CN110011010A - 用于低通滤波器的带状线结构、低通滤波器、通信装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，具体涉及一种用于低通滤波器的带状线结构,包括至少两层纵向层叠且相互平行的带状线子层；各所述带状线子层所形成的平面图案保持一致，各所述带状线子层的二维尺寸为等比缩放的关系，且面积小的带状线子层完全处于面积大的带状线子层的覆盖范围内；所述带状线子层间填充有介质基层，且所述带状线子层间相互耦合。本发明还公开了应用带状线结构的低通滤波器、通信装置及系统。本发明使得信号在电路传输过程中损耗减小，从而达到降低系统损耗的目的。可以进一步实现设备的小型化。

Description

用于低通滤波器的带状线结构、低通滤波器、通信装置及系统

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，具体涉及一种用于低通滤波器的带状线结构、低通滤波器、通信装置及系统。

背景技术

随着5G通信时代的来临，对基站设备重量和体积的要求越来越小，由于具有小型化、低损耗和温度特性好等优点，介质滤波器俨然已经成为5G时代基站设备的必然选项,其中陶瓷波导滤波器的应用最具代表性。在陶瓷波导滤波器的实际应用中，通常必须搭配用于进行远端抑制的低通滤波器使用，形成滤波器组件，此滤波器组件的最终性能不仅取决于陶瓷波导滤波器本身，还与低通滤波器息息相关。

用于抑制高次谐波和杂波信号的低通滤波器是无线通信系统中的重要部件之一，为了缩小滤波器组件的整体体积，与陶瓷波导滤波器搭配使用的低通滤波器，大多使用体积小，具有良好的平面集成度的带状线低通滤波器。一般的带状线低通滤波器采用双层PCB板工艺制作，由两层介质基板压制而成，其中一层介质基板上仅仅单面覆盖用于接地的金属层；另一层介质板的一个表面上覆盖金属层后，蚀刻出形成带状线谐振器电路的电路层，另一面覆盖用于接地的金属层，最后两层介质基板均以非接地的一面为对合面，对合压制形成带状线低通滤波器，介质基板上还需设置孔和焊盘一类用于带状线低通滤波器的信号输入/输出接口以及用于隔离信号的金属化过孔一类的辅助结构。

对于滤波器来说,尺寸和损耗往往是一对矛盾，如何在保证小型化基础上降低损耗成为了各设备商和器件厂家寻求突破的焦点。对于5G时代必然使用的陶瓷波导滤波器技术而言，传统的解决方法是降低陶瓷滤波器部分的损耗，比如使用低介电常数的陶瓷材料、使用多模技术等，但使用低介电常数的材料会使得体积增大从而无法满足客户要求；使用多模技术性价比较差、可量产性不高；相比之下，低通滤波器部分的优化一直被忽略，然而带状线低通滤波器并非没有可优化的空间。

站在电子系统的设计角度，电流密度是很重要的指标，电路的性能与电流量紧密相关，而电流密度又是由导体的物体尺寸和形状决定，带状线低通滤波器中的电路层其实质是形成特定的图案(用于形成带状线谐振器电路)的金属层，其结构尺寸本就非常小，加上在高频频域(微波波段)使用，由于趋肤效应，电流的传导区域会更加局限于表面附近，因而促使电流密度增高，电流密度过高，损耗也随着增加，进而会对滤波器的整体性能带来的不利后果。

发明内容

发明人在降低滤波器件整体的功率损耗的问题时，将思路转换到通常被忽略的优化低通滤波器的功率损耗方向，在此过程中发明人发现，通过改变低通滤波器中的带状线结构(电路层以带状线的形式存在于低通滤波器中)，将原本由单层金属膜构成的带状线结构，纵向衍生为由相互平行的，形状和水平位置相同，同时又相互耦合的多层金属膜构成后，不仅不会改变低通滤波器原本的滤波性能，而且还会带来工作状态下整个带状线上的电流密度的下降，进而降低了由于电流密度过高所而带来的热能形式的信号功率损耗。基于上述发现，发明人改变了现有的用于低通滤波器的带状线结构，从而完成本发明。

因而本发明提供了一种用于低通滤波器的带状线结构，其中，包括至少两层纵向层叠且相互平行的带状线子层；各所述带状线子层所形成的平面图案保持一致，各所述带状线子层的二维尺寸为等比缩放的关系，且面积小的带状线子层完全处于面积大的带状线子层的覆盖范围内；

所述带状线子层间填充有介质基层，且所述带状线子层间相互耦合。

本发明的原理及有益效果在于：从等效电路的角度来说，由于带状线子层可等效为形成了并联电阻，使得电路总电阻减小，从而电流密度减小；亦或可以从导体表面积的角度而言，增加的带状线子层使得带状线整体的表面积增加，从而电流密度减小；信号能量在电路传输过程中热损耗减小，从而达到降低损耗的目的。低通滤波器损耗减小，使得在设计时滤波组件整机损耗的余量增大，从而降低了陶瓷波导滤波器部分的设计难度，陶瓷波导滤波器部分得以采用更小的体积，不仅降低了陶瓷波导滤波器的成本，还可以进一步实现设备的小型化。

进一步的，所述带状线子层上设有纵向连通所有带状线子层的子层间连接通孔，所述子层间连接通孔为孔壁被金属化的通孔。

带状线子层间纵向通过金属化的通孔连通。不仅增加了子层间的连接点，提高了耦合程度，加强子层间的一体化程度，还进一步增加了带状线的表面积，减小热损耗。

进一步的，所述子层间连接通孔沿所述带状线子层的边缘均布。

优选的，所述带状线子层的数量为两层。

足以起到较小损耗的效果，同时不会增加过多的制造难度和过多的成本。

优选的，各所述带状线子层所成图案的外边缘间的距离在0.05～0.2mm之间。

本方案中，每个带状线子层间的二维尺寸允许存在差异，但不可过大，在该数值范围内能够实现最好的降损表现。

优选的，所述带状线子层间的间距在10-20mil之间。

确保带状线子层间的耦合，同时也不会因为距离里太近而给生产制造带来难度。

在上述带状线结构的基础上，本发明还提供了一种低通滤波器，包括介质基板和设置在介质基板内的带状线谐振器电路，所述带状线谐振器电路的部分或全部采用上述用于低通滤波器的带状线结构。

本发明还提供了一种通信装置，包括介质波导滤波器和上述的低通滤波器，所述介质波导滤波器和低通滤波器沿信号输入的方向依次串行连接。

该装置得益于其中低通滤波器的性能提升，使得介质波导滤波器的部分可以采取体积更小的设计，从而降低了整体的体积和成本；如保留原有设计尺寸，则装置整体的损耗得以降低，可以适应对损耗要求更高的系统。

本发明还提供了一种通信系统，包括上述的通信装置，用于接收/发射信号的滤波。

该系统得益于所使用的通信装置，可以更加紧凑，亦或是在不改变原有布局的情况下，得到收获更低的滤波损耗，从而提高整体性能。

附图说明

图1为本发明实施例中低通滤波器的爆炸图。

图2为本发明实施例中的通信装置的爆炸图。

图3为本发明实施例中的低通滤波器与传统的低通滤波器的S(1,2)曲线图。

图4为本发明实施例中的基站的示意性结构框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：上基板1、第二焊盘11、第三焊盘12、中间基板2、上带状线子层21、下带状线子层22、子层间连接过孔23、输入信号导通孔24、输出信号导通孔25、下基板3、第一焊盘31、介质波导滤波器4、低通滤波器5、探针6。

图1中示出了一采用了本发明所公开的用于低通滤波器的带状线结构的低通滤波器的结构示意图，该低通滤波器由三块基板粘接而成，包括上基板1、中间基板2和下基板3，上带状线子层21和下带状线子层22，子层间连接过孔23，输入信号导通孔24和输出信号导通孔25，第二焊盘11和第一焊盘31。

上层的上基板1、内层的中间基板2和最下层的下基板3的材料可以是任意介质材料，本实施例优选采用罗杰斯板材。上基板1上下两面从上到下看分别是外表面层和内表面层，其中，外表面层为全覆铜层，内表面层为无铜层，上基板1还设置有第二焊盘11，用于连接外部信号。中间基板2上下两面从上至下分别为上表面层和下表面层，上带状线子层21和下带状线子层22分别设置在中间基板2的上下两面，即上表面层和下表面层上，且平面图案保持一致，二者的二维尺寸为等比缩放的关系，且面积小的下带状线子层22完全处于面积大的上带状线子层21的覆盖范围内，下带状线子层22与下带状线子层22的外边缘间的距离可以取在0.05～0.2mm，本实施例中取0.1mm，测试证明，该距离取在该范围内；上带状线子层21和下带状线子层22共同形成了带状线低通滤波器5的全部带状线谐振器电路，图中所示仅是一例，本发明的带状线结构适用于任何图案的带状线谐振器电路，也可以仅部分带状线谐振器电路采用本发明中公开的带状线结构构成；而且，对于具有纵向耦合结构的多层带状线谐振器电路设计同样适用，只需将原有的每一层中的单层带状线的部分或全部换成本发明中公开的带状线结构即可。

上带状线子层21和下带状线子层22的铜厚可选择半盎司、一盎司或两盎司，本实施例中优选的为两盎司，同时，上带状线子层21和下带状线子层22之间通过多个子层间连接过孔23相连通，子层间连接过孔23为孔壁被金属化的通孔，贯穿上带状线子层21、中间基板2和下带状线子层22。子层间连接过孔23的数量和位置均不限，本实施例中的子层间连接过孔23沿着带状线子层的边缘均布。下基板3上下两面从上到下看分别是下基板内表面层和下基板外表面层，其中，下基板内表面层为无铜层，下基板外表面层为全覆铜层，下基板3还设置有第一焊盘31，用于连接外部信号。图中的输入信号导通孔24和输出信号导通孔25，用于上带状线子层21和下带状线子层22与输入/输出端口的连接，输入信号导通孔24可以是盲孔，由外表面层延伸至下基板内表面层(不穿透下基板外表面层即可)，也可以是通孔，由外表面层直接延伸至下基板3外表面层。输出信号导通孔25同样也可以是盲孔，由下基板外表面层延伸至内表面层(不穿透内表面层即可)，也可以是通孔，由下基板外表面层直接延伸至外表面层。本实施例中的带状线谐振器电路的结构可等效为形成了并联电阻使得电路总电阻减小，从而电流密度减小，信号能量在电路传输过程中热损耗减小，以达到降低损耗的目的。

本实施例中低通滤波器5损耗减小，使得整机损耗余量增大，从而降低了介质滤波器部分的设计难度，进而降低了介质滤波器的成本。

出于成本、工艺难度与性能的平衡，本实施例中优选的采用了两层带状线子层(上带状线子层21和下带状线子层22)与一基板组成的带状线结构，其中基板的厚度可选的为10-20mil本例中优选的采用了10.3mil，上基板1和下基板3的厚度可选的为20～40mi，本例中优选的采用了30mil。

本例中采用负片感光制作中间基板2上的带状线子层。具体为将覆铜后的中间基板2清洗干净后会在其表面盖上一层感光膜。这种膜遇到光会固化，在铜箔上形成一层保护膜，清洗掉没有形成保护膜的部分，再将其蚀刻掉，剩下的金属膜就是带状线子层。

对中间基板2的两面均采取上述方法，即可获得本实施例中的中间基层2，由于在该工艺阶段将两面的带状线子层做对齐，要远远方便于将分别蚀刻在两块分离的板上(例如在中间基层的上表面以及在下基板内表面)而后在压制成型时在做对齐，如此可确保上带状线子层21和下带状线子层22的良好对齐，使得生产工艺简单易行且有很高的一致性。

将中间基板2与上基板1和下基板3压为一体的工艺则是现有的多层PCB板的工艺，进一步的表面覆铜、打过孔以及过孔的金属化的等工艺也均为现有技术，在此不作赘述。

通过将网络分析仪校准频率设置在0-14GHz，测量低通滤波器5在其所需要匹配的波导滤波器的通带(3.4～3.6GHz)内的功率损耗；结果如图3所示，图3中横轴的单位为GHz，纵轴的单位为dB，图中以圆点标记的曲线为传统的带状线低通滤波器的S(1，2)曲线，除去带状线结构采用传统的单层带装线外，其他设置与本实施例中的低通滤波器5一致；而图中光滑没有标记的曲线为本实施例中的低通滤波器5的S(1，2)曲线；根据本领域技术人员所熟知的知识，S(1，2)曲线若读数为0dB表示被测试器件在读数的频率点没有损耗，此为器件的理想状态，而读数越小，则说明损耗越大；图中低通滤波器5的S(1，2)曲线上3.4Ghz频点(被标记为m1)的读数为-0.345dB，而传统低通滤波器的S(1，2)曲线在该频点的读数为-0.56dB,也就是说，在此频点上，低通滤波器5减少了0.225dB的损耗；图中低通滤波器5的S(1，2)曲线上3.6Ghz频点(被标记为m2)的读数为-0.32dB，而传统低通滤波器的S(1，2)曲线在该频点的读数为-0.61dB,也就是说，在此频点上，低通滤波器5减少了0.29dB的损耗；从图中观察可知，在这个通带(3.4GHz-3.6GHz)内，低通滤波器5的损耗均小于传统滤波器的损耗，且损耗差基本都在0.2dB以上。

在一些可选的实施例中，带状线子层的数量超过两层，进而在这些实施例中可能会需要超过一层中间基板2，例如，如果包括四层带状线子层，一种可选的方式是在上基板1的内表面蚀刻出一层带状线子层，又在下基板内表面上蚀刻出一层带状线子层，压制时则需要另外加入两层半固化层将中间基层3与上、下基板分别隔开。

而为了便于设置子层间连接过孔23，更为优选的实施例中，采用多个中间基层3，如果是偶数层带状线子层，则每一中间基层3双面蚀刻，如果是奇数层，则最后一层或最开始一层中间基层3仅单面蚀刻，其余中间基层3均双面蚀刻，中间基层3两两间还需插入半固化层从而在压制时将所有中间基层3粘接起来，以及起到隔开各带状线子层的作用。在所有中间基层3粘接起来后在一次性设置连接所有子层的子层间连接过孔23，最后再将粘接为一体的多个中间基层3放入上、下基板间压制成型。本发明中带状线子层可以根据设计需求自行选择，较多的带状线子层自然进一步减小能量损耗，但同时需要在工艺难度和成本上做出牺牲。

值得注意的是，本发明公开的低通滤波器内的各带状线子层不必非要完全一致，在某些实施例中，低通滤波器中的带状线谐振器电路仅部分采用本发明公开的用于低通滤波器的带状线结构，即某些带状线子层并不涵盖带状线谐振器电路的全部，而仅仅是涵盖带了所需带状线谐振器电路的一部分，另外根据本发明公开的技术思想可知，各带状线子层的二维尺寸也不必完全一致，只要满足等比缩放的关系，一些带状线子层比另一些“小一圈”，还能单到更好的降损效果，当然不能过小，在面积大的带状线子层覆盖面积小的带状线子层的前提下，各带状线子层所成图案的外边缘两两间的距离保持在0.05～0.2mm之间，从而达到最佳的降损效果。

如图2所示，本实施例还公开了一种通信装置，该装置包括上述的低通滤波器5以及一介质波导滤波器4，该介质波导滤波器4采用了陶瓷介质。具体来讲，低通滤波器5还集成了信号输入接口，该信号输入接口与图中第三焊盘12通过设于低通滤波器5内的带状线连接，第三焊盘12则通过探针6与介质波导滤波器4的输入端口连接，介质波导滤波器4的输出端则通过另一探针6与第二焊盘11连接，用于将经过介质滤波器滤波的信号接入低通滤波器5，而经过低通滤波器5滤波的信号再经输出信号导通孔25输出到与第一焊盘31焊接的线路中，即信号导通孔25为该通信装置的信号输出端；探针6的大头端插入介质滤波器滤波内，小头端则通过第二焊盘11中心的信号输入通孔24或第三焊盘12中心处的孔插入低通滤波器5内，并在纵向上导通介质波导滤波器4和低通滤波器5内的带状线(用于连接信号输入接口的部分以及形成带状线谐振器电路的部分)。

低通滤波器5功率损耗的减小，使得在设计时滤波组件整机损耗的余量增大，从而降低了陶瓷波导滤波器部分的设计难度，陶瓷波导滤波器部分得以采用更小的体积，不仅降低了陶瓷滤波器的成本，还可以进一步实现设备的小型化。经发明人推算，利用本发明后所带来的功率损耗余量可以使得陶瓷波导滤波器部分的尺寸最多可缩小30％，对于滤波组件的小型化来说是一个长足的进步。

本发明还保护一种具有上述通信装置的通信系统，该通信系统可以是任何一种需要用到上述通信装置的射频收发系统，例如飞机、雷达、基站、卫星上的射频收发系统等。这些射频收发系统会接收和发送信号，并在接收之后或发送之前进行滤波，以使所接收或发送的信号满足需求，因此射频收发系统至少还包括与上述通信装置的信号输入端连接的信号发射模块、与上述通信装置的信号输出端连接的信号接收模块。

例如，如图4所示的基站，基站包括双工器，双工器包括发信带通滤波器和收信带通滤波器，二者均采用本实施例中公开的通信装置。发信带通滤波器的输入端连接发信机，输出端连接基站天线；收信带通滤波器的输入端连接基站天线，输出端连接收信机。则对于发信带通滤波器，其信号发射模块为发信机，信号接收模块为基站天线。而对于收信带通滤波器，其信号发射模块为基站天线，信号接收模块为收信机。

在5G通信系统的基站中，采用了大规模天线阵列技术，众多的基站天线被以天线阵列的形式集成在一起，为了减少布线及传输线路带来的损耗，每一天线的双工器(发信带通滤波器和收信带通滤波器)也一并集成；采用本实施例中的通信装置后，节省出的空间可以使得该天线阵列更为紧凑，也可以把节省出的空间用于安装其他组件，或者在不改变原有尺寸的情况下，减少信号的滤波损耗，从而提高整个天线阵列的性能。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：包括至少两层纵向层叠且相互平行的带状线子层；各所述带状线子层所形成的平面图案保持一致，各所述带状线子层的二维尺寸为等比缩放的关系，且面积小的带状线子层完全处于面积大的带状线子层的覆盖范围内；

所述带状线子层间填充有介质基层，且所述带状线子层间相互耦合。

2.根据权利要求1所述的用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：所述带状线子层上设有纵向连通所有带状线子层的子层间连接过孔，所述子层间连接过孔为孔壁被金属化的通孔。

3.根据权利要求2所述的用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：所述子层间连接通孔沿所述带状线子层的边缘均布。

4.根据权利要求1所述的用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：所述带状线子层的数量为两层。

5.根据权利要求1所述的用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：各所述带状线子层所成图案的外边缘间的距离在0.05～0.2mm之间。

6.根据权利要求1所述的用于低通滤波器的带状线结构，其特征在于：所述带状线子层间的间距为10-20mil。

7.低通滤波器，包括介质基板和设置在介质基板内的带状线谐振器电路，其特征在于：所述带状线谐振器电路的部分或全部为权利要求1～5中任一所述的用于低通滤波器的带状线结构。

8.通信装置，其特征在于：包括介质波导滤波器和权利要求7中所述的低通滤波器，所述介质波导滤波器和低通滤波器沿信号输入的方向依次串连。

9.根据权利要求8所述的通信装置，其特征在于：所述介质波导滤波器为陶瓷波导滤波器。

10.通信系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的通信装置，用于接收/发射信号的滤波。