CN108777342B - 一种滤波器及生成谐振模式和等效电容的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤波器及生成谐振模式和等效电容的方法，滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2，分别处于不同的水平面，共同构成了三维立体集成结构，有效缩小滤波器的整体尺寸和重量，降低成本；通过谐振枝节和电容导带灵活组合实现五种谐振模式，结构简单，灵活实现五种谐振模式，灵活度比较高；还通过调整各个谐振模式的谐振频率，将邻近的谐振频率合并即可实现双通带,且输入端口回波损耗优于17dB，通带内插入损耗均优于2.5dB。

Description

一种滤波器及生成谐振模式和等效电容的方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种滤波器及生成谐振模式和等效电容的方法。

背景技术

滤波器是一种信号处理器件，其主要功能是信号的选频传输，在输出信号中保留输入信号中特定频率范围的有用信号，抑制其它频率的干扰信号或无用信号。无线通信系统应用的多元化提出了仅仅使用一个通信终端完成多种不同类型业务的需求。映射在微波通信电路里，这就需要微波器件能够同时工作在几种分离的模式或者频段。在以前的射频微波系统，每一个通信频段都需要独立的射频前端收发器件来满足双频和多频、多模通信，这样整个系统的成本高且不利于小型化。

发明内容

本发明的目旨在解决滤波器尺寸大，重量和成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的一种滤波器，所述滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2；

所述滤波器模块位于所述滤波器的中间位置，所述滤波器模块的上水平面设有屏蔽层SD1，所述滤波器模块的下水平面设有屏蔽层SD2，所述滤波器模块的第一侧面设有地线层GND1，所述滤波器模块的第二侧面设有地线层GND2，所述滤波器模块的第三侧面中间位置设有输入端口PIN，所述滤波器模块的第四侧面中间位置设有输出端口POUT；其中所述第一侧面和所述第二侧面为轴对称；所述第三侧面与所述第四侧面为轴对称。

优选的，所述滤波器模块包括输入引线LIN、输出引线LOUT、耦合线COUP和具有五种谐振模式和两种通带的谐振腔；

所述谐振腔为中心对称结构，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正上方，通过宽带耦合的方式与输入引线LIN、输出引线LOUT连接，用于滤波、形成五种谐振模式和双通带；

输入引线LIN，一端与输入端口PIN连接，另一端开路，用于将输入端口PIN接收的信号通过宽边耦合馈电进入所述谐振腔；

输出引线LOUT，一端开路，另一端与输出端口POUT连接，位于输入引线LIN右边，与输入引线LIN位于同一水平线，通过宽边耦合接收所述谐振腔输出的信号，传输至输出端口POUT；

耦合线COUP，两端开路，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正下方；耦合线COUP为源-负载耦合线，通过分别与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构，形成宽边耦合，产生交叉耦合并联谐振回路。

优选的，所述谐振腔包括谐振级的主体导带LM、谐振枝节和电容导带；

其中所述谐振枝节包括谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6，用于产生谐振；

所述电容导带包括电容导带C1、电容导带C2、电容导带C3、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6，用于与所述谐振枝节形成电容结构，作为开路等效电容；

所述谐振级的主体导带LM，两端均为开路，用于谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6之间的连接；还用于所述谐振腔与输入引线LIN、所述谐振腔与输出引线LOUT之间的馈电；

谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3位于谐振级的主体导带LM同一侧由左向右依次排列，谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6位于谐振级的主体导带LM另外一侧由左向右依次排列；

所述谐振支节B1的一端与谐振级的主体导带LM一侧连接，另一端开路,所述谐振支节B1的开路的一端的上方设有电容导带C1，电容导带C1的一端连接地线层GND2；

所述谐振枝节B2的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B2的开路的一端的上方设有电容导带C2，电容导带C2的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B3的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B3的开路的一端的上方设有电容导带C3，电容导带C3的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B4的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B4的开路的一端的上方设有电容导带C4，电容导带C4的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B5的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B5的开路的一端的上方设有电容导带C5，电容导带C5的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B6的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B6的开路的一端的上方设有电容导带C6，电容导带C6的一端连接地线层GND1，另一端开路。

优选的，谐振枝节B1与谐振枝节B6尺寸相同；

谐振枝节B2与谐振枝节B5尺寸相同；

谐振枝节B3与谐振枝节B4尺寸相同；

谐振枝节B2、谐振枝节B3之间的间距与谐振枝节B5、谐振枝节B4之间的间距相同；

谐振枝节B1、谐振枝节B2之间的间距与谐振枝节B6、谐振枝节B5之间的间距相同；

电容导带C1、电容导带C6尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C2、电容导带C5尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C3、电容导带C4尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C1与谐振支节B1形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C2与谐振支节B2形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C3与谐振支节B3形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C4与谐振支节B4形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C5与谐振支节B5形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C6与谐振支节B6形成接地电容，形成等效电容结构。

优选的，输入端口PIN和输出端口POUT均为表面贴装的50欧姆阻抗的端口，通过仿真调试，测算出输入端口PIN、输出端口POUT的厚度和宽度值。

优选的，谐振级的主体导带LM工作在第一种谐振模式；

谐振枝节B1和电容导带C1工作在第二种谐振模式，或者谐振枝节B6和电容导带C6工作在第二种谐振模式；

谐振枝节B2、电容导带C2工作在第三种谐振模式；

谐振枝节B5、电容导带C5工作在第四种谐振模式；

谐振枝节B3和电容导带C3工作在第五种谐振模式，或者谐振枝节B4和电容导带C4工作在第五种谐振模式；

其中由谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、电容导带C1、电容导带C2和电容导带C3组成一个带通滤波结构；由谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6组成一个带通滤波结构。

本发明还提供一种滤波器生成五种谐振模式的方法，所述方法包括步骤：

获取谐振腔的等效结构；

对所述等效结构进行奇偶模谐振分析，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构；

根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳；再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应的三个谐振模式；同时根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应的三个谐振模式；

将所述奇模谐振对应的三个谐振模式和偶模谐振对应的三个谐振模式进行合并，获得所述谐振腔的五种谐振模式。

优选的，所述步骤“对所述等效结构进行奇偶模谐振分析，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构”之后还包括步骤：

将所述奇偶模谐振结构进行简化，获得简化后的奇模谐振等效结构和偶模谐振等效结构；

所述步骤“根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳；再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应的三个谐振模式；同时根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应的三个谐振模式”具体为：

首先，根据简化后的奇模谐振等效结构计算出奇模输入导纳：

再，根据所述奇模输入导纳计算奇模谐振第一种谐振模式：

Y_odd1＝jY₀ tanθ₁

进一步，计算奇模谐振第二种谐振模式：

Y_odd2＝jY₀tanθ₂

进一步，计算奇模谐振第三种谐振模式：

Y_odd3＝-j2Y₃tanθ₃

同时，同理，首先，根据简化后的偶模谐振等效结构计算偶模输入导纳：

进一步，根据所述偶模输入导纳计算偶模谐振第一种谐振模式：

Y_even1＝jY₀ tanθ₁

进一步，计算偶模谐振第二种谐振模式和第三种谐振模式：

当

和tanθ₁₂确定时，第二、第三种谐振模式对应Y_even2和Y_even3

Y_even2＝jY₀tanθ₂

Y_even3＝-jY₀cotθ₂₃

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

表示奇模时α_o点输入导纳；

θ₁₂表示谐振支节B1、谐振支节B2间距的等效电长度；

j表示虚数单位；

θ₂表示谐振支节B2、电容导带C2等效电长度；

θ₂₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

表示奇模时β_o点输入导纳；

θ₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

Y₃表示谐振支节B3在奇偶模分析时的特性导纳。

表示奇模时α_o点输入导纳；

Y_in-odd表示奇模输入导纳；

Y_in-even表示偶模输入导纳；

表示偶模时α_e点输入导纳；

Y_odd1表示奇模时的第一种谐振模式；

Y_odd2表示奇模时对应的第二种谐振模式；

Y_odd3表示奇模时对应的第三种谐振模式；

Y_even1表示偶模时的第一种谐振模式；

Y_even2表示偶模时对应的第二种谐振模式；

Y_even3表示偶模时对应的第三种谐振模式。

本发明还提供一种生成等效电容的方法，所述方法包括步骤：

设一段特性阻抗为Z₀，电长度为θ的终端开路传输线，获得其输入阻抗为：

Z_in1＝-jZ₀cotθ；

设一个电容值为C的接地电容，频率为ω时，获得其输入阻抗为：

令

从而，获得一个接地电容等效一段开路传输线；

其中，Z₀表示终端开路传输线的特性阻抗；

θ表示终端开路传输线的电长度；

Z_in1表示终端开路传输线的输入阻抗；

Z_in2表示电容的输入阻抗；

C表示电容的电容值；

ω表示谐振频率。

本发明的有益效果

本发明中的滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2，分别处于不同的水平面，共同构成了三维立体集成结构，有效缩小滤波器的整体尺寸和重量，降低成本，其中尺寸可以缩小50％-80％，重量可以减轻60％-90％，成本可以降低60％以上；进一步所述滤波器模块由输入引线LIN、输出引线LOUT、耦合线COUP和具有五种谐振模式和两种通带的谐振腔组成对称结构,其中所述谐振腔为中心对称结构，同样构成三维立体集成结构，进一步缩小所述滤波器的整体尺寸和重量并降低成本，其中尺寸可以进一步缩小5％-8％，重量可以进一步减轻6％-9％，成本可以进一步降低6％以上；还通过谐振枝节和电容导带形成电容结构，作为开路等效电容，加入等效电容后，开路线的长度大大缩短，整体尺寸和重量变小，其中尺寸可以进一步缩小1％-3％，重量可以进一步减轻1％-3％，从而使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗；还可通过奇偶模分析来确定所述谐振腔的谐振模式的数量，其中，谐振级的主体导带LM为第一种谐振模式；谐振枝节B1和电容导带C1，或者，谐振枝节B6和电容导带C6，为第二种谐振模式；谐振枝节B2、电容导带C2为第三种谐振模式；谐振枝节B5、电容导带C5为第四种谐振模式；谐振枝节B3和电容导带C3，或者，谐振枝节B4和电容导带C4，为第五种谐振模式，通过谐振枝节和电容导带灵活组合，结构简单，灵活实现五种谐振模式，灵活度比较高；还通过调整各个谐振模式的谐振频率，将邻近的谐振频率合并即可实现双通带，即由谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、电容导带C1、电容导带C2和电容导带C3组成一个带通滤波结构，通带为3.3GHz～3.6GHz；由谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6组成一个带通滤波结构，通带为5.7GHz～6.2GHz，两个带通滤波结构的输入端口回波损耗优于17dB，通带内插入损耗均优于2.5dB，实现了多通带响应，同时简化了设计的复杂度；还通过不同的电容导带设置在不同的水平面上，也形成了三维立体集成结构，进一步有效缩小滤波器的整体尺寸和重量；进一步，本实施例中的耦合线COUP为源-负载耦合线，通过与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构；用于交叉耦合的传输线(COUP)与输入、输出带状线(LIN、LOUT)均能形成电容，这样就形成了一个特殊的交叉耦合并联谐振回路；调节各传输线的位置和尺寸构成合适的电容，即可在适当的位置形成传输零点；找到合适的传输零点位置可以优化输入端口的回波损耗；滤波器采用的金属导体的材料均为金属银，介质材料为LTCC低温共烧陶瓷材料，两者均拥有高Q值、低损耗的特点，受其影响，使用这两种材料制作的滤波器，信号通过时的损耗(即插入损耗)会降低，达到输入端口回波损耗优于17dB、通带内插入损耗均优于2.5dB；通过采用多层低温共烧陶瓷工艺，其低温共烧陶瓷材料和三维立体集成结构的金属图形(金属部件结构就构成金属图形)在大约900℃温度下烧结，外表面金属屏蔽实现接地和封装生成滤波器，具有非常高的可靠性和温度稳定性，而且成品率高、可批量生成，成本进一步降低3％以上；本发明还提供一种滤波器生成谐振模式的方法，根据谐振腔可以模拟出等效结构，再根据等效结构进行奇偶模谐振分析，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构，继续根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳；再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应三个谐振模式；同时根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应三个谐振模式，进一步再将重合的谐振模式进行合并，从而获得五种谐振模式，本实施例中的谐振腔(也就是本实施例中的滤波器)结构简单，灵活、高效的组成五种谐振模式，而且计算所述五种谐振模式的方法简单、高效；本发明还提供一种滤波器生成等效电容的方法，步骤简单，计算效率高，加入等效电容后，开路线的长度大大缩短，从而使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗，达到输入端口回波损耗优于17dB。

附图说明

图1是本发明一种SHF频段LTCC多模多通带滤波器的结构图；

图2是图1中滤波器模块的结构图；

图3是图1中滤波器模块的五种谐振模式弱耦合仿真图；

图4是图1中滤波器模块的双通带的仿真图；

图5是图2中滤波器模块生成五种谐振模式的方法的流程图；

图6是图2中滤波器模块的等效结构图；

图7是图6的奇偶模谐振结构图；

图8是图7简化后的奇模谐振等效结构图；

图9是图7简化后的偶模谐振等效结构图。

具体实施方式

如图1所示为本发明实施例一种SHF频段LTCC多模双通带滤波器的结构示意图，所述多模双通带滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2；

所述滤波器模块位于所述滤波器的中间位置，所述滤波器模块的上水平面设有屏蔽层SD1，所述滤波器模块的下水平面设有屏蔽层SD2，所述滤波器模块的第一侧面设有地线层GND1，所述滤波器模块的第二侧面设有地线层GND2，所述滤波器模块的第三侧面中间位置设有输入端口PIN，所述滤波器模块的第四侧面中间位置设有输出端口POUT；其中所述第一侧面和所述第二侧面为轴对称；所述第三侧面与所述第四侧面为轴对称；

从而构成了三维立体集成结构，有效缩小滤波器的整体尺寸和重量，降低成本，其中尺寸可以缩小50％-80％，重量可以减轻60％-90％，成本可以降低60％以上；

如图2所示为图1中滤波器模块的结构示意图，所述滤波器模块包括输入引线LIN、输出引线LOUT、耦合线COUP和具有五种谐振模式和两种通带的谐振腔；

所述谐振腔为中心对称结构，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正上方，通过宽带耦合的方式与输入引线LIN、输出引线LOUT连接，用于滤波、形成五种谐振模式和双通带；

所述谐振腔包括谐振级的主体导带LM、谐振枝节和电容导带；

其中所述谐振枝节包括谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6，用于产生谐振；

所述电容导带包括电容导带C1、电容导带C2、电容导带C3、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6，用于与所述谐振枝节形成电容结构，作为开路等效电容；

所述谐振级的主体导带LM的后边(也就是所述谐振级的主体导带LM的一侧)从左至右依次间隔设有谐振枝节B4、谐振枝节B5和谐振枝节B6，所述谐振级的主体导带LM的前边(也就是所述谐振级的主体导带LM的另一侧)从左至右依次间隔设有谐振枝节B1、谐振枝节B2和谐振枝节B3；

所述谐振级的主体导带LM，两端均为开路，用于谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6之间的连接；还用于所述谐振腔与输入引线LIN、输出引线LOUT之间的馈电；

此外，由于微波传输线具有周期效应，随着频率的改变，谐振级的内会交替出现串、并联谐振，不同电长度的传输线产生的谐波相互叠加，会产生寄生通带；

所以，本实施例中，所述谐振支节B1的一端与谐振级的主体导带LM一侧连接，另一端开路,所述谐振支节B1的开路的一端的上方设有电容导带C1，电容导带C1的一端连接地线层GND2；

所述谐振枝节B2的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B2的开路的一端的上方设有电容导带C2，电容导带C2的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B3的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B3的开路的一端的上方设有电容导带C3，电容导带C3的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B4的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B4的开路的一端的上方设有电容导带C4，电容导带C4的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B5的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B5的开路的一端的上方设有电容导带C5，电容导带C5的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B6的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B6的开路的一端的上方设有电容导带C6，电容导带C6的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节和电容导带正对的部分形成电容结构，作为开路等效电容；加入等效电容后，开路线的长度大大缩短，从而使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗，达到输入端口回波损耗优于17dB；

谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3位于谐振级的主体导带LM同一侧由左向右依次排列，谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6位于谐振级的主体导带LM同一侧由左向右依次排列，谐振枝节B3、谐振枝节B4位于谐振级的主体导带LM中间部的两侧(不是同侧)；由于谐振腔为中心对称结构，谐振枝节B1、B6尺寸相同，谐振枝节B2、B5尺寸相同，谐振枝节B3、B4尺寸相同，谐振枝节B2、B3的间距与谐振枝节B5、B4的间距相同，谐振枝节B1、B2的间距与谐振枝节B6、B5的间距相同；

所述电容导带C1与谐振支节B1、电容导带C2与谐振支节B2、电容导带C3与谐振支节B3、电容导带C4与谐振支节B4、电容导带C5与谐振支节B5、电容导带C6与谐振支节B6形成接地电容，形成等效电容结构，从而减小开路线长度，使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗，达到输入端口回波损耗优于17dB；

由于谐振腔为中心对称结构，电容导带C1、C6尺寸相同并且位于同一水平面上，电容导带C2、C5尺寸相同并且位于同一水平面上，电容导带C3、C4尺寸相同并且位于同一水平面上；形成了三维立体集成结构，有效缩小滤波器的整体尺寸和重量；

输入引线LIN，一端与输入端口PIN连接，另一端开路，用于将输入端口PIN接收的信号通过宽边耦合馈电进入谐振腔；

输出引线LOUT，一端开路，另一端与输出端口POUT连接，位于输入引线LIN右边，与输入引线LIN位于同一水平线，通过宽边耦合接收谐振腔输出的信号，传输至输出端口POUT；

耦合线COUP，两端开路，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正下方；耦合线COUP为源-负载耦合线，通过分别与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构，形成宽边耦合，用于产生交叉耦合并联谐振回路，从而产生传输零点，抑制谐波，减小带外反射，从而优化输入端口的回波损耗，达到输入端口回波损耗优于17dB；

本实施例中的耦合线COUP为源-负载耦合线，通过与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构；用于交叉耦合的传输线COUP与输入LIN、输出带状线LOUT均能形成电容，这样就形成了一个特殊的交叉耦合并联谐振回路；调节各传输线的位置和尺寸构成合适的电容，即可在适当的位置形成传输零点；找到合适的传输零点位置可以优化输入端口的回波损耗；

本实施例中输入端口PIN、输出端口POUT、输入引线LIN、输出引线LOUT、耦合线COUP、谐振级的主体导带LM、谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6、电容导带C1、电容导带C2、电容导带C3、电容导带C4、电容导带C5、电容导带C6、地线层GND1地线层GND2、屏蔽层SD1、屏蔽层SD2，以上各部件组成三维立体集成结构，各部件材质均为金属银，介质材料为LTCC低温共烧陶瓷材料，两者均拥有高Q值、低损耗的特点，通过采用多层低温共烧陶瓷工艺，其低温共烧陶瓷材料和金属图形(金属部件结构就构成金属图形)在大约900℃温度下烧结，外表面金属屏蔽实现接地和封装形成滤波器，信号通过时的损耗(即插入损耗)会降低，达到输入端口回波损耗优于17dB、通带内插入损耗均优于2.5dB，而且成本降到最低；

所述输入端口PIN和所述输出端口POUT均为表面贴装的50欧姆阻抗的端口；

PIN、POUT为输入输出端口，其阻抗的大小由厚度、宽度决定，一般而言，滤波器的输入输出阻抗均为50欧姆，该多模双通带滤波器通过仿真调试，得到相应的PIN、POUT厚度和宽度值，使其阻抗基本为50欧姆；

本实施例中的滤波器长度为3mm-5mm，宽度为2.5mm-5mm，高度为1mm-2mm；

所述滤波器模块的谐振腔近似为中心对称结构，可通过奇偶模分析来确定其谐振模式的数量，其中，

谐振级的主体导带LM为第一种谐振模式；

谐振枝节B1和电容导带C1，或者，谐振枝节B6和电容导带C6，为第二种谐振模式；

谐振枝节B2、电容导带C2为第三种谐振模式；

谐振枝节B5、电容导带C5为第四种谐振模式；

谐振枝节B3和电容导带C3，或者，谐振枝节B4和电容导带C4，为第五种谐振模式；

通过将本发明实时例的滤波器模块的谐振腔进行弱耦合仿真，如图4所示，可以清晰地看出这五种谐振模式f1、f2、f3、f4、f5；然后，将所述谐振模式f1、f2、f3合并，组成一个带通滤波结构，通带为3.3GHz～3.6GHz；

将谐振模式f4、f5合并，组成一个带通滤波结构，通带为5.7GHz～6.2GHz；

从而形成双通带，仿真曲线如图4所示，两个带通滤波结构的输入端口的回波损耗可以优于17dB，通带内插入的损耗均可以优于2.5dB；

本发明中实施例中滤波器所述滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2，分别处于不同的水平面，共同构成三维立体集成结构，其中尺寸可以缩小50％-80％，重量可以减轻60％-90％，成本可以降低60％以上；进一步通过中心对称结构的谐振腔，进一步将所述滤波器的整体尺寸缩小5％-8％，重量降低6％-9％，成本降低1％以上；通过谐振枝节和电容导带灵活组合，结构简单，灵活实现五种谐振模式，灵活度比较高；还通过调整各个谐振模式的谐振频率，将邻近的谐振频率合并即可实现双通带，即由谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、电容导带C1、电容导带C2和电容导带C3组成一个带通滤波结构，通带为3.3GHz～3.6GHz；由谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6组成一个带通滤波结构，通带为5.7GHz～6.2GHz，两个带通滤波结构的输入端口回波损耗优于17dB，通带内插入损耗均优于2.5dB，实现了多通带响应，同时简化了设计的复杂度；还通过谐振枝节和电容导带形成电容结构，作为开路等效电容，加入等效电容后，开路线的长度大大缩短，整体尺寸和重量变小，预计整体尺寸再缩小1％-3％，成本再降低1％-3％，从而使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗；进一步，耦合线COUP为源-负载耦合线，通过与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构；用于交叉耦合的传输线(COUP)与输入、输出带状线(LIN、LOUT)均能形成电容，这样就形成了一个特殊的交叉耦合并联谐振回路；调节各传输线的位置和尺寸构成合适的电容，即可在适当的位置形成传输零点；找到合适的传输零点位置可以优化输入端口的回波损耗；还通过采用多层低温共烧陶瓷工艺，其低温共烧陶瓷材料和三维立体集成结构的金属图形在大约900℃温度下烧结，外表面金属屏蔽实现接地和封装生成滤波器，具有非常高的可靠性和温度稳定性，进一步降低成本，成本预计可以进一步降低3％以上。

实施例二

图5为本发明实施例中一种滤波器(也就是滤波器模块或者滤波器模块中的谐振腔)生成谐振模式的方法的流程图，所述方法包括步骤：

S101，获取谐振腔的等效结构；

所述等效结构指模拟所述谐振腔结构的效果图；

所述等效结构图如图5所示；

S102，对所述等效结构进行奇偶模谐振分析，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构；

所述奇偶模谐振分析为微波电路结构中常用的分析方法，为公知常识，不再赘述；

进行奇偶模谐振分析后，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构，如图6所示；

通过图6发现，奇偶模谐振结构枝节众多，这时可以对所述奇偶模谐振结构进行简化，简化后的奇模谐振等效结构如图7所示；简化后的偶模谐振等效结构如图8所示；

S103，根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳；再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应的三个谐振模式；同时根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应的三个谐振模式；具体为：

S1031，根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳，公式分别为：

上述公式为根据图7中未简化的奇偶模谐振结构计算出的奇模输入导纳和偶模输入导纳，通过上述公式可以发现计算奇偶模输入导纳公式复杂，无法直接看出其谐振模式；

所以进一步，可以根据图8中简化后的奇模谐振等效结构计算奇模输入导纳，再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应的三个谐振模式，具体为：S10311，根据简化后的奇模谐振等效结构计算出奇模输入导纳，公式：

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

表示奇模时α_o点输入导纳；

θ₁₂表示谐振支节B1、谐振支节B2间距的等效电长度；

j表示虚数单位；

S10312，根据所述奇模输入导纳计算奇模谐振第一种谐振模式：

Y_odd1＝jY₀tanθ₁

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

S10313，计算奇模谐振第二种谐振模式：

其余的谐振模式由

和tanθ₁₂决定，

当θ₁₂确定时，第二种谐振模式对应Y_odd2

Y_odd2＝jY₀tanθ₂

其中，θ₂表示谐振支节B2、电容导带C2等效电长度；

θ₂₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

表示奇模时β_o点输入导纳；

Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

S10314，计算奇模谐振第三种谐振模式：

其余的谐振模式由和tanθ₂₃决定，

θ₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

Y₃表示谐振支节B3在奇偶模分析时的特性导纳；

当θ₂₃确定时，第三种谐振模式对应Y_odd3

Y_odd3＝-j2Y₃tanθ₃

同理，同时，根据图9中简化后的偶模谐振等效结构计算偶模输入导纳，再根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应的三个谐振模式，具体为：

S10321，根据简化后的偶模谐振等效结构计算偶模输入导纳，公式：

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

表示偶模时α_e点输入导纳；

θ₁₂表示谐振支节B1、谐振支节B2间距的等效电长度；

j表示虚数单位；

S10322，根据所述偶模输入导纳计算偶模谐振第一种谐振模式：

Y_even1＝jY₀ tanθ₁

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

S10323，计算偶模谐振第二种谐振模式和第三种谐振模式：

其余的谐振模式由

和tanθ₁₂决定，

当

和tanθ₁₂确定时，第二、第三种谐振模式对应Y_even2和Y_even3

Y_even2＝jY₀tanθ₂

Y_even3＝-jY₀cotθ₂₃

θ₂表示谐振支节B2、电容导带C2等效电长度；

θ₂₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

从而，获得奇模谐振对应三个谐振模式为：

Y_odd1＝jY₀tanθ₁

Y_odd2＝jY₀tanθ₂

Y_odd3＝-j2Y₃tanθ₃

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

j表示虚数单位；θ₂表示谐振支节B2、电容导带C2等效电长度；θ₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

Y₃表示谐振支节B3在奇偶模分析时的特性导纳；

从而，获得偶模谐振对应三个谐振模式：

Y_even1＝jY₀tanθ₁

Y_even2＝jY₀tanθ₂

Y_even3＝-jY₀cotθ₂₃

其中，Y₀表示谐振支节B1、B2、谐振级的主导带LM特性导纳；

θ₁表示谐振支节B1、电容导带C1等效电长度；

θ₂表示谐振支节B2、电容导带C2等效电长度；

θ₂₃表示谐振支节B3、谐振支节B2间距的等效电长度；

通过图8和图9看出α_o和α_e对应的是奇偶两种不同模式的同一位置，即谐振枝节B2和谐振级的主导带LM的交汇处，此处用α表示，α点的输入导纳用Y_α表示；

当进行奇模分析时，α点表示为α_o，此时的输入导纳为

所以，奇模谐振对应的第二种谐振模式就为：

当进行偶模分析时，α点表示为α_e，此时的输入导纳为

偶模谐振对应的第二种谐振模式就为：

S104，将所述奇模谐振对应的三个谐振模式和偶模谐振对应的三个谐振模式进行合并，获得所述谐振腔的五种谐振模式，具体为：

由上述奇偶模谐振分析可知，所述谐振腔有三种奇模谐振模式和三种偶模谐振模式，其中一种奇模谐振模式Y_odd1与偶模谐振模式Y_even1重合，Y_odd2和Y_even2虽然对应的表达式相同，但由于和

不同，与实际谐振频率的对应关系不同，所以是两种不同的谐振频率，所以所述谐振腔共计五种谐振模式，即五模。

本实施例中根据谐振腔可以模拟出等效结构，再根据等效结构进行奇偶模谐振分析，获得所述谐振腔的奇偶模谐振结构，继续根据所述奇偶模谐振结构计算奇模输入导纳和偶模输入导纳；再根据所述奇模输入导纳获得奇模谐振对应三个谐振模式；同时根据所述偶模输入导纳获得偶模谐振对应三个谐振模式，进一步再将重合的谐振模式进行合并，从而获得五种谐振模式，本实施例中的谐振腔(也就是本实施例中的滤波器)结构简单，灵活、高效的组成五种谐振模式，而且计算所述五种谐振模式的方法简单、高效。

实施例三

滤波器模块的谐振腔是在等效结构图(如图7、图8、图9所示)的基础上，各枝节开路端末端增加接地等效电容得到的；等效电容分别由B1和C1、B2和C2、B3和C3、B4和C4、B5和C5、B6和C6组成，共六个，通过将接地等效电容接入谐振枝节来代替开路枝节；

六个电容原理相同，仅以B1和C1组成的电容举例说明其结构组成，B1未与C1正对的部分为等效结构图中的开路枝节，B1和C1正对的部分为金属导体，金属导体之间为介质，形成电容结构；C1未与B1正对的一端与地线层GND2连接，形成接地结构,从而得到枝节开路段末端增加接地电容的结构效果；

接地电容等效一段开路传输线的方法(也就是生成等效电容的方法)，包括步骤：

S201，设一段特性阻抗为Z₀，电长度为θ的终端开路传输线，获得其输入阻抗为：

Z_in1＝-jZ₀cotθ；

S202，设一个电容值为C的接地电容，频率为ω时，获得其输入阻抗为：

S203，令

S204，获得一个接地电容等效一段开路传输线；

Z₀表示终端开路传输线的特性阻抗；

θ表示终端开路传输线的电长度；

Z_in1表示终端开路传输线的输入阻抗；

Z_in2表示电容的输入阻抗；

C表示电容的电容值；

ω表示谐振频率。

本发明实施例中通过谐振枝节和电容导带形成电容结构，作为开路等效电容，加入等效电容后，开路线的长度大大缩短，从而使寄生通带远离通带位置，起到抑制谐波的作用，减小了带外反射，优化了输入端口的回波损耗，达到输入端口回波损耗优于17dB。

Claims (7)

1.一种滤波器，其特征在于：所述滤波器包括输入端口PIN、输出端口POUT、具有五种谐振模式和两种通带的滤波器模块、地线层GND1、地线层GND2、屏蔽层SD1和屏蔽层SD2；

所述滤波器模块位于所述滤波器的中间位置，所述滤波器模块的上水平面设有屏蔽层SD1，所述滤波器模块的下水平面设有屏蔽层SD2，所述滤波器模块的第一侧面设有地线层GND1，所述滤波器模块的第二侧面设有地线层GND2，所述滤波器模块的第三侧面中间位置设有输入端口PIN，所述滤波器模块的第四侧面中间位置设有输出端口POUT；其中所述第一侧面和所述第二侧面为轴对称；所述第三侧面与所述第四侧面为轴对称；

所述滤波器模块包括输入引线LIN、输出引线LOUT、耦合线COUP和具有五种谐振模式和两种通带的谐振腔；

所述谐振腔为中心对称结构，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正上方，通过宽带耦合的方式与输入引线LIN、输出引线LOUT连接，用于滤波、形成五种谐振模式和双通带；

所述谐振腔包括谐振级的主体导带LM、谐振枝节和电容导带。

2.如权利要求1所述的一种滤波器，其特征在于：

所述输入引线LIN，一端与输入端口PIN连接，另一端开路，用于将输入端口PIN接收的信号通过宽边耦合馈电进入所述谐振腔；

所述输出引线LOUT，一端开路，另一端与输出端口POUT连接，位于输入引线LIN右边，与输入引线LIN位于同一水平线，通过宽边耦合接收所述谐振腔输出的信号，传输至输出端口POUT；

所述耦合线COUP，两端开路，位于输入引线LIN、输出引线LOUT正下方；耦合线COUP为源-负载耦合线，通过分别与输入引线LIN、输出引线LOUT形成耦合结构，形成宽边耦合，产生交叉耦合并联谐振回路。

3.如权利要求1所述的一种滤波器，其特征在于：

所述谐振枝节包括谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6，用于产生谐振；

所述电容导带包括电容导带C1、电容导带C2、电容导带C3、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6，用于与所述谐振枝节形成电容结构，作为开路等效电容；

所述谐振级的主体导带LM，两端均为开路，用于谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6之间的连接；还用于所述谐振腔与输入引线LIN、所述谐振腔与输出引线LOUT之间的馈电；

谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3位于谐振级的主体导带LM同一侧由左向右依次排列，谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6位于谐振级的主体导带LM另外一侧由左向右依次排列；

所述谐振支节B1的一端与谐振级的主体导带LM一侧连接，另一端开路,所述谐振支节B1的开路的一端的上方设有电容导带C1，电容导带C1的一端连接地线层GND2；

所述谐振枝节B2的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B2的开路的一端的上方设有电容导带C2，电容导带C2的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B3的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B3的开路的一端的上方设有电容导带C3，电容导带C3的一端连接地线层GND2，另一端开路；

所述谐振枝节B4的一端连接谐振级的主体导带LM的中间部，另一端开路，所述谐振枝节B4的开路的一端的上方设有电容导带C4，电容导带C4的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B5的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B5的开路的一端的上方设有电容导带C5，电容导带C5的一端连接地线层GND1，另一端开路；

所述谐振枝节B6的一端连接谐振级的主体导带LM，另一端开路，所述谐振枝节B6的开路的一端的上方设有电容导带C6，电容导带C6的一端连接地线层GND1，另一端开路。

4.如权利要求3所述的一种滤波器，其特征在于：

谐振枝节B1与谐振枝节B6尺寸相同；

谐振枝节B2与谐振枝节B5尺寸相同；

谐振枝节B3与谐振枝节B4尺寸相同；

谐振枝节B2、谐振枝节B3之间的间距与谐振枝节B5、谐振枝节B4之间的间距相同；

谐振枝节B1、谐振枝节B2之间的间距与谐振枝节B6、谐振枝节B5之间的间距相同；

电容导带C1、电容导带C6尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C2、电容导带C5尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C3、电容导带C4尺寸相同并且位于同一水平面上；

电容导带C1与谐振支节B1形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C2与谐振支节B2形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C3与谐振支节B3形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C4与谐振支节B4形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C5与谐振支节B5形成接地电容，形成等效电容结构；

电容导带C6与谐振支节B6形成接地电容，形成等效电容结构。

5.如权利要求4所述的一种滤波器，其特征在于：

输入端口PIN和输出端口POUT均为表面贴装的50欧姆阻抗的端口，通过仿真调试，测算出输入端口PIN、输出端口POUT的厚度和宽度值。

6.如权利要求5所述的一种滤波器，其特征在于：

谐振级的主体导带LM工作在第一种谐振模式；

谐振枝节B1和电容导带C1工作在第二种谐振模式，或者谐振枝节B6和电容导带C6工作在第二种谐振模式；

谐振枝节B2、电容导带C2工作在第三种谐振模式；

谐振枝节B5、电容导带C5工作在第四种谐振模式；

谐振枝节B3和电容导带C3工作在第五种谐振模式，或者谐振枝节B4和电容导带C4工作在第五种谐振模式；

其中由谐振枝节B1、谐振枝节B2、谐振枝节B3、电容导带C1、电容导带C2和电容导带C3组成一个带通滤波结构；由谐振枝节B4、谐振枝节B5、谐振枝节B6、电容导带C4、电容导带C5和电容导带C6组成一个带通滤波结构。

7.如权利要求6所述的一种滤波器，其特征在于：

各金属部件的材质均采用金属银从而构成金属图形，介质材料为LTCC低温共烧陶瓷材料，通过低温共烧陶瓷工艺在900℃温度下烧结，外表面金属屏蔽实现接地和封装形成滤波器。

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