CN106099278A - 谐振单元和滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种谐振单元和滤波器，包括：介质基板；设置于介质基板一侧平面的金属微带线，金属微带线被作为信号的输入/输出端口；设置于介质基板与一侧平面相反的另一侧平面的缺陷地结构，缺陷地结构包括接地环和位于接地环内部的交叉指形结构，交叉指形结构包括多个指节，接地环或交叉指形结构中的至少一个指节包括至少一个内嵌交叉指形结构。能够提高谐振单元和滤波器的谐波抑制能力，以及减少面积。

Description

谐振单元和滤波器
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及谐振单元和滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的发展，采用的通信标准也日益增多，导致各通信标准间信号发生相互干扰。这要求现代通信系统对带外信号要有很强的抑制能力。基于上述要求，亟需具有良好带外抑制功能的滤波器。现有技术中，很多滤波器采用增加传输零点的方式来抑制基频信号的高次谐波，另外也有滤波器采用阶跃阻抗谐振器(Stepped ImpedanceResonator，SIR)的方式来产生宽阻带，其面积较大，谐波抑制能力也有待提高。
发明内容
本发明提供了一种谐振单元和滤波器，以提高谐振单元和滤波器的谐波抑制能力。
第一方面，提供了一种谐振单元，包括：介质基板；设置于所述介质基板一侧平面的金属微带线，所述金属微带线被作为信号的输入/输出端口；设置于所述介质基板与所述一侧平面相反的另一侧平面的缺陷地结构，所述缺陷地结构包括接地环和位于所述接地环内部的交叉指形结构，所述交叉指形结构包括多个指节，所述接地环和/或所述交叉指形结构中的至少一个指节包括至少一个内嵌交叉指形结构。
通过在谐振单元中的缺陷地结构中设置内嵌交叉指形结构，提高了谐振单元的谐波抑制能力，并减少了谐振单元的面积。
在一种可能的设计中，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的每个内嵌交叉指形结构用于引入所述谐振单元的一个谐振频率。
通过在谐振单元中的缺陷地结构中设置的内嵌交叉指形结构，可以引入新的谐振频率，形成多谐振点谐振单元。该多谐振点谐振单元具有超宽带外谐波抑制能力，同时其面积占用也很小
在一种可能的设计中，所述谐振频率的大小由以下参数中的至少一个确定：所述每个内嵌交叉指形结构的指节的个数、所述每个内嵌交叉指形结构的指节的宽度以及所述每个内嵌交叉指形结构的指节的长度。
在一种可能的设计中，所述多个指节为三个指节，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的至少部分内嵌交叉指形结构位于所述三个指节中的至少一个指节上。
在一种可能的设计中，所述多个指节为两个指节，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的至少部分内嵌交叉指形结构位于所述两个指节中至少一个指节上。
在一种可能的设计中，所述金属微带线为T型微带线，所述T型微带线的T型竖端作为所述输入/输出端口。
在一种可能的设计中，所述T型微带线的T型横端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节中的至少部分指节相重叠，所述T型竖端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节中一个指节相重叠。
在一种可能的设计中，T型横端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节均有重叠。
第二方面，提供了一种滤波器，包括至少两个第一方面所述的谐振单元，所述至少两个谐振单元相级联。
通过在滤波器中的谐振单元中的缺陷地结构中设置内嵌交叉指形结构，提高了谐振单元的谐波抑制能力，并减少了谐振单元的面积。从而，包括上述谐振单元的滤波器能够提高滤波器的带外抑制能力，以及减少滤波器的面积。
在一种可能的设计中，所述至少两个所述谐振单元通过以下方式中的至少一种级联：通孔级联、电耦级联、磁耦级联。
在一种可能的设计中，所述至少两个谐振单元中的每个谐振单元的结构相同。
在一种可能的设计中，所述滤波器为带阻滤波器。其中，存在至少一个内嵌交叉指形结构被设置在金属微带线的正下方。
在一种可能的设计中，所述滤波器为带通滤波器。其中，全部内嵌交叉指形结构被设置在金属微带线的非正下方。
可选地，金属微带线的正下方是以金属微带线在所述另一侧平面的投影的中轴线为对称轴的区域。
第三方面，提供了一种器件，包括第一方面所述的谐振单元。所述器件为双工器、功分器、天线、馈电网络、移相器或有源电路。
第四方面，提供了一种半导体芯片，所述半导体芯片集成于半导体衬底上，并包括第一方面所述的谐振单元，或第二方面所述的滤波器，或第三方面所述的器件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A是本发明实施例的谐振单元的结构示意图；
图1B是本发明实施例的谐振单元的结构示意图；
图2是本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图；
图3是本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图；
图4是本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图；
图5A是本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图；
图5B是本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图；
图6是本发明实施例的滤波器的结构示意图；
图7是本发明又一实施例的滤波器的结构示意图；
图8是本发明又一实施例的滤波器的结构示意图；
图9是本发明再一实施例的滤波器的结构示意图；
图10是本发明再一实施例的滤波器的结构示意图；
图11是本发明实施例的滤波器的仿真结果；
图12是本发明再一实施例的滤波器的仿真结果；
图13是本发明再一实施例的滤波器的仿真结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
应理解，本发明实施例的技术方案可以应用于各种通信系统，例如：全球移动通讯(Global System of Mobile communication，简称为“GSM”)系统、码分多址(CodeDivision Multiple Access，简称为“CDMA”)系统、宽带码分多址(Wideband CodeDivision Multiple Access，简称为“WCDMA”)系统、通用分组无线业务(General PacketRadio Service，简称为“GPRS”)、长期演进(Long Term Evolution，简称为“LTE”)系统、LTE频分双工(Frequency Division Duplex，简称为“FDD”)系统、LTE时分双工(Time DivisionDuplex，简称为“TDD”)、通用移动通信系统(Universal Mobile TelecommunicationSystem，简称为“UMTS”)或全球互联微波接入(Worldwide Interoperability forMicrowave Access，简称为“WiMAX”)通信系统、毫米波通信系统、太赫兹(THz)通信领域等。
应理解，本发明实施例中的谐振单元可以应用于多种领域，例如，可以应用于滤波器、双工器、功分器、天线、馈电网络、移相器以及有源电路等器件。本实施例还提供了一种半导体芯片，所述半导体芯片集成于半导体衬底上，并包括所述谐振单元或以上任一器件。例如，该半导体芯片可以CMOS(Complementary metal–oxide–semiconductor)工艺实现。
如上文所述，现有通信系统中，亟需具有良好带外抑制功能的滤波器。其中，慢波(Slow-wave)效应是一种物理特性，慢波效应能够将滤波器的基频信号的高次谐波推向较高的频率，实现较好的谐波抑制功能以及宽阻带。同时，慢波效应也能够减小滤波器的面积，在实现小型化的同时减少滤波器成本。其中，缺陷地结构(DGS，Defected GroundStructure)为具有慢波效应的一种典型结构。
基于此，本发明实施例提出了一种谐振单元以及滤波器，图1A和图1B示出了本发明实施例的谐振单元100的示意性结构，如图1A所示，该谐振单元100包括：
介质基板110，如图1A中右侧的侧视图所示；
设置于所述介质基板110一侧的金属微带线(Microstrip)120；
设置于所述介质基板110另一侧的缺陷地结构130，所述缺陷地结构130包括接地环140和位于所述接地环140内部的交叉指形(Interdigital)结构150，所述交叉指形结构150包括多个指节，所述接地环140和/或所述交叉指形结构150中的至少一个指节包括至少一个内嵌交叉指形结构160。
在本发明实施例中，谐振单元100通过在缺陷地结构130中引入内嵌交叉指形结构160，将基频信号的高次谐波推向高频，提高了谐振单元100的谐波抑制能力，使得谐振单元100具有抑制度更高的宽阻带，并减小了谐振单元100的面积。
本发明实施例提出的滤波器包括至少两个上述谐振单元100。包括上述谐振单元100的滤波器能够提高滤波器的带外抑制能力，以及减少滤波器的面积。
同时，上述至少一个内嵌交叉指形结构160中的每个内嵌交叉指形结构160可以引入所述谐振单元的一个谐振频率。从而通过在谐振单元中的缺陷地结构中设置的内嵌交叉指形结构160，以引入新的谐振频率，形成多谐振点谐振单元。该多谐振点谐振单元具有超宽带外谐波抑制能力，同时其占用面积也很小。
可选地，如图1A和图1B所示，上述金属微带线120可以为T型微带线。该T型微带线的T型竖端可以作为信号的输入/输出端口。金属微带线120也可以为其他形状，本发明实施例对此不作限定。
可选地，T型微带线的T型横端在介质基板110的一侧平面上的投影可以与交叉指形结构150的多个指节中的至少部分指节相重叠，T型竖端在该一侧平面上的投影可以与交叉指形结构150的多个指节中的一个指节相重叠，具体请参考图1A和图1B所示。T型微带线的T型横端在该一侧平面上的投影可以与交叉指形结构的多个指节均有重叠。
可选地，本发明实施例对接地环140的形状不作限定，例如，接地环140可以为矩形。如图1A所示，上述交叉指形结构150可以包括多个指节，该多个指节中的任一指节的一端可以与接地环相连，该任一指节的另一端可以为开口端。所述开口端与所述接地环不相连。上述至少一个内嵌交叉指形结构160可以位于该交叉指形结构150的指节上，和/或位于该接地环140之上。或者说，该至少一个内嵌交叉指形结构160可以位于缺陷地结构130的任意位置。
可选地，交叉指形结构150可以引入谐振单元100的一个谐振频率，可以将该谐振频率称为第一基频(f01)。该第一基频的大小可以由以下参数中的至少一个确定：交叉指形结构150包括的指节的长度、宽度，以及指节距离接地环的距离长度。例如，如图1B所示，增加L1、L2、L3、W1、W2、W3的长度可以降低第一基频，其中，图1B中的接地环为矩形接地环，L1表示矩形接地环的边的长度，L2和L3表示交叉指形结构150包括的各指节的长度，长度L2的指节与长度L3的指节呈交叉排列。W1和W2表示各指节与矩形接地环的边之间的距离，W3表示指节的宽度。
可选地，上述至少一个内嵌交叉指形结构160中的每个内嵌交叉指形结构160可以独立地引入该谐振单元100的一个谐振频率。该谐振频率也可以称作谐振单元100的基频或者中心频率。例如，可以将内嵌交叉指形结构160引入的谐振频率称为第二基频(f02)、第三基频(f03)等。
可选地，上述每个内嵌交叉指形结构160引入的谐振频率的大小可以由以下参数中的至少一个确定：每个内嵌交叉指形结构160的指节的个数、每个内嵌交叉指形结构160的指节的宽度以及每个内嵌交叉指形结构160的指节的长度。例如，如图1A所示，可以通过增加每个内嵌交叉指形结构160的指节的个数、指节宽度(Ws)或者指节长度(Ls)降低每个内嵌交叉指形结构160引入的谐振频率。
可选地，可以通过调节T型微带线的T型横端的宽度Wt、T型横端的长度Lt1以及T型竖端的长度Lt2对谐振单元100的谐振频率(例如，第一基频(f01)和/或第二基频(f02))的大小进行微调。例如，如图1B所示，可以通过调节T型微带线的Lt1、Lt2、Wt的长度对谐振单元100的基频大小进行微调。
可选地，谐振单元100中的多个内嵌交叉指形结构160可以是不同的尺寸，从而引入多个谐振点(即谐振频率)，以构成多谐振点慢波谐振单元。每个内嵌交叉指形结构160引入的谐振点互相独立。
图2至图4示出了本发明另一实施例的谐振单元的结构示意图。本领域技术人员能够理解，图2至图4的示例仅仅是为了帮助本领域技术人员理解本发明实施例，而非要将本发明实施例限于所例示的具体场景。本领域技术人员根据本发明所给出的例子，显然可以进行各种等价的修改或变化，这样的修改或变化也落入本发明实施例的范围内。
如图2至图4所示，本发明实施例对交叉指形结构中的指节的个数、内嵌交叉指形结构的个数以及位置不作限定。内嵌交叉指形结构可以位于交叉指形结构的所有指节上，也可以位于交叉指节结构的一个指节上，或者位于接地环上。例如，图2所示的谐振单元200包括四个内嵌交叉指形结构，其中，内嵌交叉指形结构可以位于接地环以及交叉指形结构的三个指节中的两个指节上。图3所示的谐振单元300包括一个内嵌交叉指形结构，该内嵌交叉指形结构可以位于交叉指形结构的两个指节中的其中一个指节上。或者，如图4所示，谐振单元400包括两个内嵌交叉指形结构，该两个内嵌交叉指形结构可以分别位于该交叉指形结构包括的两个指节之上。
上文结合图1至图4，描述了本发明实施例提供的谐振单元，下文将结合图5至图10描述本发明实施例的滤波器。
如上文所述，本发明实施例提出了一种滤波器，包括如上文所述的谐振单元，该滤波器可以是带通滤波器，也可以是带阻滤波器。进一步地，该滤波器可以是多通带带通滤波器，也可以是多阻带带阻滤波器。例如，将内嵌交叉指形结构设置在金属微带线的正下方可以构成带阻滤波器。更具体地，上述金属微带线的正下方可以指将内嵌交叉指形结构被设置在以金属微带线的投影(即金属微带线在所述缺陷地结构所在平面的投影)的中轴线为对称轴的区域，可以为滤波器引入传输零点，即构成带阻滤波器。例如，图5A和图5B示出了引入滤波器的传输零点的两种方式。其中，图5A和图5B中的谐振单元510和谐振单元520中的内嵌交叉指形结构以T型微带线的投影覆盖区域的中轴线对称，从而为滤波器引入了传输零点，以构成带阻滤波器。相对地，如图1至图4所示，将内嵌交叉指形结构设置在金属微带线正下方之外的其他区域可以构成带通滤波器。下文中以带通滤波器为例，描述本发明实施例提供的滤波器。
在本发明实施例中，滤波器包括的谐振单元通过在缺陷地结构中引入内嵌交叉指形结构，将基频信号的高次谐波推向高频，提高了滤波器的谐波抑制能力，使得滤波器具有抑制度更高的宽阻带，并减小了滤波器的面积。
图6是本发明实施例的滤波器600的示意图，如图6所示，将至少两个上述谐振单元级联在一起，可以构成带通滤波器。例如，在图6中引入的两个谐振单元各包括两个内嵌交叉指形结构，即该两个谐振单元各包括三个谐振频率。将两个具有三个谐振频率的谐振单元级联在一起，可以获得二阶三通带带通滤波器，其中，谐振单元的金属微带线可以作为带通滤波器的输入/输出端口。理论上来说，可以实现任意多通带带通滤波器。即将至少两个具有N个谐振频率的谐振单元级联在一起，可以获得N通带带通滤波器，N为大于等于1的整数。
可选地，滤波器包括的谐振单元可以进行多级级联扩展，以获得超宽阻带的多阶带通滤波器。通过增加谐振单元的个数，增强滤波器的阻带抑制性能以及增加通带的陡峭度。例如，图7示出了本发明又一实施例的滤波器700的示意图，如图7所示，将三个谐振单元级联在一起，可以获得三阶带通滤波器(图7所示为三阶三通带带通滤波器)。可选地，该级联方式可以应用于任意多个、任意多频点谐振单元的级联。
可选地，滤波器中的谐振单元之间可以采用磁耦级联、电耦级联或者通孔连接的方式进行级联。其中，磁耦级联的方式如图8的滤波器800所示，谐振单元之间通过直接连接(如图8中的虚线所示)进行级联。电耦级联的方式如图9的滤波器900所示，也就是说，谐振单元之间不直接连接，而是采用宽边耦合(Broadside-couple)的方式(如图中的虚线所示)代替。或者，谐振单元之间也可以通过通孔连接的方式进行级联。如图10的滤波器1000所示，可以在宽边耦合的基础上，在谐振单元重叠的部分上加入通孔(如图中的虚线所示)，通过混合耦合增加耦合强度。可选地，上述三种级联方式可以适用于任意多个谐振单元的连接，并可以混用。
可选地，多个级联的谐振单元的金属微带线作为滤波器的输入/输出端口，可以位于谐振单元的同一侧(如图8所示)，也可以位于谐振单元的不同侧(如图6、图7所示)，本发明实施例对此不作限定。
图11至图13示出了本发明实施例的滤波器的仿真结果。本领域技术人员能够理解，在图11至图13中，S21和S11表示S参数，S21表示从端口二(输出端口)到端口一(输入端口)的传输系数，S11表示从端口一看到的反射系数。这两个参数均大于零且不大于一，常使用dB作为度量。S21越大说明有越多的能量从一端口传输到了二端口。而较大的S11则说明从端口一输入的能量大部分都反射了回来，没有到达端口二。所以对于滤波器的通带来说，会有较大的S21与较小的S11，S21越接近0dB则说明传输过程中的能量损耗越小；而对于滤波器阻带来说有较小的S21与较大的S11，S21越小说明阻带抑制度越好。
图11是二阶双通带带通滤波器的仿真结果。该滤波器采用两个具有两个谐振频率的谐振单元级联而成。由图11可知，该滤波器的谐振频率分别为2.21GHz和2.47GHz，通带谐振频率间隔为260MHz，阻带可以拓展到第一基频(2.21GHz)的19.7倍、第二基频(2.47GHz)的17.6倍，抑制度达到-26.3dB。图12是二阶三通带带通滤波器的仿真结果。该滤波器采用两个具有三个谐振频率的谐振单元级联而成。由图12可知，该滤波器的谐振频率分别为2.24GHz，2.44GHz以及2.69GHz，相邻通道谐振频率的间隔分别为200MHz和250MHz，阻带可以拓展到第一基频(2.24GHz)的20.7倍，第二基频(2.44GHz)的19.1倍，和第三基频(2.69GHz)的17.3倍，抑制度达到-28.6dB。由图11和图12所示的仿真结果可知，本发明实施例提供的滤波器的带外抑制能力高，谐振频率之间距离较小，可以适用于更多的场合。
图13是三阶双通带带通滤波器的仿真结果。该滤波器采用三个具有两个谐振频率的谐振单元级联而成。由图13可知，该滤波器的谐振频率分别为2.16GHz和2.52GHz，通带谐振频率间隔为360MHz，阻带可以拓展到第一基频(2.16GHz)的18.5倍以及第二基频(2.52GHz)的15.9倍，抑制度达到了-31.5dB。可见，与图12的二阶双通带带通滤波器相比，由于级联的谐振单元增加，三阶双通带带通滤波器的抑制度更高。
由图11至图13可知，本发明实施例的滤波器能够提高滤波器的带外抑制能力。
另外，本文中术语“系统”和“网络”在本文中常被可互换使用。本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。所述输入/输出端口可以作为输入端口或输出端口，也可以同时作为输入或输出端口使用。在图5至图10的滤波器中，当多个谐振单元级联的时候，任一个谐振单元的输入/输出端口可以作为信号输入端口，另一个谐振单元的输入/输出端口可以作为信号输出端口。
以上某一实施例中的技术特征和描述，为了使申请文件简洁清楚，可以理解适用于其他实施例，在其他实施例不再一一赘述。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种谐振单元，其特征在于，包括：
介质基板；
设置于所述介质基板一侧平面的金属微带线，所述金属微带线被作为信号的输入/输出端口；
设置于所述介质基板与所述一侧平面相反的另一侧平面的缺陷地结构，所述缺陷地结构包括接地环和位于所述接地环内部的交叉指形结构，所述交叉指形结构包括多个指节，所述接地环或所述交叉指形结构中的至少一个指节包括至少一个内嵌交叉指形结构。
2.如权利要求1所述的谐振单元，其特征在于，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的每个内嵌交叉指形结构用于引入所述谐振单元的一个谐振频率。
3.如权利要求2所述的谐振单元，其特征在于，所述谐振频率的大小由以下参数中的至少一个确定：所述每个内嵌交叉指形结构的的指节的个数、所述每个内嵌交叉指形结构的指节的宽度以及所述每个内嵌交叉指形结构的指节的长度。
4.如权利要求1至3中任一项所述的谐振单元，其特征在于，所述多个指节为三个指节，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的至少部分内嵌交叉指形结构位于所述三个指节中的至少一个指节上。
5.如权利要求1至3中任一项所述的谐振单元，其特征在于，所述多个指节为两个指节，所述至少一个内嵌交叉指形结构中的至少部分内嵌交叉指形结构位于所述两个指节中的至少一个指节上。
6.如权利要求1至5中任一项所述的谐振单元，其特征在于，所述金属微带线为T型微带线，所述T型微带线的T型竖端作为所述输入/输出端口。
7.如权利要求6所述的谐振单元，其特征在于，所述T型微带线的T型横端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节中的至少部分指节相重叠，所述T型竖端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节中一个指节相重叠。
8.如权利要求7所述的谐振单元，其特征在于，所述T型横端在所述一侧平面上的投影与所述多个指节均有重叠。
9.一种滤波器，其特征在于，包括至少两个如权利要求1至8中任一项所述的谐振单元，所述至少两个谐振单元相级联。
10.如权利要求9所述的滤波器，其特征在于，所述至少两个所述谐振单元通过以下方式中的至少一种级联：通孔级联、电耦级联、磁耦级联。
11.如权利要求9或10所述的滤波器，其特征在于，所述至少两个谐振单元的结构相同。
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