CN104538711B - 微型微波毫米波i/q正交滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型微波毫米波I/Q正交滤波器，包括带状线结构的微波毫米波滤波器和定向耦合器。微波毫米波滤波器包括表面贴装的输入接口、以带状线结构实现的六级并联谐振单元，定向耦合器包括表面贴装的输出接口、双螺旋结构的宽边耦合带状线，上述结构均采用多层低温共烧陶瓷工艺技术实现。本发明具有可产生正交相位、易调试、插损小、重量轻、体积小、可靠性高、电性能好、温度稳定性好、电性能批量一致性好、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I/Q正交滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，特别是一种微型微波毫米波I/Q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、可靠性等。耦合器一直是各种微波集成电路中的重要组成部件，由于直通口与耦合口的输出不同，因此将耦合器与滤波器相连，可以扩大滤波器的使用范围。

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I/Q正交滤波器。

传统的滤波器，例如微带滤波器，通常实现相同的性能参数，所需体积通常会比LTCC工艺实现要大得多，因而在工程应用上的劣势就凸显出来，采用LTCC工艺实现的情况下，会在尽可能小的体积内，实现最优化的性能。而且，传统情况下采用的滤波器，不具有正交功能，而是通过外接正交器实现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由带状线结构和定向耦合器实现体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、使用方便、适用范围广、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I/Q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I/Q正交滤波器，它由微波毫米波滤波器和定向耦合器组成。微波毫米波滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口、第一输入电感、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、输出电感、Z形级间耦合带状线，各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线、第二层的第二带状线、第三层的第三带状线、第一微电容并联而成，第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线、第二层的第五带状线、第三层的第六带状线、第二微电容并联而成，第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线、第二层的第八带状线、第三层的第九带状线、第三微电容并联而成，第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线、第二层的第十一带状线、第三层的第十二带状线、第四微电容并联而成，第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线、第二层的第十四带状线、第三层的第十五带状线、第五微电容并联而成，第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线、第二层的第十七带状线、第三层的第十八带状线、第六微电容并联而成，其中，第一输入电感与表面贴装的50欧姆阻抗输入端口连接，第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线与第一输入电感连接，第六级并联谐振单元的第二层的第十七带状线与输出电感连接， Z形级间耦合带状线位于并联谐振单元的下面。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，Z形级间耦合带状线两端均接地。定向耦合器包括第二输入电感、第一匹配线、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第二匹配线、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、第三匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第四匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口，其中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线垂直位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线上方，第一匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第二匹配线在同一平面，第一匹配线与第二输入电感连接，第二匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第一匹配线连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第二匹配线连接；第三匹配线、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第四匹配线在同一平面，第三匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口连接，第四匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第三匹配线连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第四匹配线连接。微波毫米波滤波器的输出电感与定向耦合器的第二输入电感连接。

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；（2）可产生形状相同，相位相差90度的两种信号波形；（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。

附图说明

图1（a）是本发明微型微波毫米波I/Q正交滤波器的外形及内部结构示意图,图1（b）是本发明微型微波毫米波I/Q正交滤波器中微波毫米波滤波器的外形及内部结构示意图,图1（c）是本发明微型微波毫米波I/Q正交滤波器中定向耦合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I/Q正交滤波器直通口（P2）、耦合口（P3）的幅频特性曲线及输入输出端口的驻波特性曲线。

图3是本发明微型微波毫米波I/Q正交滤波器直通口（P2）与耦合口（P3）的相位差曲线。

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1a、1b、1c，本发明一种微型微波毫米波I/Q正交滤波器，该正交滤波器的微波毫米波滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1、第一输入电感Lin1、第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4、第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5、第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6、输出电感Lout、Z形级间耦合带状线Z，各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1由第一层的第一带状线L11、第二层的第二带状线L21、第三层的第三带状线L31、第一微电容C1并联而成，第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2由第一层的第四带状线L12、第二层的第五带状线L22、第三层的第六带状线L32、第二微电容C2并联而成，第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3由第一层的第七带状线L13、第二层的第八带状线L23、第三层的第九带状线L33、第三微电容C3并联而成，第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4由第一层的第十带状线L14、第二层的第十一带状线L24、第三层的第十二带状线L34、第四微电容C4并联而成，第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5由第一层的第十三带状线L15、第二层的第十四带状线L25、第三层的第十五带状线L35、第五微电容C5并联而成，第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6由第一层的第十六带状线L16、第二层的第十七带状线L26、第三层的第十八带状线L36、第六微电容C6并联而成，其中，第一输入电感Lin1与表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1连接，第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1的第二层的第二带状线L21与第一输入电感Lin1连接，第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6的第二层的第十七带状线L26与输出电感Lout连接， Z形级间耦合带状线Z位于并联谐振单元的下面。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，Z形级间耦合带状线Z两端均接地。定向耦合器包括第二输入电感Lin2、第一匹配线L1、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、第二匹配线L2、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、第三匹配线L3、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2、第四匹配线L4、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4，其中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1垂直位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2上方，第一匹配线L1、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2和第二匹配线L2在同一平面，第一匹配线L1与第二输入电感Lin2连接，第二匹配线L2与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口P2连接，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L1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L2连接；第三匹配线L3、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1和第四匹配线L4在同一平面，第三匹配线L3与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口P3连接，第四匹配线L4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左端与第三匹配线L3连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1右端与第四匹配线L4连接。微波毫米波滤波器的输出电感Lout与定向耦合器的第二输入电感Lin2连接。

结合图1a、1b、1c，包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口P1、第一输入电感Lin1、第一级并联谐振单元L11、L21、L31、C1、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、C2、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、C3、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、C4、第五级并联谐振单元L15、L25、L35、C5、第六级并联谐振单元L16、L26、L36、C6、输出电感Lout、Z形级间耦合带状线Z、第二输入电感Lin2、第一匹配线L1、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线U1、第二匹配线L2、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、第三匹配线L3、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线U2、第四匹配线L4、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口P4和接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

一种微型微波毫米波I/Q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。

本发明一种微型微波毫米波I/Q正交滤波器的尺寸仅为6mm×3.2mm×1.5mm，其性能可从图2、图3看出，通带带宽为2.7GHz~2.9GHz，直通口P2与耦合口P3的输出波形基本一致，输入端口回波损耗优于19dB，在通带内，直通口P2与耦合口P3的相位差近似为90度。

Claims (3)

1.一种微型微波毫米波I/Q正交滤波器，其特征在于：包括微波毫米波滤波器和定向耦合器；微波毫米波滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1）、第一输入电感（Lin1）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、输出电感（Lout）和Z形级间耦合带状线（Z），各级并联谐振单元均由三层带状线组成，其中第二层带状线位于第三层带状线的垂直上方，第一层带状线位于第二层带状线的垂直上方，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）由第一层的第一带状线（L11）、第二层的第二带状线（L21）、第三层的第三带状线（L31）、第一微电容（C1）并联而成，第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）由第一层的第四带状线（L12）、第二层的第五带状线（L22）、第三层的第六带状线（L32）、第二微电容（C2）并联而成，第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）由第一层的第七带状线（L13）、第二层的第八带状线（L23）、第三层的第九带状线（L33）、第三微电容（C3）并联而成，第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）由第一层的第十带状线（L14）、第二层的第十一带状线（L24）、第三层的第十二带状线（L34）、第四微电容（C4）并联而成，第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）由第一层的第十三带状线（L15）、第二层的第十四带状线（L25）、第三层的第十五带状线（L35）、第五微电容（C5）并联而成，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）由第一层的第十六带状线（L16）、第二层的第十七带状线（L26）、第三层的第十八带状线（L36）、第六微电容（C6）并联而成，其中，第一~第六微电容（C1~ C6）分别包括两个带状线形式的微电容，第一输入电感（Lin1）与表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1）连接，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第二层的第二带状线（L21）与第一输入电感（Lin1）连接，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）的第二层的第十七带状线（L26）与输出电感（Lout）连接， Z形级间耦合带状线（Z）位于并联谐振单元的下面；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，Z形级间耦合带状线（Z）两端均接地；定向耦合器包括第二输入电感（Lin2）、第一匹配线（L1）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）、第二匹配线（L2）、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）、第三匹配线（L3）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）、第四匹配线（L4）和表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口（P4），其中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）的垂直上方，第一匹配线（L1）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）和第二匹配线（L2）在同一平面，第一匹配线（L1）与第二输入电感（Lin2）连接，第二匹配线（L2）与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口（P2）连接，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（L1）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（L2）连接；第三匹配线（L3）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）和第四匹配线（L4）在同一平面，第三匹配线（L3）与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口（P3）连接，第四匹配线（L4）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）左端与第三匹配线（L3）连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）右端与第四匹配线（L4）连接；微波毫米波滤波器的输出电感（Lout）与定向耦合器的第二输入电感（Lin2）连接。

2.根据权利要求1所述的微型微波毫米波I/Q正交滤波器，其特征在于：包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1）、第一输入电感（Lin1）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、输出电感（Lout）、Z形级间耦合带状线（Z）、第二输入电感（Lin2）、第一匹配线（L1）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）、第二匹配线（L2）、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）、第三匹配线（L3）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）、第四匹配线（L4）、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口（P4）和接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。

3.根据权利要求1或2所述的微型微波毫米波I/Q正交滤波器，其特征在于：输入端口（P1）通过第一输入电感（Lin1）与第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第二层的第二带状线（L21）连接，直通端口（P2）通过第二匹配线（L2）与第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）连接，耦合端口（P3）通过第三匹配线（L3）与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）连接，隔离端口（P4）通过第四匹配线（L4）与第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）连接。