CN111129673B

CN111129673B - 基于lcp工艺的超宽带带通滤波器

Info

Publication number: CN111129673B
Application number: CN201811295175.4A
Authority: CN
Inventors: 刘维红; 张博; 李晓品; 康昕; 吴昊谦; 吴思成; 王永建; 谢玉洁; 马绍壮; 欧阳旭阳
Original assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Xian University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: CN111129673A

Abstract

本发明涉及电路板领域，具体设计了一种基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，包括LCP基板及制作在LCP基板上的滤波器电路，滤波器电路包括并联的两条末端短路的枝节线组，枝节线组包括微带线和与微带线串联的多个短路枝节线，两条枝节线组之间的每一对短路枝节线之间由传输线连接。该带通滤波器由末端短路的枝节线组成，在每一对短路枝节线间，利用一段传输线实现电磁耦合功能，通过合理选取各元件的长度和宽度，实现了带宽在116％左右的超宽带带通滤波器，由于本发明采用了柔性可弯折的LCP基板，原本平面结构的滤波器也变的可弯折，从而形成立体结构，而S参数基本没有变化，这在某些极端条件下有着无可比拟的优势。

Description

基于LCP工艺的超宽带带通滤波器

技术领域

本发明涉及电路板领域，具体而言，设计了一种基于LCP工艺的超宽带带通滤波器。

背景技术

目前，在体积很小的电子产品中，使用柔性电路连接不同电子单元或模块的制造技术已经具有很高的成熟度，柔性电子技术保证了印制板在弯曲状态下的优良性能，对体积、厚度和重量要求苛刻的电子产品已经成为推动柔性电子技术发展的重要因素。由于柔性电子更容易与生物的皮肤、器官和组织的弯曲表面相匹配，因此在医疗、个人穿戴电子设备等领域有着广泛的应用。LCP(液晶聚合物)基板属于柔性基板，具有介电常数选择范围宽(2～10)、可选用低成本的PCB工艺、可形成复杂的多层结构等优势，使得LCP基板适用于系统级封装技术SOP(Systemona Package)和SIP(System in Package)，并且在小型化中有着很大优势。

随着无线通信技术及无线多媒体业务的飞速发展，超宽带(UWB)技术受到越来越多研究人员的关注。超宽带以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干扰能力强等优点，具有非常广阔的应用前景和相当巨大的市场价值。由于超宽带技术可适用的领域十分广泛，为了便于管理，美国联邦通讯委员会(FCC)将超产带系统分为3类：1成像系统，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医疗成像系统；2车载雷达系统；3室内超宽带系统。对于不同的通信系统，FCC都划分了不同的使用频带范围。当前，各大研究机构最为关注的是室内超宽带系统的商业价值。

超宽带频带作为无线通信系统的一个重要波段，超宽带由于其可以与其他的现有通信系统共享频谱，共存性能好，在频谱资源非常紧张的今天具有极其重要的意义。信道容量大，传输速率高，空间传输容量是现有通信系统(无线局域网、蓝牙等)的10-1000倍以上；超宽带技术靠脉冲传输信号，不需要载波，并且功率很低，所以超宽带射频通信系统发射机不需要混频器和功放，接受机不需要做中频处理，大大降低系统的成本和复杂度；窄脉冲信号具有其强的穿透能力，能够穿透多种材料，使其可以应用到成像、检测、监视和测量等领域；并且由于测距和定位系统的精度与信号的频谱宽度直接相关，超宽带频带在GHz领域，系统的定位精度理论上可以达到厘米量级。

近年来，国内外已有学者对柔性带通滤波器进行了研究。L.Zhu等人应用多模谐振平行耦合线结构设计了多种形式的UWB滤波器。J.S.Hong等人2003年提出了具有并联或串联四分之一波长短截线结构的滤波器，并给出了具体的设计方法。SeokS.等人于2013年用50μm的Per-MX3050基板研制了一款中心频率为60GHz的平行耦合线形式柔性带通滤波器，KaoH.L等人在2013年用100μm的LCP基板研制了中心频率为30GHz的发夹线型及中心频率为25GHz的交指耦合线型两款柔性带通滤波器；2015年，电子科技大学研制了中心频率为9.5GHz的柔性带通滤波器，首次使用了50μm的LCP基板。

对于在单层LCP基板中设计带通滤波器存在一些棘手的问题，为了满足射频收发机前端接收模块的小型化，单层LCP基板作为带通滤波器的基板时，单层板的厚度仅有50μm，传统的超宽带带通滤波器结构为根据多模谐振原理的SIR结构，但为实现超宽带的宽带要求，增强谐振器耦合强度，常采用交叉的平行耦合线实现多模谐振，计算出的平行耦合线常常间距过小，无法满足加工要求。

以上所提到的工艺要求无法满足，主要原因是LCP工艺采取印制板制作工艺，其中的最小线宽只能达到100μm，线间距150μm，通孔孔径200μm，盲埋孔孔径300μm，且加工精度也无法与溅射工艺或者光刻工艺相比拟。

发明内容

为解决上述问题，本发明技术方案的目的在于提供一种基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，不但解决单层基板加工中存在的问题，而且其三维布局可以减小带通滤波器的整体尺寸。

根据本发明的实施例，提供了一种基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，超宽带带通滤波器包括LCP基板及制作在LCP基板上的滤波器电路，滤波器电路包括并联的两条末端短路的枝节线组，枝节线组包括微带线和与微带线串联的多个短路枝节线，两条枝节线组之间的每一对短路枝节线之间由传输线连接。

进一步地，传输线采用折叠分支线。

进一步地，折叠分支线包括有两个串联的分支线枝节。

进一步地，微带线和短路枝节线为蜿蜒线。

进一步地，其中，设短路枝节线电长度为θ，则传输线电长度为2θ；根据超宽带带通滤波器的通带范围f_l-f_h，则f_l对应的短路枝节线电长度θ_l为：

Z_i＝Z₀/y_i；

Z_i,i+1＝Z₀/y_i,i+1；

其中，Z₀为源阻抗，Z_i为并联枝节阻抗，y_i,y_i+1为滤波器函数的原型参数。

进一步地，超宽带带通滤波器为双短路超宽带带通滤波器，每组枝节线组中的短路枝节线数量为两个。

进一步地，两个短路枝节线的长度为λ/2，其中λ是中心频率的波长。

进一步地，超宽带带通滤波器为四短路超宽带带通滤波器，每组枝节线组中的短路枝节线数量为四个。

进一步地，四个短路枝节线的长度为λ/4，其中λ是中心频率的波长。

进一步地，LCP基板的电磁参数为ε_r＝2.9，tanσ＝0.002。

本发明实施例中的基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，该带通滤波器由末端短路的枝节线组成，在每一对短路枝节线间，利用一段传输线实现电磁耦合功能，通过合理选取各元件的长度和宽度，实现了带宽在116％左右的超宽带带通滤波器，由于本发明采用了柔性可弯折的LCP基板，原本平面结构的滤波器也变的可弯折，从而形成立体结构，而S参数基本没有变化，这在某些极端条件下有着无可比拟的优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为无线通信的频谱图；

图2为UWB系统的一般模型；

图3为本发明基于LCP工艺的超宽带带通滤波器的电路模型图；

图4为本发明基于双短路枝节结构的UWB电路结构；

图5为本发明基于双短路枝节结构的UWB实物图；

图6为本发明基于四短路枝节结构的UWB电路结构；

图7为本发明基于四短路枝节结构的UWB实物图；

图8为本发明双短路枝节结构UWB仿真和实测对比结果图；

图9为本发明四短路枝节结构UWB仿真和实测对比结果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

UWB技术作为一项新兴的技术以来，对UWB的研究主要基于脉冲无线电(ImpulseRadio，IR)，其最大特点就是通过发送频谱覆盖范围为数个GHz的窄脉冲进行通信，IR-UWB技术采用的是与现有无线通信完全不同的调制方式，参见图1，为无线通信的频谱图。现有的无线通信使用不同频率的载波把信号调制到不同的频带上，载波的频率和功率在一定的范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。IR-UWB技术则不使用载波，它使用“脉冲”信号进行信息传输。所谓脉冲信号就是指产生和消失时间及其短暂的瞬时信号，其产生和消失的时间仅为数百微秒至数纳秒之间。

作为通信系统中不可或缺的器件之一，滤波器是无线电技术中许多设计问题的关键。滤波器既可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。因此，微波滤波器是雷达系统、通信系统、测量系统等系统中最常见的元器件之一，其性能的优劣往往直接影响到整个通信系统的质量。同时微波滤波器也是最为重要、技术含量最高的微波无源器件。图2为UWB系统的一般模型。从图中我们可以看出，UWB系统的射频前端需要一个UWB滤波器，用于使接受和发射的UWB信号符合FCC的标准，尽可能的减少工作频带以外的其它信号的干扰。因此，超宽带滤波器是UWB系统中的一个关键的无源部件，它的性能好坏对于系统的整体性能起着非常重要的作用。

本发明采用LCP工艺，没有采取传统的低温共烧陶瓷(LTCC)和薄膜工艺，因为LCP工艺对于形成复杂的多层结构来实现射频前端模块3D封装更有优势。LCP是一种由刚性分子链构成的、在一定物理条件下既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性(此状态称为液晶态)的高分子物质。它被认为是继低温共烧陶瓷(LTCC)后的下一代微波毫米波的基板和微组材料，具有许多独特的优点，例如损耗小、成本低、使用频率范围大(DC，110GHz)、强度高、重量轻、耐热性和阻燃性强、线膨胀系数小、耐腐蚀性和耐辐射性能好、CP薄膜的成型温度低，具有可弯曲性和可折叠性的优良成型加工性能，可用于各种带弧形和弯曲等复杂形状的制品。目前使用的LTCC的成形温度是850℃左右，LCP的成形温度可以低到285℃，这样不仅无源器件，而且有源芯片都有可能一起封装，减小了安装位置和数量的限制，这将大大提高军用和民用电子系统的可靠性，降低成本，减小体积。同时LTCC横向尺寸一般不能大于5inch×5inch，而LCP的尺寸可以大得多。此外LCP没有LTCC烧结过程中产生的收缩，有助于提高加工精度和成品率。

传统的滤波器理论适用于窄带和中等带宽的滤波器设计，一般不能直接用来设计超宽带滤波器。枝节加载方法是在单个谐振器不同位置上加载不同结构的枝节，最初是在单个开环谐振器对称中心处加载开路枝节发展起来的，即在半波长谐振器上加载枝节，得到无耦合的双模或者多模特性，可实现带宽可控，而且加载枝节可以引入一个可控的传输零点，当枝节的电长度为90°时，产生传输零点，通过调节枝节的长度来实现传输零点的位置移动。

为克服现有加工工艺技术中存在的缺陷，本发明的目的在不改变带通滤波器性能指标的同时，采取枝节加载的设计方法，其中就不会含有线宽和缝隙较小的区域，其拓扑结构也简单，易实现。枝节加载的设计思路基于多模式谐振器(MMR)的概念，具有较多实用价值功能和可移植性，结构简单，易于实现。

作为优选的技术方案中，短路枝节线带通滤波器电路模型如图3所示。该滤波器结构通常被用来设计高通滤波器和带宽较宽的带通滤波器，具有结构简单的优点。如图3所示，若设短路枝节线电长度为θ，则传输线电长度为2θ；根据超宽带带通滤波器的通带范围f_l-f_h，则f_l对应的短路枝节线电长度θ_l为：

Z_i＝Z₀/y_i；

Z_i,i+1＝Z₀/y_i,i+1；

其中，Z₀为源阻抗，Z_i为并联枝节阻抗，y_i,y_i+1为滤波器函数综合出的原型参数。即选定既定的滤波函数后即可得到短路枝节线和连接它们的传输线段的阻抗值。根据改变相应的电长度和阻抗，来调节该超宽带柔性带通滤波器的中心频率、带宽等指标。

短路枝节线带通滤波器具有工作带宽宽、结构简单的优点，但是这种滤波器的高次谐振会移向低频区域，使得寄生通带距离工作频带较近，带外抑制性能恶化，而且结构不够紧凑。为了解决这两个问题，本发明在传统结构中通过增加枝节对和用蜿蜒线代替微带连接线和枝节线的方法进行优化，设计了一个结构紧凑、同时矩形系数和上阻带性能大大改善的超宽带滤波器。

根据本发明的实施例，参见图1-9，提供了一种基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，超宽带带通滤波器包括LCP基板及制作在LCP基板上的滤波器电路，滤波器电路包括并联的两条末端短路的枝节线组，枝节线组包括微带线和与微带线串联的多个短路枝节线，两条枝节线组之间的每一对短路枝节线之间由传输线连接。

作为优选的技术方案中，传输线采用折叠分支线。折叠分支线包括有两个串联的分支线枝节。其中两个短路短截线(分支线枝节)的长度为λ4，其中λ是中心频率的波长。为减少滤波器的尺寸，设计的滤波器采用折叠分支线而不是一般分支。

作为优选的技术方案中，微带线和短路枝节线为蜿蜒线。用蜿蜒线代替微带连接线和枝节线的方法进行优化。

作为优选的技术方案中，超宽带带通滤波器设计一，参见图4，为双短路枝节线超宽带带通滤波器，每组枝节线组中的短路枝节线数量为两个。两个短路枝节线的长度为λ/2，其中λ是中心频率的波长，参见图4-5。

作为优选的技术方案中，超宽带带通滤波器设计二，参见图6，为四短路枝节线超宽带带通滤波器，每组枝节线组中的短路枝节线数量为四个。四个短路枝节线的长度为λ/4，其中λ是中心频率的波长，参见图6-7。

作为优选的技术方案中，LCP基板的电磁参数为ε_r＝2.9，tanσ＝0.002。此次超宽带滤波器是基于LCP工艺(ε_r＝2.9，tanσ＝0.002)进行设计，滤波器采用微带线和短路枝节线并联结构，产生超宽带响应和锐利的矩形系数。

由于使用探针台SE-6进行测试，因此采用共面波导(CPW)作为射频信号的输入输出端口，为保50欧的端口阻抗，根据基板参数计算得到中间导带宽0.11mm，导带与地间隙0.1mm。输入输出结构采用直接接触馈电机制，不仅可保证宽带的强耦合，更能降低耦合损耗。由于本发明采用了柔性可弯折的LCP基板，原本平面结构的滤波器也变的可弯折，从而形成立体结构，而S参数基本没有变化，这在某些极端条件下有着无可比拟的优势。

本发明为了达到比较陡峭的矩形系数和良好的带外抑制，增加了分支线枝节的个数，使得连接分支线的微带线长度变长，通过弯折的方式不会增加滤波器面积。该带通滤波器由末端短路的枝节线组成，在每一对短路枝节线间，利用一段传输线实现电磁耦合功能。通过合理选取各元件的长度和宽度，实现了带宽在116％左右的超宽带带通滤波器。

该带通滤波器的电尺寸小且具有较宽的阻带。基于全波电磁仿真软件HFSS的结果，设计加工了一个基于LCP多层基板微带带通滤波器样品。测试结果与仿真结果吻合良好。实验表明，该设计是一种电尺寸较小且具有宽阻带抑制效果的超宽带带通滤波器。

参见图8，为双短路枝节结构UWB仿真和实测对比结果图，该超宽带滤波器电磁仿真频带范围从2.79GHz到10.53GHz，相对带宽为116％，满足超宽带带宽要求，带内插入损耗优于3.6dB，回波损耗小于-20dB，当频率范围在12GHz-15GHz时，滤波器具有高于15dB的带外抑制。

平坦状态下，探针台测试结果为频带范围从2.65GHz到10.58GHz，相对带宽为120％，满足超宽带带宽要求，带内插入损耗优于4.29dB，回波损耗小于-25dB，当频率范围在12.5GHz-15.5GHz时，滤波器具有高于15dB的带外抑制。

对比了此超宽带滤波器仿真和测试S参数，通带范围增加了0.2GHz，中心频率往低频移动了0.05GHz，此外除了高频处插入损耗有所恶化，仿真结果和实测结果达到了很高的一致性。此滤波器具有回波损耗小和插入损耗小的优点。

参见图9，为四短路枝节结构UWB仿真和实测对比结果图，此超宽带滤波器设计采用分流折叠和短路短截线实现具有良好矩形系数和带外抑制特性的超宽带滤波器，其中四个短路短截线(短路枝节线)的长度为λ4，其中λ是中心频率的波长。为减少滤波器的大小，设计的BPF有用折叠分支线和微带线而不是一般分支，可以获得良好的通带特性和带外抑制。

滤波器电磁仿真频带范围从2.7GHz到10.3GHz，相对带宽为117％，满足超宽带带宽要求。带内插入损耗优于4.36dB，回波损耗小于-17dB，当频率高于11GHz时，滤波器在较宽的频率范围内具有高于30dB的带外抑制。

平坦状态下，探针台测试结果为频带范围从2.5GHz到10.4GHz，相对带宽为123％，满足超宽带带宽要求，带内插入损耗优于5.9dB，回波损耗小于-15dB，当频率高于12GHz时，滤波器在较宽的频率范围内具有高于30dB的带外抑制，在11-16GHz，满足高于20dB的带外抑制。

对比了此超宽带滤波器仿真和测试S参数，通带范围增加了0.3GHz，中心频率往高频移动了0.1GHz，高频处插入损耗恶化较多，矩形系数稍有恶化，两者达到了很高的一致性。分析原因主要是为了达到比较陡峭的矩形系数和良好的带外抑制，增加了分支线枝节的个数，使得连接分支线的微带线长度变长，虽然通过弯折的方式没有增加滤波器面积，但是微带线总长度的增加，使得插入损耗变大。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。

Claims

1.基于LCP工艺的超宽带带通滤波器，其特征在于，包括：所述超宽带带通滤波器包括LCP基板及制作在所述LCP基板上的滤波器电路，所述滤波器电路包括并联的两条末端短路的枝节线组，所述枝节线组包括微带线和与所述微带线串联的多个短路枝节线，两条所述枝节线组之间的每一对所述短路枝节线之间由传输线连接；

其中，设所述短路枝节线电长度为θ，则所述传输线电长度为2θ；根据所述超宽带带通滤波器的通带范围f_l-f_h，则f_l对应的短路枝节线电长度θ_l为：

Z_i＝Z₀/y_i；

Z_i,i+1＝Z₀/y_i,i+1；

2.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述传输线采用折叠分支线。

3.根据权利要求2所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述折叠分支线包括有两个串联的分支线枝节。

4.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述微带线和所述短路枝节线为蜿蜒线。

5.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述超宽带带通滤波器为双短路超宽带带通滤波器，每组所述枝节线组中的所述短路枝节线数量为两个。

6.根据权利要求5所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，两个所述短路枝节线的长度为λ/2，其中λ是中心频率的波长。

7.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述超宽带带通滤波器为四短路超宽带带通滤波器，每组所述枝节线组中的所述短路枝节线数量为四个。

8.根据权利要求7所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，四个所述短路枝节线的长度为λ/4，其中λ是中心频率的波长。

9.根据权利要求1所述的超宽带带通滤波器，其特征在于，所述LCP基板的电磁参数为ε_r＝2.9，tanσ＝0.002。