CN109638394A - 一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器 - Google Patents

一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器 Download PDF

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毕晓君
马强
王露华
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Abstract

本发明公开了一种基于多模谐振器结构的芯片级毫米波多通带带通滤波器，包括单个多模谐振器和2个MIM电容。多模谐振器关于对称面左右对称，2个MIM电容与多模谐振器串联，第一MIM电容用来连接输入端口与多模谐振器，第二MIM电容用来连接输出端口与多模谐振器。多模谐振器包括中心加载的开路枝节、对称加载的开路枝节和阻抗枝节。本发明利用了多开路枝节的谐振器结构，不采用任何接地通孔，从而降低损耗并提高电路稳定性，能够在毫米波波段实现多通带的同时，还具备高频率选择性，中心频率和带宽都能够被单独控制的特点。此外，本发明可以应用于其他的频段或更多通带的芯片级多通带带通滤波器设计中去，具有广泛的应用前景和实用价值。

Description

一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器
技术领域
本发明属于带通滤波器领域，更具体地，涉及一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器。
背景技术
随着通信技术的持续发展，越来越多的电磁波频段被利用，但是这也造成了频谱资源愈加紧张。为了解决此问题，可以采取两种办法，一是提高频谱利用效率，二是继续往更高频段拓展。近些年，毫米波段的电路研究一直是一个热点。为了提高频谱利用效率，目前毫米波滤波器常规的做法是使用接地通孔，然而接地通孔会带来插入损耗和降低电路稳定性。同时滤波器传输线的寄生效应在毫米波段也更加明显。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器，通过只采用开路枝节的结构构成谐振器，从而避免使用接地通孔，以减小插入损耗和电路稳定性。由此解决了芯片级多通带滤波器的插入损耗大和不稳定的难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种芯片级的多通带带通滤波器，包括单个多模谐振器和2个MIM(Metal-Insulator-Metal，金属—绝缘介质—金属)电容；
其中，多模谐振器关于对称面左右对称，不含接地通孔；2个MIM电容与多模谐振器串联，第一MIM电容用来连接输入端口1与多模谐振器，第二MIM电容用来连接输出端口2与多模谐振器。
进一步的，多模谐振器包括中心加载的开路枝节、对称加载的开路枝节和阻抗枝节。
进一步的，中心加载的开路枝节位于多模谐振器的对称面。
进一步的，对称加载的开路枝节关于多模谐振器对称面对称，对称分布在中心加载的开路枝节两侧。
进一步的，对称加载的阻抗枝节关于多模谐振器对称面对称，对称分布在中心加载的开路枝节两侧。
进一步的，多模谐振器不含短路枝节。
进一步的，多模谐振器的中心加载的开路枝节采用阶梯阻抗，包括两段阻抗不同的传输线。
进一步的，多模谐振器的对称加载的开路枝节的个数为4个及以上，且所述4个及以上开路枝节关于多模谐振器对称面对称。添加开路枝节能引入更多的极点和零点，可以实现更多的通带。
进一步的，多模谐振器的阻抗枝节的个数为2个及以上，且所述2个及以上开路枝节关于多模谐振器对称面对称。添加阻抗枝节也能引入更多的极点和零点，实现更多的通带。
进一步的，2个MIM电容关于多模谐振器对称面对称。此外，除多通带带通滤波器之外，本发明还可以应用至不同的滤波器类型上，如宽带带通滤波器。通过设计多模谐振器的开路枝节和阻抗枝节，能合理控制极点和零点的频率，能够得到具有多零极点且高选择特性的宽带带通滤波器，并且其通带的中心频率和带宽都能够通过设计多模谐振器的开路枝节和阻抗枝节的个数和参数被灵活的控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本滤波器能够通过设计一种由开路枝节和阻抗枝节构成的多模谐振器结构，尺寸小，实现芯片级毫米波多通带滤波器。由于未采用接地通孔，该滤波器还具有低损耗的优点。同时通过灵活调控多模谐振器的开路枝节和阻抗枝节的个数和参数，可得到高频率选择特性，中心频率和带宽单独可控等特点。并且这种无接地通孔的多模谐振器结构还可以应用到更多通带的滤波器设计中，其应用将能够大幅优化毫米波通信系统的噪声抑制和集成度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种带通滤波器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种带通滤波器的偶模激励分析电路图；
图3是本发明实施例提供的一种带通滤波器的奇模激励分析电路图；
图4是本发明实施例提供的一种带通滤波器的MIM电容影响电路性能的效果图；
图5是本发明实施例提供的一种带通滤波器的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本申请实施例提供的一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带滤波器的结构示意图；参考图1可知，本申请提供了一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带滤波器，该带通滤波器包括单个多模谐振器和2个MIM电容，MIM电容与多模谐振器串联，第一MIM电容用来连接输入端口1与带通滤波器，第二MIM电容用来连接输出端口2与带通滤波器。其中，
多模谐振器包括中心加载的开路枝节3(串联的两段传输线分别为导纳2Y4，电长度θ4和导纳2Y5，电长度θ5)，对称加载的开路枝节1(导纳Y1，电长度θ1)、开路枝节2(导纳Y2，电长度θ2)、开路枝节4(导纳Y2，电长度θ2)、开路枝节5(导纳Y1，电长度θ1)和阻抗枝节1(导纳Y3，电长度θ3)、阻抗枝节2(导纳Y3，电长度θ3)。
具体的，中心加载的开路枝节1位于多模谐振器的对称面。
具体的，对称加载的开路枝节2和开路枝节4关于多模谐振器对称面对称，分布在中心加载的开路枝节1两侧；对称加载的开路枝节3和开路枝节5关于多模谐振器对称面对称，分布在中心加载的开路枝节1两侧。
具体的，对称加载的阻抗枝节1和阻抗枝节2关于多模谐振器对称面对称，分布在中心加载的开路枝节1两侧。
本实施方式的多模谐振器不含短路枝节。多模谐振器的中心加载的开路枝节采用阶梯阻抗，包括两段阻抗不同的传输线。
实际应用中对称加载开路枝节可以由4个及以上偶数个开路枝节组成，开路枝节在不影响有用极点的位置情况下可以产生传输零点，因此该滤波器也可以产生传输零点。而谐振器的谐振频率与各个枝节的导纳和电长度相关，因此通过改变开路枝节的导纳或者电长度可以调节极点和零点频率。
同时，本实施方式通过合理控制并设计极点和零点的频率，能够得到具有多零极点且高选择特性的宽带滤波器。滤波器的通带是由极点和零点决定的，因此其通带的中心频率和带宽也可以通过改变开路枝节的导纳或者电长度被控制。
本申请实施例的多模谐振器采用开路枝节而不是短路枝节，是因为短路枝节带有接地通孔，而接地通孔会带来损耗和不稳定性，所以针对芯片级毫米波多通带滤波器，优选采用开路枝节。
具体的，本实施方式的2个MIM电容C1和C2关于多模谐振器的对称面对称。
实际应用中，传输线耦合结构可以为导线或者MIM电容。优选地，本申请中采用MIM电容。具体的，导线作为传输线耦合结构会产生寄生效应，而对于芯片级毫米波多通滤波器，传输线的耦合结构对设计的精度要求较高，容易受到其他寄生效应的影响，所以针对芯片级毫米波多通带滤波器，优选采用MIM电容。
为了进一步阐述本方案，结合图2和图3分别说明多模谐振器在偶模和奇模两种激励模式下的等效电路。
图2是本实施例的偶模激励分析电路图。如图2所示，在偶模激励条件下，中心加载的开路枝节3的导纳减半，其他枝节不变。通过偶模分析法可以得到偶模激励下的等效输入导纳为：
图3是本实施例的奇模激励分析电路图。如图3所示，在奇模激励条件下，开路枝节3等效为短路的形式，其他枝节不变。通过奇模分析法可以得到奇模激励下的等效输入导纳为：
Yin,o＝jY1tanθ1+jY2tanθ2-jY3cotθ3
其中，电长度θ与谐振频率f之间的关系为：
由上式可得，谐振器的谐振频率由等效输入导纳和电长度共同决定的。
需要说明的是，本申请中各元件的型号和参数，例如，各个枝节的导纳Y和电长度θ、MIM电容的容值等，都可以根据实际电路的需要设定。举例来说，图4是讨论MIM电容对电路性能的影响。如图4所示，MIM电容C1的容值可以为0.05pF，0.1pF或0.15pF，由图可以看出，电容值越小，滤波器的带外抑制越好，但是通带内的插入损耗也越大。因此，MIM电容的设计需要同时考虑带外抑制和插入损耗这两个方面，取最合适的电容值。
图5是本发明实施例提供的一种带通滤波器的效果图。为了直观表示本方案的技术效果，如图5的波形所示。实线是插入损耗S21，虚线是回波损耗S11，可以看到，多通带滤波器的中心频率为55GHz与95GHz，带外抑制大于15dB，符合芯片级毫米波的应用。可以理解，该电路能够在毫米波段实现一个低损耗的芯片级多通带滤波器，根据以上分析，本方案提供的多通带滤波器具有高频率选择特性，中心频率和带宽可控。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多模谐振器的芯片级毫米波多通带带通滤波器，其特征在于，包括单个多模谐振器和2个MIM电容；
其中，所述多模谐振器关于对称面左右对称，不含接地通孔；所述2个MIM电容与所述多模谐振器串联，所述第一MIM电容用来连接输入端口与所述多模谐振器，所述第二MIM电容用来连接输出端口与所述多模谐振器。
2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述多模谐振器包括中心加载的开路枝节、对称加载的开路枝节和阻抗枝节；
所述中心加载的开路枝节位于多模谐振器的对称面；
所述对称加载的开路枝节关于所述多模谐振器对称面对称，对称分布在所述中心加载的开路枝节两侧；
所述对称加载的阻抗枝节关于所述多模谐振器对称面对称，对称分布在所述中心加载的开路枝节两侧。
3.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述多模谐振器不含短路枝节。
4.如权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于，所述多模谐振器的中心加载的开路枝节采用阶梯阻抗，包括两段阻抗不同的传输线。
5.如权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于，所述多模谐振器的对称加载的开路枝节的个数为4个及以上，且所述4个以上对称加载的开路枝节关于所述多模谐振器对称面对称。
6.如权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于，所述多模谐振器的阻抗枝节的个数为2个及以上，且所述2个及以上阻抗枝节关于所述多模谐振器对称面对称。
7.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述2个MIM电容关于所述多模谐振器对称面对称。
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