CN103247840A

CN103247840A - 毫米波高性能微型介质腔体滤波器

Info

Publication number: CN103247840A
Application number: CN2013101745642A
Authority: CN
Inventors: 吴建星; 施淑媛; 李雁; 朱丹; 戴永胜; 陈龙; 罗鸣; 邓良; 冯辰辰; 陈相治; 顾家; 方思慧
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-13
Also published as: CN103247840B

Abstract

本发明公开了一种毫米波高性能微型介质腔体滤波器，包括陶瓷基板，上表面金属壁、下表面金属壁和侧边金属壁，九个金属化通孔，“X”形槽以及上表面金属壁两端共面波导输入输出端口。本发明频带为E波段，该技术具有覆盖频段广、插入损耗小、频率选择性好、谐波抑制特性好、电路结构简单、抗电磁干扰特性优，可控性好、成品率高等突出优点，对于各频段雷达、通信及未来高速率数据无线通信均具有广阔应用前景。

Description

毫米波高性能微型介质腔体滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种应用于微波毫米波电路的带通滤波器，更具体地说是一种毫米波高性能微型介质腔体滤波器。

背景技术

随着通信事业尤其是个人移动通信的高速发展,无线电频谱的低端频率已趋饱和。毫米波频段高，甚至百分之一的带宽就可以获得1GHz的宽度，使得我们可以实现Gbps高数据速率通信系统，大大拓宽现已十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干扰的通道。E波段 (70GHz/80GHz)毫米波受到烟雾、阴霾、雪、雾气和沙尘暴的影响较小，适合长距离通信，在无线通信中具有巨大潜力。微波毫米波滤波器是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。

低温共烧陶瓷是一种电子封装技术，采用多层陶瓷技术，能够将无源元件内置于介质基板内部，同时也可以将有源元件贴装于基板表面制成无源/有源集成的功能模块。LTCC技术在成本、集成封装、布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计多样性和灵活性及高频性能等方面都显现出众多优点，已成为无源集成的主流技术。其具有高Q值，便于内嵌无源器件，散热性好，可靠性高，耐高温，冲震等优点，利用LTCC技术，可以很好的加工出尺寸小，精度高，紧密型好，损耗小的微波器件。

目前国内外对E波段的滤波器进行了大量的研究，然而插入损耗大，加工难度大成为主要的技术瓶颈。由于频率高，常用的带状线或者交指型已经很难设计出性能良好的滤波器，可用于毫米波的波导滤波器在加工工艺上面临很大的考验，毫米波应用广泛的SIW滤波器的加工工艺难度和成本大大提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通带损耗低、频率选择性好、结构简单、可靠性高、成本低、使用方便的毫米波高性能微型介质腔体滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：一种毫米波高性能微型介质腔体滤波器，包括陶瓷基板，陶瓷基板的上下表面和侧边金属壁，金属化通孔，由金属化通孔和陶瓷基板形成的谐振腔，上下表面金属开的“X”形槽，以及上表面金属壁两端共面波导输入、输出端口。

一种毫米波高性能微型介质腔体滤波器，包括陶瓷基板S、上表面金属壁G1、下表面金属壁G2、侧边金属壁G3、输入端口P1、输出端口P2、“X”形槽C14、第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9；其中上表面金属壁G1是在陶瓷基板S的上表面印刷的金属层，下表面金属壁G2是在陶瓷基板S的下表面印刷的金属层，侧边金属壁G3是在陶瓷基板S的侧面印刷的金属壁；第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8和第九金属化通孔V9的两端分别与上表面金属壁G1和下表面金属壁G2相连接；上表面金属壁G1的一端开槽作为输入端口P1，上表面金属壁G1的另一端开槽作为输出端口P2。

第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第一谐振腔R1；第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第二谐振腔R2；第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第三谐振腔R3；第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第四谐振腔R4。

第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2和第三金属化通孔V3之间的间隙为第一耦合间隙C12，构成第一谐振腔R1和第二谐振腔R2之间的耦合；第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4和第五金属化通孔V5之间的间隙为第二耦合间隙C23，构成第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间的耦合间隙；第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6和第七金属化通孔V7之间的间隙为第三耦合间隙C34，构成第三谐振器R3和第四谐振腔R4之间的耦合间隙；第八金属化通孔V8和第九金属化通孔V9之间的间隙为第四耦合间隙C14，构成第一谐振腔R1和第四谐振腔R4之间的耦合间隙；“X”形槽X是分别在上表面金属壁G1和下表面金属壁G2位于第四耦合间隙C14处开设的一对交叉的斜槽，俯视看呈“X”形。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）带内插入损耗小；（2）频率选择性好，带外抑制高；（3）电路实现结构简单，仅需内部少量通孔可将波导腔分为4个谐振腔体，相邻谐振腔的耦合通过通孔的间距来改变；（4）工艺上易于实现，相对与普通波导滤波器，由于采用LTCC技术使得本发明加工制造难度大大降低；（5）生产成本降低，相对与SIW（衬底集成波导）滤波器而言，谐振腔只是采用内部少量通孔和金属壁形成，这样可以大大减少工艺成本。

附图说明

图1为本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器的结构图。

图2为本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器的结构俯视图。

图3为本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器的幅频特性曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

结合图1、图2，本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器，包括陶瓷基板S、上表面金属壁G1、下表面金属壁G2、侧边金属壁G3、输入端口P1、输出端口P2、“X”形槽C14、第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9。其中上表面金属壁G1是在陶瓷基板S的上表面印刷的金属层，下表面金属壁G2是在陶瓷基板S的下表面印刷的金属层，侧边金属壁G3是在陶瓷基板S的侧面印刷的金属壁；第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8和第九金属化通孔V9均与上表面金属壁G1和下表面金属壁G2相连接；输入端口P1是在上表面金属壁G1的一端开槽具有共面波导形式的抽头，输出端口P2是在上表面金属壁G1的另一端开槽具有共面波导形式的抽头；第一金属化通孔V1、第二金属化通孔V2、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9这四个金属化通孔与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第一谐振腔R1，近似为方形形状；第二金属化通孔V2、第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4这三个金属化通孔与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第二谐振腔R2，近似为方形形状；第四金属化通孔V4、第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6这三个金属化通孔与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第三谐振腔R3，近似为方形形状；第六金属化通孔V6、第七金属化通孔V7、第八金属化通孔V8、第九金属化通孔V9这四个金属化通孔与上表面金属壁G1、下表面金属壁G2和侧边金属壁G3形成第四谐振腔R4，近似为方形形状。第一金属化通孔V1、第二金属化通孔（V2）和第三金属化通孔V3之间的间隙为第一耦合间隙C12，构成第一谐振腔R1和第二谐振腔R2之间的耦合间隙；第三金属化通孔V3、第四金属化通孔V4和第五金属化通孔V5之间的间隙为第二耦合间隙C23，构成第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间的耦合间隙；第五金属化通孔V5、第六金属化通孔V6和第七金属化通孔V7之间的间隙为第三耦合间隙C34，构成第三谐振器R3和第四谐振腔R4之间的耦合间隙；第八金属化通孔V8和第九金属化通孔V9之间的间隙为第四耦合间隙C14，构成第一谐振腔R1和第四谐振腔R4之间的耦合间隙，“X”形槽X是分别在上表面金属壁G1和下表面金属壁G2位于第四耦合间隙C14处开设的一对交叉的斜槽，俯视看呈“X”形。

结合图1、图2，本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器，包含四个谐振腔R1、R2、R3和R4，第一谐振腔R1和第二谐振腔R2通过第一耦合间隙C12耦合，为磁耦合，第二谐振腔R2和第三谐振腔R3通过第二耦合间隙C23耦合，为磁耦合，第三谐振腔R3和第四谐振腔R4通过第三耦合间隙C34耦合，为磁耦合，第一谐振腔R1和第四谐振腔R4通过第四耦合间隙C14耦合，为电耦合。

结合图1、图2，本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器中，第一金属化通孔V1不仅为第一耦合间隙C12和第一谐振腔R1提供边界，还可以通过调整其在第一谐振腔R1的位置来微调第一谐振腔R1的谐振频率；第三金属化通孔V3不仅为第一耦合间隙C12、第二耦合间隙C23和第二谐振腔R2提供边界，还可以通过调整其在第二谐振腔R2的位置来微调第二谐振腔R2的谐振频率；第五金属化通孔V5不仅为第二耦合间隙C23、第三耦合间隙C34和第三谐振腔R3提供边界，还可以通过调整其在第三谐振腔R3的位置来微调第三谐振腔R3的谐振频率；第七金属化通孔V7不仅为第三间隙C34和第四谐振腔R4提供边界，还可以通过调整其在第四谐振腔R4的位置来微调第四谐振腔R4的谐振频率。

结合图1、图2，本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器中，在传输零点的设计上，采用在第一谐振腔R1与第四谐振腔R4之间引入交叉电耦合，具体来说，分别在上表面金属壁G1和下表面金属壁G2位于第四耦合间隙C14处，也就是在在第八金属化通孔V8和第九金属化通孔V9之间开设一“X”形槽X，它可以将第四耦合间隙C14的耦合特性由磁耦合变为电耦合，并可以通过改变它的尺寸来调节电耦合的强弱，由此在上边带和下边带各产生一个传输零点。

本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器的工作原理简述如下：宽频带微波信号从输入端口P1进入第一谐振腔R1，通带内的微波信号通过第一耦合间隙C12耦合到第二谐振腔R2，再经过第二耦合间隙C23耦合到第三谐振腔3，最后经过第三耦合间隙C34耦合到第四谐振腔R4到输出端口P2，通带外的微波信号依次在四个谐振腔R1、R2、R3和R4的谐振频率外衰减。上边带和下边带传输零点是由于依次经过第二谐振腔R2、第三谐振器R3、第四谐振器R4的微波信号与从第一谐振腔R1直接通过第四耦合间隙C14传输到第四谐振腔R4的微波信号相位相差180°形成的，可以大大提高本发明的频率选择特性。通过改变第一金属化通孔V1、第三金属化通孔V3、第五金属化通孔V5和第七金属化通孔V7位置的变化，可以微调谐振腔的谐振频率，通过改变第一耦合间隙C12、第二耦合间隙C23、第三耦合间隙C34的宽度可以改变通带的宽度，通过改变第四耦合间隙C14的宽度和“X”形槽的大小可以改变传输零点的位置。

本发明毫米波高性能微型介质腔体滤波器的尺寸仅为2.2mm×2.2mm×0.2mm，其性能可从图3看出，通带带宽为81GHz~86GHz，通带内最小插入损耗为1.4dB,回波损耗优于14dB，下边带抑制优于50dB，上边带抑制优于40dB。

Claims

1.一种毫米波高性能微型介质腔体滤波器，其特征在于：包括陶瓷基板(S)、上表面金属壁(G1)、下表面金属壁(G2)、侧边金属壁(G3)、输入端口（P1）、输出端口（P2）、“X”形槽（C14）、第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）、第六金属化通孔（V6）、第七金属化通孔（V7）、第八金属化通孔（V8）、第九金属化通孔（V9）；其中上表面金属壁（G1）是在陶瓷基板（S）的上表面印刷的金属层，下表面金属壁（G2）是在陶瓷基板（S）的下表面印刷的金属层，侧边金属壁（G3）是在陶瓷基板（S）的侧面印刷的金属壁；第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）、第六金属化通孔（V6）、第七金属化通孔（V7）、第八金属化通孔（V8）和第九金属化通孔（V9）的两端分别与上表面金属壁（G1）和下表面金属壁（G2）相连接；上表面金属壁（G1）的一端开槽作为输入端口(P1)，上表面金属壁（G1）的另一端开槽作为输出端口（P2）。

2.根据权利要求1所述的毫米波高性能微型介质腔体滤波器，其特征在于：

第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）、第八金属化通孔（V8）、第九金属化通孔（V9）与上表面金属壁（G1）、下表面金属壁（G2）和侧边金属壁（G3）形成第一谐振腔（R1）；第二金属化通孔（V2）、第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）与上表面金属壁（G1）、下表面金属壁（G2）和侧边金属壁（G3）形成第二谐振腔（R2）；第四金属化通孔（V4）、第五金属化通孔（V5）、第六金属化通孔（V6）与上表面金属壁（G1）、下表面金属壁（G2）和侧边金属壁（G3）形成第三谐振腔（R3）；第六金属化通孔（V6）、第七金属化通孔（V7）、第八金属化通孔（V8）、第九金属化通孔（V9）与上表面金属壁（G1）、下表面金属壁（G2）和侧边金属壁（G3）形成第四谐振腔（R4）。

3.根据权利要求1所述的毫米波高性能微型介质腔体滤波器，其特征在于：

第一金属化通孔（V1）、第二金属化通孔（V2）和第三金属化通孔（V3）之间的间隙为第一耦合间隙(C12)，构成第一谐振腔（R1）和第二谐振腔（R2）之间的耦合；第三金属化通孔（V3）、第四金属化通孔（V4）和第五金属化通孔（V5）之间的间隙为第二耦合间隙(C23)，构成第二谐振腔（R2）和第三谐振腔（R3）之间的耦合间隙；第五金属化通孔（V5）、第六金属化通孔（V6）和第七金属化通孔（V7）之间的间隙为第三耦合间隙(C34)，构成第三谐振器（R3）和第四谐振腔（R4）之间的耦合间隙；第八金属化通孔（V8）和第九金属化通孔（V9）之间的间隙为第四耦合间隙（C14），构成第一谐振腔（R1）和第四谐振腔（R4）之间的耦合间隙；“X”形槽（X）是分别在上表面金属壁（G1）和下表面金属壁（G2）位于第四耦合间隙（C14）处开设的一对交叉的斜槽，俯视看呈“X”形。