CN104091983B

CN104091983B - 微型微波毫米波自负载i/q可变倒相正交滤波器

Info

Publication number: CN104091983B
Application number: CN201410339436.3A
Authority: CN
Inventors: 戴永胜; 杨茂雅; 邓良; 陈龙; 周衍芳
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104091983A

Abstract

本发明涉及一种微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、表面贴装的50欧姆阻抗输入/输出接口、以带状线结构实现的一个并联谐振单元模块、双螺旋结构的宽边耦合带状线以及在隔离端口自接的一个匹配负载，上述结构均采用多层低温共烧陶瓷工艺技术(LTCC技术)实现。本发明具有可变、可倒相正交、插损小、易调试、重量轻、体积小、可靠性高、电性能好、温度稳定性好、成本低、可大批量生产等优点，适用于相应毫米波频段的通信、卫星通信等对体积、电性能、温度稳定性和可靠性有苛刻要求的场合和相应的系统中。

Description

微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别是微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器。

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。在一些国防尖端设备中，现在的使用频段已经相当拥挤，所以卫星通信等尖端设备向着毫米波波段发展，所以微波毫米波波段滤波器已经成为该波段接收和发射支路中的关键电子部件，描述这种部件性能的主要指标有：通带工作频率范围、阻带频率范围、通带插入损耗、阻带衰减、通带输入/输出电压驻波比、插入相移和时延频率特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性、多用性等。

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。由于LTCC技术具有三维立体集成优势，在微波频段被广泛用来制造各种微波无源元件，实现无源元件的高度集成。基于LTCC工艺的叠层技术，可以实现三维集成，从而使各种微型微波滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等诸多优点，利用其三维集成结构特点，可以实现由带状线实现的微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由带状线结构实现可倒相正交、体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、结构简单、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性能稳定的微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器。

实现本发明目的的技术方案是：

一种微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、表面贴装的50欧姆阻抗输入端口、输入电感、并联谐振模块、匹配线、双螺旋结构的宽边耦合带状线、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口、钽电阻；其中：

所述并联谐振模块包括第一级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元以及Z形级间耦合带状线，各谐振单元均为三层，且每层均在同一平面。

与现有技术相比，由于本发明采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成，所带来的显著优点是：(1)带内平坦、通带内插损低；(2)可变且可倒相正交；(3)体积小、重量轻、可靠性高；(4)电性能优异；(5)电路实现结构简单，可实现大批量生产；(6)成本低；(7)使用安装方便，无需外接一个负载直接使用且使用全自动贴片机安装和焊接。

附图说明

图1是本发明微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器的外形及内部结构示意图。

图2是本发明微型微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器输出端的幅频特性曲线。

图3是本发明微型微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器输入输出端口的驻波特性曲线。

图4是本发明微型微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器两个输入端口的相位特性曲线。

图5是本发明微型微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器直通端口与耦合端口的相位特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，一种微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P5)、输入电感(Lin1、Lin2)、并联谐振模块、匹配线(T1、T2、T3、T4)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4、钽电阻R。

匹配线(T1、T2、T3、T4)包括第一匹配线T1、第二匹配线T2、第三匹配线T3、第四匹配线T4。

输入电感(Lin1、Lin2)包括第一输入电感Lin1和第二输入电感Lin2。

所述并联谐振模块包括第一级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元以及Z形级间耦合带状线LC，各谐振单元均为三层，且每层均在同一平面，其中：

第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线C1、第二层的第二带状线L1、第三层的第三带状线C7以及微电容C并联而成；

第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线C2、第二层的第五带状线L2、第三层的第六带状线C8以及前述微电容C并联而成；

第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线C3、第二层的第八带状线L3、第三层的第九带状线C9以及前述微电容C并联而成；

第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线C4、第二层的第十一带状线L4、第三层的第十二带状线C10以及前述微电容C并联而成；

第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线C5、第二层的第十四带状线L5、第三层的第十五带状线C11以及前述微电容C并联而成；

第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线C6、第二层的第十七带状线L6、第三层的第十八带状线C12以及前述微电容C并联而成；

所述单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFout1端口与输入端口P1连接，其RFout2端口与输入端口P5连接；

所述输入端口P1通过输入电感Lin1与第一级并联谐振单元中的第二层的第二带状线L1连接，输入端口P5通过输入电感Lin2与第一级并联谐振单元中的第三层的第三带状线C7连接；

所述匹配线T1与第六级并联谐振单元中的第二层的第十七带状线L6相连接，匹配线T2与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2连接；

所述第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2左端与匹配线T1连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2右端与匹配线T2连接；匹配线T3、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1和匹配线T4在同一平面，其中匹配线T3与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3连接，匹配线T4与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1右端与匹配线T3连接；

所述第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1左端与匹配线T4连接，表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4通过钽电阻R与接地板进行连接；

所述的六级并联谐振单元分别接地，其中：

第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路；

第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反且Z形级间耦合带状线LC两端均接地。

所述单刀双掷开关采用WKD102010040芯片，输入端口P1、P5、直通端口P2、耦合端口P3、隔离端口P4均是表面贴装的50欧姆阻抗，单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFout1与输入端口P1连接，RFout2与输入端口P5连接，输入端口P1通过输入电感Lin1与所述第二层的第二带状线L1连接，输入端口P5通过输入电感Lin2与所述第三层的第三带状线C7连接，第六级并联谐振单元中的所述第二层的第十七带状线L6与匹配线T1相连接,匹配线T1右端与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2相连，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2右端又通过匹配线T2与直通端口P2连接，耦合端口P3通过匹配线L3与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1相连，此耦合带状线U1又通过匹配线T4与隔离端口P4连接，隔离端口P4通过一个钽电阻R与接地板相连。

结合图1，优选的实施例中，前述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P5)、输入电感(Lin1、Lin2)、并联谐振模块、匹配线(T1、T2、T3、T4)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4、钽电阻R以及接地板均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，由于是采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有非常高的可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体集成和多层折叠结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，从而使体积大幅减小。

本发明微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器的尺寸可做成由一个尺寸为0.7mm*0.7mm*0.1mm单刀双掷开关芯片与一尺寸为6mm×3.2mm×1.5mm的微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器相连形成，下列图2-5展示的是微型微波毫米波自负载I/Q可倒相正交滤波器的性能，通带频率范围在2.7-2.9GHz,输入端口1与输入端口2相位差在173度左右即可倒相，耦合端口与直通端口相位在90度左右即可正交。

WKD102010040芯片是一款低插损的压控反射式单刀双掷开关芯片，使用0.25微米栅长的砷化镓赝配高电子迁移率晶体管工艺制造而成，该芯片通过背面金属经通孔接地。所以芯片产品全部经100％射频测量。WKD102010040型芯片为0/-5V或5V/0V电源工作，在DC～4GHz内插入损耗：0.5dB，隔离度：38dB，输入驻波比：1.2:1，输出驻波比：1.2:1，切换时间：10ns。

由于微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器简单来说就是一个单刀双掷开关芯片WKD102010040加上一个可倒相正交滤波器，因此由倒相正交滤波器的性能我们可得到微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器的性能。即其输出端的幅频特性曲线在通带范围内插损再加上0.5dB,其两个输入端口以及直通端口与耦合端口的相位平衡度并不发生变化。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，其特征在于：包括单刀双掷开关芯片WKD102010040、表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P5)、输入电感(Lin1、Lin2)、并联谐振模块、匹配线(T1、T2、T3、T4)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)、钽电阻(R)；其中：

所述并联谐振模块包括第一级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元以及Z形级间耦合带状线(LC)，各谐振单元均为三层，且每层均在同一平面，其中：

第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线(C1)、第二层的第二带状线(L1)、第三层的第三带状线(C7)以及微电容(C)并联而成；

第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线(C2)、第二层的第五带状线(L2)、第三层的第六带状线(C8)以及前述微电容(C)并联而成；

第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线(C3)、第二层的第八带状线(L3)、第三层的第九带状线(C9)以及前述微电容(C)并联而成；

第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线(C4)、第二层的第十一带状线(L4)、第三层的第十二带状线(C10)以及前述微电容(C)并联而成；

第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线(C5)、第二层的第十四带状线(L5)、第三层的第十五带状线(C11)以及前述微电容(C)并联而成；

第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线(C6)、第二层的第十七带状线(L6)、第三层的第十八带状线(C12)以及前述微电容(C)并联而成；

50欧姆阻抗输入端口(P1、P5)包括第一输入端口(P1)以及第二输入端口(P5)，所述单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFout1端口与第一输入端口(P1)连接，其RFout2端口与第二输入端口(P5)连接；

输入电感(Lin1、Lin2)包括第一输入电感(Lin1)以及第二输入电感(Lin2)，所述第一输入端口(P1)通过第一输入电感(Lin1)与第一级并联谐振单元中的第二层的第二带状线(L1)连接，第二输入端口(P5)通过第二输入电感(Lin2)与第一级并联谐振单元中的第三层的第三带状线(C7)连接；

第一匹配线(T1)与第六级并联谐振单元中的第二层的第十七带状线(L6)相连接，第二匹配线(T2)与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)连接；

双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)包括第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)以及第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)，所述第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)左端与第一匹配线(T1)连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U2)右端与第二匹配线(T2)连接；第三匹配线(T3)、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)和第四匹配线(T4)在同一平面，其中第三匹配线(T3)与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)连接，第四匹配线(T4)与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)右端与第三匹配线(T3)连接；

所述第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1)左端与第四匹配线(T4)连接，表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)通过钽电阻(R)与接地板进行连接；

所述的六级并联谐振单元分别接地，其中：

第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反且Z形级间耦合带状线(LC)两端均接地。

2.根据权利要求1所述的微型微波毫米波自负载I/Q可变倒相正交滤波器，其特征在于，所述表面贴装的50欧姆阻抗输入端口(P1、P5)、输入电感(Lin1、Lin2)、并联谐振模块、匹配线(T1、T2、T3、T4)、双螺旋结构的宽边耦合带状线(U1、U2)、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口(P2)、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口(P3)、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口(P4)、钽电阻(R)以及接地板均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。