于，在第一输入输出端（41）与第一谐振腔（51）之间的设有容性耦合窗（7）引入容性耦合。

3.根据权利要求1所述的多层陶瓷基片集成波导滤波器，其特征在于，在第二输入输出端（42）与第二谐振腔（52）两侧边缘设有第三感性耦合窗（63）引入感性耦合。