CN110504514B - 一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器 - Google Patents

一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器，包括从上至下依次设置的顶层金属接地板、中上层带状传输线、中下层带状传输线和底层金属接地板；顶层金属接地板和中上层带状传输线通过第一金属柱和第二金属柱连接，顶层金属接地板和中下层带状传输线通过第三金属柱和第四金属柱连接，中下层带状传输线和底层金属接地板通过第五金属柱和第六金属柱连接。

Description

一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域。特别是一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器。
背景技术
近年来，平衡型电路受到了越来越多的关注，与单端电路相比，平衡型电路具有对环境噪声、串扰、电磁(Electromagnetic interference)干扰有着高抗扰性的潜在优势。被广泛地应用于现代通信系统中。特别地，平衡带通滤波器(Balance bandpass filter)在获得所需差模响应的同时抑制不需要的共模信号方面有着突出的功能。
文献1[Z.–A.Ouyang and Q.–X.Chu,“An improved wideband balanced filterusing internal cross-coupling and 3/4λstepped-impedance resonator,”IEEEMicrow.Wireless Compon.Lett.,vol.26,no.3,pp.156-158,Mar.2016.]通过利用枝节线结构内部交叉耦合和四分之三波长阶梯阻抗谐振器，实现平衡带通滤波器的设计，然而这种平衡带通滤波器电路结构复杂，在差模激励下通带较窄。
文献2[T.B.Lim and L.Zhu,“Differential-mode ultra-wideband bandpassfilter on micostrip line,”Electron.Lett.,vol.45,no.22,pp.1124-1125,Oct.2009.]基于支线结构提出了一种超宽带平衡滤波器，然而该电路的体积大，共模抑制效果不理想，并且带宽抑制受限制。
文献3[H.W.Liu,Y.Song,B.P.Ren,P.Wen,X.H.Guan,and H.X.Xu,“Balanced tri-band bandpass filter design using octo-section stepped-impedance ringresonator with open-stubs,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.27,no.10,pp.912-914,Oct.2017]利用带有开路枝节的阶梯阻抗环形谐振器，设计了一种三通带平衡滤波器，所提出的电路结构能在一定程度上控制差模和共模响应，然而该电路体积大，结构复杂，共模抑制效果不理想。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器，包括从上至下依次设置的顶层金属接地板、中上层带状传输线、中下层带状传输线和底层金属接地板；顶层金属接地板和中上层带状传输线通过第一金属柱和第二金属柱连接，顶层金属接地板和中下层带状传输线通过第三金属柱和第四金属柱连接，中下层带状传输线和底层金属接地板通过第五金属柱和第六金属柱连接；
所述中上层带状传输线包括首尾依次连接第一边、与第一边垂直连接的第二边，与第二边垂直连接的第三边，与第三边垂直连接的第四边，第四边包括三个凹形结构；
所述中下层带状传输线包括凸形结构，凸形结构分别连接到第三金属柱、第四金属柱以及第五金属柱、第六金属柱。
本发明中，三个凹形结构分别为第一凹形结构、第二凹形结构、第三凹形结构，第一凹形结构通过第五边与第一边共同连接到第一金属柱；
第二凹形结构通过第六边连接到第一凹形结构，通过第七边连接到第三凹形结构；
第三凹形结构通过第八边与第三边共同连接到第二金属柱。
本发明中，中上层带状传输线在第二边中心线两侧左右对称。
本发明中，所述凸形结构包括依次连接的第九边、与第九边垂直连接的第十边、与第十边垂直连接的第十一边、与第十一边垂直连接的第十二边、与第十二边垂直连接的第十三边、与第十三边垂直连接的第十四边、与第十四边垂直连接的第十五边；
第九边垂直连接第十六边，第十六边垂直连接第十七边，第十七边连接第五金属柱；
第十五边垂直连接第十八边，第十八边垂直连接第十九边，第十九边连接第六金属柱；
第九边还连接第二十边，第二十边垂直连接第二十一边，第二十一边垂直连接第二十二边，第二十二边垂直连接第二十三边，第二十三边连接第三金属柱；
第十五边还连接第二十四边，第二十四边垂直连接第二十五边，第二十五边垂直连接第二十六边，第二十六边垂直连接第二十七边，第二十七边连接第四金属柱。
本发明中，所述中下层带状传输线在第十二边中心线两侧左右对称。
本发明中，所述顶层金属接地板上分别设有与第一金属柱连接的第一输入端口馈线以及与第二金属柱连接的第二输入端口馈线。
本发明中，所述顶层金属接地板上还分别设有与第三金属柱连接的第一输出端口馈线以及与第四金属柱连接的第二输出端口馈线。
有益效果：(1)本发明电路结构简单，可利用LCP粘合PCB板层压技术实现多层电路封装，便于加工集成，生产成本低。
(2)本发明电路功能集成，在自封装电路中实现阻抗变换和平衡滤波功能的协同设计，将阻抗变换功能集成到平衡滤波器设计中。
(3)本发明采用改进的分支线结构，在差模激励下，实现带有阻抗变换功能的三阶切比雪夫等效波纹响应，具有高选择性和宽通带特性，在对称平面处不加载任何元件的情况下，实现通带内高水平的共模抑制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明一种集成阻抗变换功能的新型多层自封装平衡滤波器的立体结构示意图。
图2是实施例1的顶层结构尺寸示意图。
图3是实施例1的中上层结构尺寸示意图。
图4是实施例1的中下层结构尺寸示意图。
图5是实施例1的底层结构尺寸示意图。
图6是实施例1的电路分层结构示意图。
图7是实施例1差模响应的S参数仿真测试图。
图8是实施例1共模响应的S参数仿真测试图。
图9是电路原理图。
图中，顶层金属接地板1，底层金属接地板2，中上层带状传输线3，中下层带状传输线4，共面波导第一输入端口馈线5，第二输入端口馈线6，第一输出端口馈线7，第二输出端口馈线8，第一金属铜柱31，第二金属铜柱32，第三金属铜柱41，第四金属铜柱42，第五金属铜柱43，第六金属铜柱44。
具体实施方式
实施例1：
如图1、图2、图3、图4，一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器，包括从上至下依次设置的顶层金属接地板1、中上层带状传输线3、中下层带状传输线4和底层金属接地板2；顶层金属接地板1和中上层带状传输线3通过第一金属柱31和第二金属柱32连接，顶层金属接地板1和中下层带状传输线4通过第三金属柱41和第四金属柱42连接，中下层带状传输线4和底层金属接地板2通过第五金属柱43和第六金属柱44连接；
所述中上层带状传输线3包括首尾依次连接第一边3a、与第一边垂直连接的第二边3b，与第二边垂直连接的第三边3c，与第三边垂直连接的第四边3d，第四边3d包括三个凹形结构；
所述中下层带状传输线4包括凸形结构12，凸形结构分别连接到第三金属柱41、第四金属柱42以及第五金属柱43、第六金属柱44。
三个凹形结构分别为第一凹形结构9、第二凹形结构10、第三凹形结构11，第一凹形结构9通过第五边3e与第一边共同连接到第一金属柱31；
第二凹形结构10通过第六边3f连接到第一凹形结构9，通过第七边3g连接到第三凹形结构11；
第三凹形结构11通过第八边3h与第三边共同连接到第二金属柱32。
中上层带状传输线3在第二边中心线两侧左右对称。
凸形结构12包括依次连接的第九边4a、与第九边垂直连接的第十边4b、与第十边垂直连接的第十一边4c、与第十一边垂直连接的第十二边4d、与第十二边垂直连接的第十三边4e、与第十三边垂直连接的第十四边4f、与第十四边垂直连接的第十五边4g；第九边垂直连接第十六边4h，第十六边垂直连接第十七边4i，第十七边连接第五金属柱；
第十五边垂直连接第十八边4j，第十八边垂直连接第十九边4k，第十九边连接第六金属柱；
第九边还连接第二十边4l，第二十边垂直连接第二十一边4m，第二十一边垂直连接第二十二边4n，第二十二边垂直连接第二十三边4o，第二十三边连接第三金属柱41；第十五边还连接第二十四边4p，第二十四边垂直连接第二十五边4q，第二十五边垂直连接第二十六边4r，第二十六边垂直连接第二十七边4s，第二十七边连接第四金属柱42。
中下层带状传输线4在第十二边中心线两侧左右对称。
顶层金属接地板1上分别设有与第一金属柱连接的第一输入端口馈线5以及与第二金属柱连接的第二输入端口馈线6。
顶层金属接地板1上还分别设有与第三金属柱连接的第一输出端口馈线7以及与第四金属柱连接的第二输出端口馈线8。
一种集成阻抗变换功能的新型多层自封装平衡滤波器，该电路由四个金属层组成。顶层和底层金属板位于PCB板上，作为两个衬底接地平面，顶层金属接地板1和底层金属接地板2提供一个固有的电磁屏蔽环境，中上层和中下层的带状线设计在中间的LCP芯膜上，电路的所有侧壁均覆盖有导电银浆，用以实现完全的电磁屏蔽边界条件，顶层金属接地板1上设有共面波导第一输入端口5、第二输入端口6、第一输出端口7、第二输出端口8、使该多层自封装电路与外部环境相连。凭借LCP优良的电磁性能，改进分支线结构，不仅可以在差分模式下实现具有阻抗变换特性的三阶切比雪夫等波纹响应，而且可以借助这种分支线结构有效改善通带内共模抑制。
本发明电路在制造上通过利用多层LCP粘合PCB板层压技术实现，形成所需的多层电路结构，如图6所示，两个PCB板通过厚度为50um的LCP粘合膜与厚度为100um的LCP芯膜直接连接，顶层和底层是PCB基板上的两个接地层，中上层和中下层是设计在LCP芯膜上的带状线。该电路的自封装是通过在电路壁上覆盖导电银浆实现的。LCP是一种尺寸稳定性高、抗辐射、耐微波，在非常宽的频率内LCP基板将保持稳定的介电常数和极低的损耗，以LCP作为基本材料设计出的电路结构与传统材料相比质量更轻、性能更优、成本更低、能够极大提高系统集成度、实现器件的小型化。在差模信号激励时，实现了三阶切比雪夫等波纹响应，并利用改进枝节线，实现通带内的共模抑制，本发明的平衡滤波器电路结构简单、体积小、重量轻、插损低、通带宽、阻抗变换、共模抑制程度高，适用于现代无线通信系统。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
一种基于集成阻抗变换功能的新型多层自封装平衡滤波器的结构如图1所示，顶层结构尺寸如图2所示，中上层结构尺寸如图3所示，中下层结构尺寸如图4所示，底层结构尺寸如图5所示，图6是实施例1的电路分层结构示意图，差模响应的S参数仿真测试结果如图7所示，共模响应的S参数仿真测试结果如图8所示。本设计电路均采用多层LCP粘合PCB板层压技术，以自封装形式设计和制造，所采用的PCB板和LCP基板的介电常数均为3.0，切角损耗均为0.0025。
结合图2、图3、图4、图5，平衡滤波器的各尺寸参数如下：W1＝1.8mm，W2＝0.4mm，W3＝0.3mm，W4＝0.2mm，W5＝0.4mm，W6＝0.9mm，L1＝24.2mm，L2＝9.6mm，L3＝3mm，L4＝3.6mm，L5＝4.8mm，L6＝3mm，L7＝3.4mm，L8＝2.9mm，L9＝17.6mm，L10＝10.7mm，L11＝1.6mm，L12＝9.5mm，L13＝3.6mm,L14＝9.5mm，g1＝0.2mm，g2＝0.2mm，g3＝2mm，D＝0.9mm。多层平衡滤波器对应的导波长尺寸为0.18λg×0.37λg，其中λg为中心频率为1.8GHz对应的导波波长。
厚度为100um的LCP芯膜通过上下两个厚度为50um的LCP粘合膜直接与两个厚度为0.5mm的PCB基板粘合。整个电路由四个金属层构成。顶层和底层是两个金属接地板，位于PCB基板上；中上层和中下层是设计在LCP芯膜上的带状线，位于两个金属接地板之间；该电路的自封装是通过围绕电路壁敷设导电银浆实现的，以达到全电磁屏蔽功能。
在第一输出端口和第二输出端口处设置了两个四分之一波长传输线，包括第二十三边4o、第二十二边4n、第二十一边4m、第二十边4l、第二十七边4s、第二十六边4r、第二十五边4q、第二十四边4p，该结构在电路中，可以增加一个传输极点，改善了差模信号下通带的平坦度和选择性。此外，设置的两个四分之一波长传输线还提供额外的自由度，实现了良好的50-200Ω阻抗变换功能。
本实例平衡滤波器是在电磁仿真软件HFSS.13.0中建模仿真的。图7是本实例中平衡滤波器的差模响应S参数理论仿真测试图，图8是本实例中平衡滤波器的共模响应S参数仿真测试图，从图中可以看出，在差模信号下，该平衡滤波器表现出切比雪夫三阶响应，通带中心频率为1.8GHz，3dB相对带宽为85％，回波损耗优于17dB，插入损耗小于1.2dB，在共模信号下，差模通带范围内的共模抑制程度大于31dB的抑制程度大于25dB。所提出的电路设计具有多方面的优势，包括具有阻抗变换功能的良好差模响应、增强带宽内良好的共模抑制、自封装的全电磁屏蔽、体积小重量轻。
如图9，为电路原理示意图，端口1对应图1中第一输入端口5，端口2对应图1中第二输入端口6，端口3对应图1中第一输出端口7，端口4对应图1中第二输出端口8。两个半波长传输线Z1对应图3中第一凹形结构9、第二凹形结构10、第三凹形结构11。两个半波长传输线Z2对应图4中第九边4a、第十边4b、第十一边4c、第十二边4d、第十三边4e、第十四边4f、第十五边4g。层间耦合线结构对应图3中第一边3a、第二边3b，第三边3c和图4中第十六边4h，第十七边4i、第十八边4j，第十九边4k。
本发明提供了一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种集成阻抗变换功能的多层自封装平衡滤波器，其特征在于，包括从上至下依次设置的顶层金属接地板(1)、中上层带状传输线(3)、中下层带状传输线(4)和底层金属接地板(2)；顶层金属接地板(1)和中上层带状传输线(3)通过第一金属柱(31)和第二金属柱(32)连接，顶层金属接地板(1)和中下层带状传输线(4)通过第三金属柱(41)和第四金属柱(42)连接，中下层带状传输线(4)和底层金属接地板(2)通过第五金属柱(43)和第六金属柱(44)连接；
所述中上层带状传输线(3)包括首尾依次连接第一边(3a)、与第一边垂直连接的第二边(3b)，与第二边垂直连接的第三边(3c)，与第三边垂直连接的第四边(3d)，第四边(3d)包括三个凹形结构；
所述中下层带状传输线(4)包括凸形结构(12)，凸形结构分别电性连接到第三金属柱(41)、第四金属柱(42)以及第五金属柱(43)、第六金属柱(44)；
所述凸形结构(12)包括依次连接的第九边(4a)、与第九边垂直连接的第十边(4b)、与第十边垂直连接的第十一边(4c)、与第十一边垂直连接的第十二边(4d)、与第十二边垂直连接的第十三边(4e)、与第十三边垂直连接的第十四边(4f)、与第十四边垂直连接的第十五边(4g)。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，三个凹形结构分别为第一凹形结构(9)、第二凹形结构(10)、第三凹形结构(11)，第一凹形结构(9)通过第五边(3e)与第一边共同连接到第一金属柱(31)；
第二凹形结构(10)通过第六边(3f)连接到第一凹形结构(9)，通过第七边(3g)连接到第三凹形结构(11)；
第三凹形结构(11)通过第八边(3h)与第三边共同连接到第二金属柱(32)。
3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，中上层带状传输线(3)在第二边中心线两侧左右对称。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，第九边垂直连接第十六边(4h)，第十六边垂直连接第十七边(4i)，第十七边连接第五金属柱；
第十五边垂直连接第十八边(4j)，第十八边垂直连接第十九边(4k)，第十九边连接第六金属柱；
第九边还连接第二十边(4l)，第二十边垂直连接第二十一边(4m)，第二十一边垂直连接第二十二边(4n)，第二十二边垂直连接第二十三边(4o)，第二十三边连接第三金属柱(41)；
第十五边还连接第二十四边(4p)，第二十四边垂直连接第二十五边(4q)，第二十五边垂直连接第二十六边(4r)，第二十六边垂直连接第二十七边(4s)，第二十七边连接第四金属柱(42)。
5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述中下层带状传输线(4)在第十二边中心线两侧左右对称。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述顶层金属接地板(1)上分别设有与第一金属柱连接的第一输入端口馈线(5)以及与第二金属柱连接的第二输入端口馈线(6)。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述顶层金属接地板(1)上还分别设有与第三金属柱连接的第一输出端口馈线(7)以及与第四金属柱连接的第二输出端口馈线(8)。
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