CN108736116A - 一种悬置带线滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种悬置带线滤波器，其中，所述悬置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个PCB，其中，对于每个PCB，分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一系列过孔相连。与现有技术相比，本发明的悬置带线滤波器的介质损耗较小，无载Q值较高。

Description

一种悬置带线滤波器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种悬置带线滤波器。
背景技术
现有技术中，因为使用了PCB工艺，易于与有源电路相集成，微带滤波器(Microstrip Filter)在无线通信系统中被广泛应用。但是，由于PCB材料的介质损耗较大，使得微带滤波器损耗较大，而滤波器的损耗会影响射频系统的功耗和接收灵敏度，同时对于超宽带(UWB，Ultra Wide Band)系统而言，微带滤波器中PCB上的金属图案(metal mask)之间可能需要做出非常小的间隙来增强耦合，制造工艺的误差所带来的实物与仿真之间的差异会影响滤波器的性能。
yu bin等人在2015年IEEE计算解决方案国际会议(ICCP)上发表了名为“High-Performance Ultra-Wideband Tubular Suspended Stripline Bandpass Filter”的论文(见第11-13页，DOI:10.1109/ICCPS.2015.7454077)，其中提出了一种基于tubular结构的悬置带线滤波器，该方案利用悬置带线结构优化了滤波器的损耗，其中，该悬置带线滤波器中仅包含一个PCB，且相邻的谐振器分别位于PCB的顶层和底层(也即一个谐振器仅利用PCB的顶层或者底层)，能够通过改变谐振器之间的距离来控制耦合系数，如图1所示为现有技术中的悬置带线滤波器的谐振器分布示意图，其中，li(i＝1,2,3,4,5)，pj(j＝1,3,5,7)，gk(k＝2,4,6,8)用于表示与谐振器相关的各种尺寸，在此不作详细描述。相比现有技术中的微带滤波器，该悬置带线滤波器中的谐振器在PCB的两侧是两两相对的，因此耦合较强，所以非常适用于超宽带应用。作为一个示例，PCB使用Rogers RO4350材料，该材料的介质损耗角是0.004，如果实现一个5阶通带在3300-3700的微带滤波器，无载Q值大约在100-150，而基于tubular结构的悬置带线滤波器的Q值可以达到260，通带内的最大和最小损耗分别为0.9dB和1.48dB(可见图8的曲线m2)。
然而，该悬置带线滤波器的损耗仍然不够好。图2为现有技术中的悬置带线滤波器的剖面示意图，该悬置带线滤波器包括金属腔的上腔体101和下腔体102，PCB 103，位于PCB底层或顶层的谐振器(金属图案)104-1、104-2和104-3，然而，PCB 103中存在电场分布(需要说明的是，图2中仅示出了部分电场分布)，如谐振器104-1与底部的金属腔壁之间的电场会穿过PCB 103(见图2中左侧穿过PCB 103的电场)，谐振器104-2与104-3相对的部分之间的电场也会穿过PCB 103(见图2中右侧穿过PCB 103的电场)。由此可知，上述悬置带线滤波器并未实现真正的“悬置”，对于谐振器而言，介质中仍然存在电场分布，因而某种程度上介质损耗仍然影响了滤波器的损耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的悬置带线滤波器。
根据本发明的一个方面，提供一种悬置带线滤波器，其中，所述悬置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个PCB，其中，对于每个PCB，分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一系列过孔相连。
根据本发明的另一方面，所述悬置带线滤波器的每个PCB上的谐振单元在其他PCB上的投影位置被挖空。
根据本发明的另一方面，相邻的两个谐振单元分别位于相邻的两个PCB上。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：每一个谐振单元同时利用了分别一个PCB的底层和顶层的两层金属图案以及用于连接该两层金属图案的一系列过孔，与现有技术相比，本发明的悬置带线滤波器的介质损耗较小，无载Q值较高；此外，通过挖空每个PCB上的谐振单元在其他PCB上的投影位置，能够使得谐振单元与金属腔壁之间的电场完全分布在空气中，从而能够进一步降低介质损耗的影响，提升谐振单元的Q值。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中的悬置带线滤波器的谐振器分布示意图；
图2为现有技术中的悬置带线滤波器的剖面示意图；
图3为本发明一个优选实施例的悬置带线滤波器的剖面示意图；
图4为图3所示悬置带线滤波器中的基本谐振单元的示意图；
图5为图3所示悬置带线滤波器的俯视图；
图6为图3所示悬置带线滤波器的斜视图；
图7为现有悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的S参数曲线的比较示意图；
图8为现有悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的带内损耗特性的比较示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种新型的悬置带线滤波器，其中，所述悬置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个PCB，其中，对于每个PCB，分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一系列过孔相连。根据本发明的悬置带线滤波器，每一个谐振单元同时利用了分别一个PCB的底层和顶层的两层金属图案以及用于连接该两层金属图案的一系列过孔。
需要说明的是，对于每个PCB，由于分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且该两层金属图案通过一系列过孔相连，因此，该两层金属图案等电位，从而使得该两层金属图案之间不存在电场。
与现有技术相比，本发明的悬置带线滤波器的介质损耗较小，无载Q值较高。需要说明的是，本发明的悬置带线滤波器并不需要特殊的制造过程，其可以完全兼容目前的PCB和加工/压铸过程，因此成本较低。
优选地，所述过孔的间距小于八分之一波长。
优选地，谐振单元之间的耦合强度由相邻PCB之间的距离和相邻谐振单元的位置来决定。具体地，相邻PCB之间的垂直距离越小，相邻谐振单元在水平方向上越接近，则所述相邻谐振单元之间的耦合强度越强。
其中，可预先设定一个预定范围(如不小于1mm)，该预定范围中的任意数值均可被选择为相邻PCB之间的垂直距离，可基于实际需求来从该预定范围内选择一个数值作为相邻PCB之间的垂直距离。需要说明的是，相邻PCB之间的垂直距离的大小会影响相邻工字型谐振单元的距离，且所述垂直距离越小，相邻工字型谐振单元的距离越远。
其中，可预先设定一个预定范围(如不小于1mm)，该预定范围中的任意数值均可被选择为任一PCB与金属腔之间的垂直距离，可基于实际需求来从该预定范围内选择一个数值作为PCB与金属腔之间的垂直距离。需要说明的是，PCB与金属腔之间的垂直距离的大小会影响相邻工字型谐振单元的尺寸，且所述垂直距离越小，工字型谐振单元的两侧粗线部分越细/越短，中间的细线部分越细/越长。
优选地，所述悬置带线滤波器还包括支撑结构，所述支撑结构用于对所述多个PCB起支撑作用，且用于精确控制相邻PCB之间的垂直距离。优选地，所述支撑结构的位置可调整，以调整相邻PCB之间的垂直距离。需要说明的是，所述支撑结构可为一个或多个独立结构，或者，所述支撑结构与所述金属腔为一体的。
作为一种优选方案，所述金属腔内具有两个PCB，相邻的两个谐振单元分别位于该两个PCB上。
作为一种优选方案，所述悬置带线滤波器的每个PCB上的谐振单元在其他PCB上的投影位置被挖空。该优选方案使得谐振单元与金属腔壁之间的电场完全分布在空气中，从而能够进一步降低介质损耗的影响，提升谐振单元的Q值。
作为一种优选方案，相邻的两个谐振单元分别位于相邻的两个PCB上，基于该优选方案，相邻谐振单元之间通过空气耦合(也即，相邻谐振单元之间的电场完全分布在空气中)。
需要说明的是，当相邻的两个谐振单元分别位于不相邻的两个PCB上时(此时悬置带线滤波器中包括至少3个PCB)，若仅挖空每个谐振单元在其他PCB上的投影位置，则相邻的两个谐振单元之间的部分电场会分布在该两个不相邻的PCB之间的其他PCB中，该情形下，优选地，可通过挖空所述其他PCB中可能存在电场分布的部分位置，以使所述相邻的两个谐振单元之间的电场完全分布在空气中，以将介质损耗的影响降到最低。
图3为本发明一个优选实施例的悬置带线滤波器的剖面示意图，该悬置带线滤波器包括金属腔301以及两个PCB，该两个PCB分别记为：302-1、302-2。其中，分别位于每个PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且该两层金属图案通过一系列过孔303相连，也即，该悬置带线滤波器中的每一个谐振单元同时利用了分别位于一个PCB的底层和顶层的两层金属图案以及用于连接该两层金属图案的一系列过孔。其中，相邻的谐振单元分别位于302-1和302-2上，且302-1上的两个谐振单元在302-2上的投影位置被挖空，302-2上的一个谐振单元在302-1上的投影位置被挖空。此处需要说明的是，相邻谐振单元有小部分可能是正对的，该正对部分的投影位置并不会被挖空。
由图3可看出，每个谐振单元与金属腔壁(也即图3中最外围的灰色部分)之间的电场完全分布在空气中，相邻谐振单元之间的电场同样完全分布在空气中，也即，两个PCB中并不存在电场分布，相比基于tubular结构的悬置带线滤波器，图3的悬置带线滤波器中完全消除了PCB中能量耦合造成的损耗，也即，介质损耗的影响被降到最低。
图4为图3所示悬置带线滤波器中的基本谐振单元的示意图。其中，PCB上的一端细线(本例中细线宽度为20mil)形成了一个串联电感，PCB上的一段粗线(本例中粗线宽度为512mil)形成了两端的一对并联电容。由图4可知，由于半集总电感和电容的金属信号层与他们的参考地之间几乎完全由空气填充，并无介质，所以这样的基本谐振单元拥有较高的无载Q值。
相比基于tubular结构的悬置带线滤波器，图3所示的悬置带线滤波器的无载Q值提升了至少60％，因此损耗也大大降低。
图5为图3所示悬置带线滤波器的俯视图，图5中的滤波器包含5个工字型谐振单元。图6为图3所示悬置带线滤波器的悬置带线滤波器的斜视图，每一个工字型谐振单元在其他PCB板上的投影位置已挖空。
图7为现有技术中基于tubular结构的悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的S参数曲线的比较示意图。由图7可看出，基于tubular结构的悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的带外响应几乎一致。
图8为现有技术中基于tubular结构的悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的带内损耗特性的比较示意图，其中，m1为本发明的悬置带线滤波器的带内损耗特性曲线，m2为现有技术中基于tubular结构的悬置带线滤波器的带内损耗特性曲线。由图8可看出，在使用Rogers RO4350的板材时，本发明的悬置带线滤波器的带内损耗的最小值约为0.54dB，而基于tubular结构的悬置带线滤波器的带内损耗的最小值约为0.9dB，很明显地，本发明的悬置带线滤波器的带内损耗优于现有技术中基于tubular结构的悬置带线滤波器。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (6)

1.一种悬置带线滤波器，其中，所述悬置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个PCB，其中，对于每个PCB，分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一系列过孔相连。
2.根据权利要求1所述的悬置带线滤波器，其中，一个PCB上的谐振单元在其他PCB上的投影位置被挖空。
3.根据权利要求1所述的悬置带线滤波器，其中，过孔的间距小于八分之一波长。
4.根据权利要求1所述的悬置带线滤波器，其中，相邻的两个谐振单元分别位于相邻的两个PCB上。
5.根据权利要求1所述的悬置带线滤波器，其中，谐振单元之间的耦合强度由相邻PCB之间的距离和相邻谐振单元的位置来决定。
6.根据权利要求1所述的悬置带线滤波器，其中，所述金属腔内具有两个PCB。
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