CN104064841A - 具缺陷接地结构微带线滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微带线滤波器，微带线滤波器包括介质基板、第一发夹形谐振器以及金属接地层。第一发夹形谐振器配置于介质基板的第一层。金属接地层配置于介质基板的第二层，金属接地层包括第一缺陷接地结构。第一缺陷接地结构包括第一缺陷区域、第二缺陷区域以及第三缺陷区域。第一缺陷区域在第一层的投影位于第一发夹形谐振器的发夹结构内部。第二缺陷区域在第一层的投影位于第一发夹形谐振器开口的相反方向。第三缺陷区域连接第一缺陷区域及第二缺陷区域。

Description

具缺陷接地结构微带线滤波器

技术领域

本发明是有关于一种微带线滤波器(Microstrip Line Filter)，且特别是有关于一种具有缺陷接地结构(Defected Ground Structure,DGS)的微带线滤波器。

背景技术

随着科技发展，无线通讯已于生活中广泛使用，例如包括Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等等的无线通讯技术。而滤波器在一般无线通讯产品中扮演重要角色，因为滤波器能允许特定频率的信号通过并抑制其他部分频率的信号，有助于改善无线通讯产品的信号品质。

因应无线通讯产品日益轻薄短小的趋势，以及使用者对于通讯品质的要求，如何减少滤波器的尺寸、降低制造成本，并使得滤波器有较佳的频率特性，能够有效抑制谐波(harmonics)成份，乃目前业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明有关于一种微带线滤波器。

根据本发明的一方面，提出一种微带线滤波器。微带线滤波器包括介质基板、第一发夹形谐振器以及金属接地层。第一发夹形谐振器配置于介质基板的第一层。金属接地层配置于介质基板的第二层，金属接地层包括第一缺陷接地结构。第一缺陷接地结构包括第一缺陷区域、第二缺陷区域以及第三缺陷区域。第一缺陷区域在第一层的投影位于第一发夹形谐振器的发夹结构内部。第二缺陷区域在第一层的投影位于第一发夹形谐振器开口的相反方向。第三缺陷区域连接第一缺陷区域及第二缺陷区域。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

附图说明

图1A绘示依据本发明第一实施例的微带线滤波器的示意图；

图1B绘示依据本发明第一实施例的微带线滤波器的俯视图；

图1C绘示依据本发明第一实施例的微带线滤波器的底视图；

图2绘示依据本发明第二实施例的微带线滤波器的俯视图；

图3绘示依据本发明第二实施例实际测量得到的频率响应；

图4绘示依据本发明第三实施例的微带线滤波器中的高通滤波器的等效电路图；

图5绘示依据本发明第三实施例实际测量得到的频率响应；

图6A绘示依据本发明第四实施例的微带线滤波器的俯视图；

图6B绘示依据本发明第四实施例的微带线滤波器的底视图；

图7A及图7B绘示依据本发明第四实施例实际测量得到的频率响应。

其中，附图标记：

1、2、5：微带线滤波器

4：高通滤波器等效电路

10：介质基板

11、21、51：第一发夹形谐振器

12、22、52：金属接地层

13、23、53：第一缺陷地结构

14：信号馈入点

15：信号输出点

24、54：第二发夹形谐振器

25、55：连接金属片

26、56：第二缺陷接地结构

111：第一金属片

112：第二金属片

113：U字形金属片

131、531：第一缺陷区域

132、532：第二缺陷区域

133、533：第三缺陷区域

1131：第一区段金属

1132：第二区段金属

1133：第三区段金属

d：间距

Cx：电容

D1、D2、D3、D4：方向

H2、H5：高度

L1、L2、L3、L4：曲线

Lx、Ly：电感

LW1、LW2、LW3、LW4：线宽

P1：输入端

P2：输出端

W2、W5：宽度

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

传统的滤波器作法，是使用集总元件(lumped element)的组合，例如使用电阻、电容及电感元件的组合，而能形成低通滤波器、高通滤波器及带通滤波器。然而使用集总元件所形成的滤波器，要达到较佳二次谐波及三次谐波的抑制效果，需要使用较多的集总元件来达成，所占用的面积增加且价格也提升，局限了可能的应用层面。

本发明将滤波器制作在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)上，以印刷电路板上的微带线线路(Microstrip Line Circuit)形成滤波器。以此方式设计的滤波器的效能远优于集总元件滤波器，尤其是高频部分的频率响应(集总元件于高频时，会产生寄生效应)。此方式设计直接在印刷电路板上制作滤波器，无需购买额外的元件，能够有效降低制作成本。

为了使得滤波器有更佳的频率特性，例如在滤波器的抑制频带(stop-band)对于信号有更好的抑制效果，本发明在印刷电路板的背板接地面作特殊图样(pattern)的挖地处理，例如以蚀刻的方式去除接地面部份的金属，以形成缺陷接地结构。这样的结构能形成等效的电感及电容，改变电流的分布特性，达到良好的滤波器频率特性。由于本滤波器是PCB制作，而不是集总元件组成，所以日后生产的一致性高，滤波器的频率特性不会差异太大。以下详细说明本发明的实施例。

图1A绘示依据本发明第一实施例的微带线滤波器的示意图。微带线滤波器1包括介质基板10、第一发夹形谐振器11以及金属接地层12。为更清楚表示本发明第一实施例，图1B绘示微带线滤波器1的俯视图，图1C绘示微带线滤波器1的底视图。

第一发夹形谐振器11配置于介质基板10的第一层，第一层例如在介质基板10的上表面。金属接地层12配置于介质基板10的第二层，第二层例如在介质基板10的下表面。金属接地层12包括第一缺陷接地结构13。第一缺陷接地结构13包括第一缺陷区域131、第二缺陷区域132及第三缺陷区域133。第一缺陷区域131在介质基板10第一层的投影位于第一发夹形谐振器11的发夹结构内部。第二缺陷区域132在介质基板10第一层的投影位于第一发夹形谐振器11开口的相反方向。第三缺陷区域133连接第一缺陷区域131及第二缺陷区域132。兹将各元件详细说明如下。

请参照图1B，第一发夹形谐振器11包括第一金属片111、第二金属片112、U字形金属片113。第二金属片112平行于第一金属片111，且第二金属片112与第一金属片111之间有一间距d。U字形金属片113的一端连接至第一金属片111，U字形金属片113的另一端连接第二金属片112。因此，U字形金属片113与第一金属片111及第二金属片112形成一个发夹结构，具有一个开口，如图1B所示，第一发夹形谐振器11的开口方向是朝着方向D1。

本实施例中所采用的U字形金属片113包括第一区段金属1131、第二区段金属1132及第三区段金属1133。第一区段金属1131连接到第一金属片111，第二区段金属1132垂直于第一区段金属1131，第三区段金属1133垂直于第二区段金属1132，而第三区段金属1133连接到第二金属片112。亦即，U字形金属片113包括三段互相垂直的区段金属。

在第一发夹形谐振器11中，第一金属片111是矩形，与第一金属片111连接的第一区段金属1131亦是矩形，而第一区段金属1131与第一金属片111的线宽不相等，第一区段金属1131的线宽LW3小于第一金属片111的线宽LW1。第三区段金属1133与第一区段金属1131的形状与尺寸均相同，第二金属片112与第一金属片111的形状与尺寸均相同(第一金属片111与第二金属片112形成一个平行耦合线结构)，因此第一发夹形谐振器11形成一个对称的结构。亦即，第三区段金属1133的线宽LW4小于第二金属片112的线宽LW2。

接着请参考图1C，说明本实施例的第一缺陷接地结构13。图1C所示为介质基板10的下表面，配置有金属接地层12，如图1C中所示的斜线阴影区域。在金属接地层12进行蚀刻，去除特定部分的金属以形成第一缺陷接地结构13。如图1C中所示，包括第一缺陷区域131、第二缺陷区域132及第三缺陷区域133的空白区域，代表金属已被蚀刻掉的区域。

本说明书以下关于第一缺陷接地结构13及第一发夹形谐振器11之间相对位置关系的叙述，皆是指第一缺陷接地结构13在介质基板10上表面的投影，为使说明精简扼要，将不再重复记述“投影”。第一缺陷区域131是位在第一发夹形谐振器11的发夹结构内部，于此实施例中，第一缺陷区域131是被U字形金属片113所包围。第二缺陷区域132是位在第一发夹形谐振器11开口的相反方向，即是位在方向D1的相反方向，位在第一发夹形谐振器11的发夹结构外部。而第三缺陷区域133连接第一缺陷区域131及第二缺陷区域132，因此第三缺陷区域133会横跨过第一发夹形谐振器11。

于此实施例中，第一缺陷区域131是矩形。第二缺陷区域132同样是矩形，且与第一缺陷区域131的尺寸相同。第三缺陷区域133是矩形，第三缺陷区域133与U字形金属片113当中的第二区段金属1132交错且互相垂直。因此，第一缺陷接地结构13呈哑铃形(dumbbell)，哑铃的一头位在第一发夹形谐振器11的发夹结构内部，哑铃的另一头位在第一发夹形谐振器11的发夹结构外部，哑铃的中间轴则与第二区段金属1132交错且互相垂直，通过第二区段金属1132的中点。

如上所述的第一发夹形谐振器11以及第一缺陷接地结构13，所形成的微带线滤波器1是一个低通滤波器，能够抑制高频的频率成份通过。微带线滤波器1包括信号馈入点14以及信号输出点15，信号馈入点14位于邻近U字形金属片113连接第一金属片111的一端，信号输出点15位于邻近U字形金属片113连接第二金属片112的一端。可藉由调整第一金属片111、第二金属片112、U字形金属片113的尺寸以及调整第一缺陷区域131、第二缺陷区域132、第三缺陷区域133的尺寸，以改变微带线滤波器1的频率响应，例如改变微带线滤波器1的截止频率(cutoff frequency)、返回损失(return loss)、插入损失(insertion loss)及二次谐波与三次谐波的抑制效能。

本实施例中揭露了第一发夹形谐振器11以及第一缺陷接地结构13的形状，然而本发明所属技术领域人员当可以理解，其形状并不限于本实施例所揭露，端视滤波器所需应用的场合以及欲达到的频率响应，对应设计第一发夹形谐振器11以及第一缺陷接地结构13的形状，以下将列举其他种可能的实施方式。只要第一缺陷区域131位于第一发夹形谐振器11的发夹结构内部，第二缺陷区域132位于第一发夹形谐振器11开口的相反方向，第三缺陷区域133连接第一缺陷区域131及第二缺陷区域132，皆属于本发明范围之内。

举例而言，第一缺陷接地结构13的形状也可以是S字形。例如第一缺陷区域131是矩形，第二缺陷区域132是C字形，第二缺陷区域132的一端连接至第三缺陷区域133，第三缺陷区域133连接至第一缺陷区域131的一角。S字型的缺陷接地结构可以参考如图6B所绘示的示意图。

于本发明上述实施例的微带线滤波器中，由于具有缺陷接地结构，可以有效使得介质基板上层的微带线电路尺寸减小，因此可以减少滤波器所使用的面积。明确而言，相较于不具有缺陷接地结构的微带线滤波器，欲得到相同的滤波器截止频率，使用缺陷接地结构可以缩短U字形金属片113的长度。此外，缺陷接地结构亦可以改善微带线滤波器的频率特性，使得滤波器的频率响应在抑制频带衰减的斜率更大。相较于传统的一阶滤波器，在抑制频带频率每变为2倍仅衰减6dB，若要有较高的衰减率则需使用更高阶的滤波器，然而高阶滤波器会占用许多电路面积，而使用缺陷接地结构的微带线滤波器可以达成仅需使用小面积并具有良好的滤波器频率特性的效果。

于上述第一实施例中的微带线滤波器1包括一个第一发夹形谐振器11及一个第一缺陷接地结构13，如欲得到更好的滤波器频率响应，可以在上述第一实施例的信号输出端15之后再串接一级滤波器，以下说明本发明的第二实施例。

图2绘示依据本发明第二实施例的微带线滤波器的俯视图。与第一实施例类似，在介质基板的下表面配置有金属接地层22，于此不再赘述。本实施例的微带线滤波器2除了包括与第一实施例相同的第一发夹形谐振器21以及第一缺陷接地结构23，还包括第二发夹形谐振器24以及连接金属片25。第二发夹形谐振器24与第一发夹形谐振器21的开口指向相同方向，如图2所示，两者的开口皆朝向方向D2。连接金属片25连接第一发夹形谐振器21及第二发夹形谐振器24。金属接地层22还包括第二缺陷接地结构26，第二缺陷接地结构26在上表面的投影与第二发夹形谐振器24有交叠。

于图2所绘示的实施例中，是将两个相同的滤波器串接在一起。然而，本发明所属技术领域人员当可以理解，前后两级的滤波器可以使用相同的结构亦可以使用不同的结构，即第二发夹形谐振器24与第一发夹形谐振器21可以是不同的形状，且对应搭配的第二缺陷接地结构26与第一缺陷接地结构23也可以是不同的形状。此外，前后两级的滤波器亦可以使用相似的结构但彼此尺寸不同。只要串接后的微带线滤波器能够达到设计所需求的频率响应效果即可。

图3绘示依据本发明第二实施例实际测量得到的频率响应。此测量是根据实际尺寸为宽度W2＝6.6mm，高度H2＝6.9mm的微带线滤波器2，其尺寸是根据实际应用的无线通讯产品所需频段而作选择。曲线L1代表微带线滤波器2的反射损失(return loss)，即S11参数，一般反射损失以-10dB为门槛值，可以看出微带线滤波器2在频率2.4GHz附近有良好的反射损失。而曲线L2代表微带线滤波器2的插入损失(insertion loss)，即S21参数。从曲线L2可以看出微带线滤波器2是一个低通滤波器，截止频率约在2.6GHz。因此本实施例的微带线滤波器2可以适用于使用2.4GHz频段的无线通讯产品，例如应用于使用Wi-Fi或ZigBee协定的产品。在频率2.4GHz处的插入损失为-1.3dB。值得注意的是，在二次谐波(second harmonics)的频率处(即4.8GHz)，其插入损失为-68.25dB，相较于传统滤波器，微带线滤波器2大幅提升了对于二次谐波的抑制效果。

实际设计时，可以依据所需规格来设计滤波器参数，例如在2.4GHz处的插入损失大小，在二次谐波频率处的插入损失大小及在三次谐波频率处的插入损失大小，调整滤波器的设计。以下表一例示根据不同需求而设计的低通滤波器范例，经实际测量而得到的频率响应。

表一

由表一可以看出，依据本发明所设计的滤波器，对于二次谐波以及三次谐波的频率成份，皆有非常良好的抑制效果，且反射损失亦能符合实务设计需求。而不论在无线信号的发送端以及接收端，大幅抑制谐波的成份皆能有助于降低信号的失真及干扰程度，例如于发送端能避免内部电路产生的谐波传送出去，或是于接收端在读取信号时能先过滤掉信号中的谐波成份。

由于第二实施例中的微带线滤波器2是一个低通滤波器，如欲实现一个带通滤波器，可在其输出端或输入端串接一个高通滤波器。因此，本发明第三实施例的微带线滤波器，是在第二实施例当中的第二发夹形谐振器24之后再串接一个高通滤波器4，高通滤波器4可以使用集总元件实现。图4绘示依据本发明第三实施例的微带线滤波器中的高通滤波器的等效电路图。高通滤波器4包括输入端P1、输出端P2、电容Cx、电感Lx以及电感Ly。

图5绘示依据本发明第三实施例实际测量得到的频率响应。曲线L3代表反射损失，可以看出在频率2.4GHz处仍然有良好的反射损失。而曲线L4代表插入损失，从曲线L4可以看出微带线滤波器是一个带通滤波器，仅能通过频率范围落在2.4GHz附近的信号。因此较低频率的信号，例如900MHz的信号亦无法通过此带通滤波器(插入损失为-25.13dB)。而二次谐波的频率处(4.8GHz)，其插入损失为-58.03dB，三次谐波的频率处(7.2GHz)，其插入损失为-53.00dB。因此，第三实施例的滤波器适用于使用2.4GHz频段的无线通讯产品，且对于谐波成份有良好的抑制效果。

图6A绘示依据本发明第四实施例的微带线滤波器的俯视图，图6B绘示依据本发明第四实施例的微带线滤波器的底视图。第四实施例同样是串接前后两级相同的滤波器，于此不再赘述。与先前实施例不同之处在于，第四实施例中的微带线滤波器5所使用的缺陷接地结构形状并不相同。

微带线滤波器5包括第一发夹形谐振器51、第二发夹形谐振器54及连接金属片55，金属接地层52包括第一缺陷接地结构53及第二缺陷接地结构56。因第二缺陷接地结构56与第一缺陷接地结构53相同，仅针对第一缺陷接地结构53说明。

请参照图6B，第一缺陷接地结构53包括第一缺陷区域531、第二缺陷区域532及第三缺陷区域533。于此实施例中，第一缺陷区域531是矩形，第一缺陷区域531位于第一发夹形谐振器51的发夹结构内部，可以注意到其相对位置与图1C所示的第一缺陷区域131不同，图1C中第一缺陷区域131是完全被U字形金属片113所包围。第二缺陷区域532是C字形，即第二缺陷区域532具有一凹槽，C字形的开口方向D3与第一发夹形谐振器51的开口方向D4互相垂直，第二缺陷区域532位于第一发夹形谐振器51开口的相反方向。第三缺陷区域533是矩形，C字形的第二缺陷区域532的一端连接至第三缺陷区域533，第三缺陷区域533连接至矩形的第一缺陷区域531的一角，第一缺陷接地结构53呈S字形。

图7A及图7B绘示依据本发明第四实施例实际测量得到的频率响应。此测量是根据实际尺寸为宽度W5＝11.6mm，高度H5＝5.8mm的微带线滤波器5。图7A绘示插入损失与频率的关系，微带线滤波器5设计的目标为针对2.45GHz的频率信号。如图7A所绘示的插入损失，在2.45GHz频率处插入损失为-0.45dB，在二次谐波的频率处(4.9GHz)插入损失为-46.94dB，在三次谐波的频率处(7.35GHz)插入损失为-39.19dB，同样能够有效地抑制谐波成份。图7B绘示反射损失与频率的关系，在2.45GHz频率处的反射损失为-10.08dB。因此，微带线滤波器5可适于使用2.45GHz频段的无线通讯产品。

于本发明实施例上述的微带线滤波器，在印刷电路板上以微带线线路制作滤波器，并且在印刷电路板背板的金属接地层蚀刻特殊设计过的图样以形成适当的缺陷接地结构，以缺陷接地结构搭配印刷电路板上表面的微带线线路，如此制造的滤波器能够有良好的频率特性，特别是对于谐波成份能有很好的抑制效果。且以微带线线路制作滤波器以达成滤波性能一致性的要求，无需额外购买集总元件，亦无需额外的特殊印刷电路板制程，不仅所占用的面积较小，并且能够节省制造成本。本案滤波器设计仅以2.45GHz为通带当作范例加以论述，但本案可适合用于任何频率的设计，例如以5GHz为通带的设计。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微带线滤波器，其特征在于，包括：

一介质基板；

一第一发夹形谐振器，配置于该介质基板的一第一层；以及

一金属接地层，配置于该介质基板的一第二层，该金属接地层包括一第一缺陷接地结构，该第一缺陷接地结构包括：

一第一缺陷区域，该第一缺陷区域在该第一层的投影位于该第一发夹形谐振器的发夹结构内部；

一第二缺陷区域，该第二缺陷区域在该第一层的投影位于该第一发夹形谐振器开口的相反方向；以及

一第三缺陷区域，连接该第一缺陷区域及该第二缺陷区域。

2.根据权利要求1所述的微带线滤波器，其特征在于，该第一缺陷区域是矩形，该第二缺陷区域是矩形，且该第二缺陷区域与该第一缺陷区域的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的微带线滤波器，其特征在于，该第一缺陷区域是矩形，该第二缺陷区域是C字形，该第二缺陷区域的一端连接至该第三缺陷区域，该第三缺陷区域连接至该第一缺陷区域的一角。

4.根据权利要求1所述的微带线滤波器，其特征在于，该第一发夹形谐振器包括：

一第一金属片；

一第二金属片，平行于该第一金属片；以及

一U字形金属片，该U字形金属片的一端连接该第一金属片，该U字形金属片的另一端连接该第二金属片。

5.根据权利要求4所述的微带线滤波器，其特征在于，该U字形金属片包括：

一第一区段金属，连接该第一金属片；

一第二区段金属，垂直于该第一区段金属；以及

一第三区段金属，垂直于该第二区段金属，且连接该第二金属片；

其中该第三缺陷区域是矩形，且该第三缺陷区域于该第一层的投影垂直于该U字形金属片的该第二区段金属。

6.根据权利要求4所述的微带线滤波器，其特征在于，该U字形金属片包括：

一第一区段金属，连接该第一金属片；

一第二区段金属，垂直于该第一区段金属；以及

一第三区段金属，垂直于该第二区段金属，且连接该第二金属片；

其中该第一金属片是矩形，该U字形金属片的该第一区段金属是矩形，该第一区段金属的线宽小于该第一金属片的线宽，该第三区段金属与该第一区段金属的形状与尺寸均相同，该第二金属片与该第一金属片的形状与尺寸均相同。

7.根据权利要求4所述的微带线滤波器，其特征在于，该微带线滤波器还包括一信号馈入点，位于邻近该U字形金属片连接该第一金属片的该端。

8.根据权利要求1所述的微带线滤波器，其特征在于，还包括：

一第二发夹形谐振器，该第二发夹形谐振器与该第一发夹形谐振器的开口指向相同方向；以及

一连接金属片，连接该第一发夹形谐振器及该第二发夹形谐振器；

其中该金属接地层还包括一第二缺陷接地结构，该第二缺陷接地结构在该第一层的投影与该第二发夹形谐振器有交叠。

9.根据权利要求8所述的微带线滤波器，其特征在于，该第二发夹形谐振器与该第一发夹形谐振器的形状及尺寸皆相同，该第二缺陷接地结构与该第一缺陷接地结构的形状及尺寸皆相同，该第二缺陷接地结构及该第二发夹形谐振器的相对位置关系亦与该第一缺陷接地结构及该第一发夹形谐振器的相对位置关系相同。

10.根据权利要求8项所述的微带线滤波器，其特征在于，还包括一高通滤波器，连接至该第二发夹形谐振器。