CN105006611A - 微波毫米波高抑制带通滤波器组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，包括单刀双掷开关芯片WKD102A020060和两个带通滤波器，滤波器一个采用半集总结构实现，另一个滤波器采用分布式结构实现。包括输入/输出端口、两个带通滤波器均采用多层低温共烧陶瓷工艺技术（LTCC技术）实现。本发明利用所述谐振单元之间的电磁耦合实现级与级间的互连。通过LTCC叠层结构实现等效集总参数元件，具有体积小、成本低、选频特性好、温度稳定性高、插入损耗小的优点，并且可加工成贴片形式，便于与其它微波组件集成，有利于批量生产。本发明很好的抑制了带外谐波，适用于相应微波毫米波频段的通信、数字雷达、无线通信手持终端等对体积、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

微波毫米波高抑制带通滤波器组

技术领域

    本发明涉及一种带通滤波器组，特别是一种微波毫米波高抑制带通滤波器组。

背景技术

     如今无论是军用的雷达、电子探测、电子对抗等，还是民用的手机通信、电视、遥控，都需要将电子信号分配处理，这就需要用到一种重要的微波无源器件—滤波器。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功分器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、通带插入损耗、输出端口相位差、、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。

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。利用其三维集成结构特点，可以实现微波毫米波高抑制带通滤波器组。

目前国内外对带通滤波器进行了大量的研究，低频段占用体积太大，集成度不高，已远远不能满足小型化的要求。此外，目前的大多数滤波器，如果要抑制通带附近的杂波频率，阻带内的衰减就显得不足了。因此，如何实现具有滤波特性好的微型带通滤波器，已成为业界急需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通带内插入损耗小、可靠性高、集成度高、尺寸小的微波毫米波高抑制带通滤波器组。

实现本发明目的的技术方案为：一微波毫米波高抑制带通滤波器组，它由单刀双掷开关芯片WKD102A020060和两个带通滤波器组成。第一滤波器包括一个输入端口、一个输出端口、输入电感、输出电感、第一螺旋电感、第二螺旋电感、第三螺旋电感、第四螺旋电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、一个级间耦合电容、一个Z字形交叉耦合电容以及接地板。其中输入端口与输入电感连接，输出端口与输出电感连接，输入电感的另一端与第一螺旋电感的输入端连接，第一螺旋电感输出端与第一电容的输入极板相连接，第二螺旋电感的输出端与第二电容的输入极板相连接，第三螺旋电感的输出端与第三电容的输入极板相连接，第四螺旋电感的输出端与第四电容的输入极板相连接，输出电感的另一端与第四螺旋电感的输出端连接。其中Z字形交叉耦合电容位于第一螺旋电感、第一电容、第四螺旋电感和第四电容的上方，两端分别与地相连。级间耦合电容位于第二电容和第三电容的下方，与其它元件无连接。第二滤波器的输入端口、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、输出电感、Z形级间耦合带状线、一个输出端口，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并联而成，其中，输入电感与输入端口连接，第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线与输入电感连接，第五级并联谐振单元的第二层的第十四带状线与输出电感连接，输出电感与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口连接， Z形级间耦合带状线位于并联谐振单元的下面。五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，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。开关芯片WKD102A020060的第一输出端口与第一带通滤波器的输入端口连接，第二输出端口与第二带通滤波器的输入端口连接。

    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）带外抑制大、插损小；（2）体积小、重量轻、可靠性高；（3）使用安装方便，可以使用全自动贴片机安装和焊接；（4）成本低、电路实现结构简单，可实现大批量生产。

附图说明

图1（a）是本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组的结构示意图；

图1（b）是本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组滤波器1的结构示意图；

图1（c）是本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组滤波器2的结构示意图。                                                                                                                                                 

图2是本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组滤波器1的插入损耗和驻波的仿真曲线。

图3是本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组滤波器2的插入损耗和驻波的仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明是一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，两滤波器均采用了多层结构实现，具有带通滤波的功能。

 结合图1（a）、（b）、（c），本发明一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，它由单刀双掷开关芯片WKD102A020060和两个带通滤波器组成。滤波器1包括一个输入端口Pin1、一个输出端口Pout1、输入电感Lin1、输出电感Lout1、第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、一个级间耦合电容W1、一个Z字形交叉耦合电容Z1以及接地板GND。其中输入端口Pin1与输入电感Lin1连接，输出端口Pout1与输出电感Lout1连接，输入电感Lin1的另一端与第一螺旋电感L1的输入端连接，第一螺旋电感L1输出端与第一电容(C1)的输入极板相连接，第二螺旋电感L2的输出端与第二电容C2的输入极板相连接，第三螺旋电感L3的输出端与第三电容C3的输入极板相连接，第四螺旋电感L4的输出端与第四电容C4的输入极板相连接，输出电感Lout1的另一端与第四螺旋电感L4的输出端连接。其中Z字形交叉耦合电容Z1位于第一螺旋电感L1、第一电容C1、第四螺旋电感L4和第四电容C4的上方，两端分别与地相连。级间耦合电容W1位于第二电容C2和第三电容C3的下方，与其它元件无连接。滤波器2 的输入端口Pin2、输入电感Lin2、第一级并联谐振单元L11、L21、L31、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、第五级并联谐振单元L15、L25、L35、输出电感Lout2、Z形级间耦合带状线Z2、一个输出端口Pout2，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并联而成，第二级并联谐振单元L12、L22、L32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并联而成，第三级并联谐振单元L13、L23、L33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并联而成，第四级并联谐振单元L14、L24、L34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并联而成，第五级并联谐振单元L15、L25、L35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并联而成，其中，输入电感Lin2与输入端口Pin2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与输入电感Lin2连接，第五级并联谐振单元L15、L25、L35的第二层的第十四带状线L25与输出电感Lout2连接，输出电感Lout2与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口Pout2连接， Z形级间耦合带状线Z位于并联谐振单元的下面。五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，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Z2两端均接地。开关芯片WKD101A000065的第一输出端口RFout1与带通滤波器1的输入端口Pin1连接，第二输出端口RFout2与带通滤波器2的输入端口Pin2连接。

结合图1（a）、（b）、（c），一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，其特征在于：所述的带通滤波器1的第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4主要是通过一定长度且宽度较窄的传输线来构成，采用了叠层结构，层间通过圆柱通孔相连，使其在垂直方向上的延伸缩减了水平方向上的延伸，从而减小了水平方向的面积从而缩小了整个器件的体积。

结合图1（a）、（b）、（c），本发明微波毫米波高抑制带通滤波器组，滤波器1可以通过改变第一级谐振单元和第二级谐振单元、第二级谐振单元和第三级谐振单元、第三级谐振单元和第四级谐振单元之间的距离来调整级与级之间的耦合强度，从而可以调整带通滤波器的带宽。通过改变第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4和第一螺旋电感L1、第二螺旋电感L2、第三螺旋电感L3、第四螺旋电感L4的面积可以调节带通滤波器中心频率的的大小。通过调整Z字形交叉耦合电容Z1可以调整带外两个零点的位置，以此来调整带外抑制。滤波器2可以通过改变第一级并联谐振单元L11、L21、L31、第二级并联谐振单元L12、L22、L32、第三级并联谐振单元L13、L23、L33、第四级并联谐振单元L14、L24、L34、第五级并联谐振单元L15、L25、L35之间的距离来调节耦合强弱，从而控制带宽，通过各谐振单元的线长来调节滤波器中心频率的大小，通过调整Z字形交叉耦合电容Z1可以调整带外两个零点的位置，以此来调整带外抑制。

本发明采用低温共烧陶瓷工艺实现，该技术与其它多层基板技术相比较，更易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性，因此该技术可在实现相同指标的前提下显著减小器件体积，提高器件集成度。

本发明一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，其整体结构如图1（a）所示，包括一个开关芯片WKD102A020060和带通滤波器，带通滤波器1的尺寸仅为3.2mm*3.2mm*1.5mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.6，介质损耗角正切为0.002，实现多层结构的金属导体采用银，其中每层陶瓷介质基板的厚度为0.01mm，其幅频特性曲线如图2所示，从图2可以看出带通滤波器1的通带是3.0GHz-4.8GHz，带宽1800MHz，带内驻波优于18dB，带外抑制在6GHz处达到36.2dB，在8GHz处达到了59.1dB，实现了很好的带外衰减，对带外的干扰信号具有很强的抑制作用，这也是本发明的特色之一。

滤波器2的尺寸仅为3.2mm*4.5mm*1.5mm，采用的LTCC陶瓷介质的相对介电常数为7.6，介质损耗角正切为0.002，实现多层结构的金属导体采用银，其中每层陶瓷介质基板的厚度为0.01mm，其幅频特性曲线如图2所示，从图3可以看出带通滤波器1的通带是1.03GHz-1.53GHz，带宽为500MHz，带内驻波优于22dB，带外抑制在0.75GHz处达到43dB，在2.1GHz处达到了39dB，具有优越的选频特性。

WKD102A020060型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。所有芯片产品全部经100%射频测量。WKD102A020060型芯片为0/-5V或5V/0V电源工作，在DC~6GHz内插入损耗：1.5dB，隔离度：45dB，输入驻波比：1.3:1，输出驻波比：1.3:1，切换时间：10ns。

由于微波毫米波高抑制带通滤波器组简单来说就是一个单刀双掷开关芯片加上两个带通滤波器，其输出端的幅频特性曲线在通带范围内插损再加上1.5dB，其输入端口以及两个输出端口的相位平衡度并不发生变化。滤波器组加上开关滤波器实现了双通道滤波的功能，每个滤波器都表现出优异的带外抑制能力，结上开关之后使电路更具有集成性。

   本发明一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，两个带通滤波器均使用了多层介质基板，充分利用了三维多层空间，从而显著减小了元件所需体积，并且该发明在不提高通带内插入损耗的前提下大大的增加了带外抑制度。并且具有体积小、重量轻、选频特性好、集成度高等优点，便于与其它微波器件集成，另外，该带通滤波器基于LTCC工艺，具有批量生产成本低的优势，使得所应用的产品具有更好的使用性能，极具市场竞争力，所以其应用前景非常广阔。

Claims (4)

1.一种微波毫米波高抑制带通滤波器组，其特征在于：它由单刀双掷开关芯片WKD102A020060和两个带通滤波器组成；第一带通滤波器（1）包括一个输入端口（Pin1）、一个输出端口（Pout1）、输入电感（Lin1）、输出电感（Lout1）、第一螺旋电感（L1）、第二螺旋电感（L2）、第三螺旋电感（L3）、第四螺旋电感（L4）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、一个级间耦合电容（W1）、一个Z字形交叉耦合电容（Z1）以及接地板（GND）；其中输入端口（Pin1）与输入电感（Lin1）连接，输出端口（Pout1）与输出电感（Lout1）连接，输入电感（Lin1）的另一端与第一螺旋电感（L1）的输入端连接，第一螺旋电感（L1）输出端与第一电容(C1)的输入极板相连接，第二螺旋电感（L2）的输出端与第二电容（C2）的输入极板相连接，第三螺旋电感（L3）的输出端与第三电容（C3）的输入极板相连接，第四螺旋电感（L4）的输出端与第四电容（C4）的输入极板相连接，输出电感（Lout1）的另一端与第四螺旋电感（L4）的输出端连接；

其中Z字形交叉耦合电容（Z1）位于第一螺旋电感（L1）、第一电容（C1）、第四螺旋电感（L4）和第四电容（C4）的上方，两端分别与地相连；级间耦合电容（W1）位于第二电容（C2）和第三电容（C3）的下方，与其它元件无连接；

滤波器2 的输入端口（Pin2）、输入电感（Lin2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35）、输出电感（Lout2）、Z形级间耦合带状线（Z2）、一个输出端口（Pout2），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）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）并联而成，第二级并联谐振单元（L12、L22、L32）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）并联而成，第三级并联谐振单元（L13、L23、L33）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）并联而成，第四级并联谐振单元（L14、L24、L34）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）并联而成，第五级并联谐振单元（L15、L25、L35）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）并联而成，其中，第一输入电感（Lin2）与输入端口（Pin2）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）与输入电感（Lin2）连接，第五级并联谐振单元（L15、L25、L35）的第二层的第十四带状线（L25）与输出电感（Lout2）连接，输出电感（Lout2）与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（Pout2）连接，Z形级间耦合带状线（Z）位于并联谐振单元的下面；五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，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（Z2）两端均接地；开关芯片WKD102A020060的第一输出端口（RFout1）与第一带通滤波器（1）的输入端口（Pin1）连接，第二输出端口（RFout2）与第二带通滤波器（2）的输入端口（Pin2）连接。

2.根据权利要求1所述的微波毫米波高抑制带通滤波器组，其特征在于：第一带通滤波器（1）包括输入端口（Pin1）、输出端口（Pout1）、输入电感（Lin1）、输出电感（Lout1）、第一螺旋电感（L1）、第二螺旋电感（L2）、第三螺旋电感（L3）、第四螺旋电感（L4）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）、一个级间耦合电容（W1）、一个Z字形交叉耦合电容（Z1）、接地板（GND）；第二带通滤波器（2）包括输入端口（Pin2）、输出端口（Pout2）、第一输入电感（Lin2）、第一输出电感（Lout2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33）第四级并联谐振单元（L14、L24、L34）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35）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所述的微波毫米波高抑制带通滤波器组，其特征在于：所述第一带通滤波器（1）的第一螺旋电感（L1）、第二螺旋电感（L2）、第三螺旋电感（L3）、第四螺旋电感（L4）通过传输线来构成，采用了叠层结构，层间通过圆柱通孔相连。

4.根据权利要求1所述的微波毫米波高抑制带通滤波器组，其特征在于：所述由第一带通滤波器（1）的第一螺旋电感（L1）、第二螺旋电感（L2）、第三螺旋电感（L3）、第四螺旋电感（L4）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）、第四电容（C4）构成的带通滤波器呈左右对称结构，即第一螺旋电感（L1）和、第四螺旋电感（L4）长度相同，第二螺旋电感（L2）和第三螺旋电感（L3）的长度相同，第一电容（C1）和第四电容（C4）的面积相同，第二电容（C2）和第三电容（C3）的面积相同；第二带通滤波器（2）的输入端口（Pin2）、第一输入电感（Lin2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35）、输出电感（Lout2）、输出端口（Pout2），呈中心对成结构。