CN111525219A

CN111525219A - 可调带阻滤波器

Info

Publication number: CN111525219A
Application number: CN202010463942.9A
Authority: CN
Inventors: 钱可伟; 田忠
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2040-05-27
Also published as: CN111525219B

Abstract

本发明公开了一种可调带阻滤波器，涉及微波通信技术领域，其包括内部设置有主体电路的带阻滤波器主体，主体电路电连接有多个电极，电极设置于带阻滤波器主体外部；带阻滤波器主体外部设置有调谐元件，调谐元件与主体电路电连接，用于改变主体电路的传输零点；主体电路基于低温共烧陶瓷工艺制造而成。该可调带阻滤波器体积小，基于低温共烧陶瓷技术，使滤波器电路结构紧凑，可重复性好；阻带带宽和带内抑制深度的灵活可调，通过改变外部调谐元件的值，可对带阻滤波器传输零点位置进行重新设定，方便滤波器在不同需求环境下在宽阻带和高抑制之间切换；插入损耗小；滤波器在小体积内实现了较高的抑制水平，能有效滤除各种无用信号和噪声信号。

Description

可调带阻滤波器

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，具体而言，涉及一种超小型的可调带阻滤波器。

背景技术

传统的带阻滤波器设计结构一般是由四分之一波长短截线谐振器，并沿主波导或主传输线排列，而谐振器间隔为四分之一波长的奇数倍，这种结构的带阻滤波器的矩形系数不够理想且体积庞大。近年来，随着微机电系统(MEMS)技术、高温超导技术、低温共烧陶瓷(LTCC)技术、光子带隙结构、微波单片集成电路等新型材料和工艺技术的涌现，推动了滤波器从性能到体积的不断改善。随着无线通信系统和微波毫米波组件的持续发展，小体积、高性能已成为滤波器发展的必然趋势。

另外，伴随无线通讯系统的迅猛发展，各种终端设备已经广泛支持诸如2G、3G、LTE、Wi-Fi、GPS等多种通信协议。为了最大效率地利用有限的频谱资源，目前许多无线系统都支持多频段工作，因此多频段天线以及多频段放大器等多频微波器件的研究也得到了蓬勃发展。但是在复杂的电磁环境下，不同协议、不同频段之间的干扰也越来越严重，这就需要利用高抑制宽阻带的带阻滤波器对不需要的频段信号进行滤除，从而保障频谱纯度、提高有用信号的完整性、改善多模系统的信噪比和灵敏度。因此，高性能的宽带带阻滤波器在多功能、小型化便携式通信设备中起着越来越重要的作用。

在现有技术中，申请号为201510364166.6的中国专利文献中公开了一种基于新型开口谐振环结构的共面波导传输线带阻滤波器，在Rogers 4003介质基板上采用折叠的开口谐振环结构产生滤波器阻带，并利用金属通孔加深阻带抑制度和提升带外的频率选择性，该结构与传统开口谐振环相比拥有更小的电尺寸，且工作频率可通过改变谐振环的物理尺寸来进行调节。但该带阻滤波器的工作带宽较窄，对加工工艺要求比较高，一旦精度控制出现偏差，工作频率很容易发生偏移。此外，相对于芯片级别的多层电路元件来说，该滤波器的体积仍然较大，很难集成在日趋小型化的无线通讯终端设备中。申请号为201410290334.7的文献公开了一种基于多阶跃阻抗谐振器加载的超宽带带阻滤波器，其利用多个阶跃阻抗谐振器的开路特性，在阻带上产生了5个传输零点，实现了超宽阻带特性，但由于所述谐振器微带线均采用了四分之一波长的电长度，且制作在介电常数为2.2的双面敷铜微带板上，因此所占面积较大，同样很难满足高集成无线通讯终端对滤波器等射频元器件严苛的体积要求。

因此，需要一种体积紧凑、阻带带宽和抑制深度可调的高性能带阻滤波器，在复杂电磁环境下能应对多模通讯系统中不同频段的噪声和杂散进行抑制消除。

发明内容

本发明在于提供一种可调带阻滤波器，其能够缓解上述问题。

为了缓解上述的问题，本发明采取的技术方案如下：

一种可调带阻滤波器，包括内部设置有主体电路的带阻滤波器主体，所述主体电路电连接有多个电极，所述电极设置于所述带阻滤波器主体外部；

所述带阻滤波器主体外部设置有调谐元件，所述调谐元件与所述主体电路电连接，用于改变所述主体电路的传输零点；

所述主体电路基于低温共烧陶瓷工艺制造而成。

本技术方案的技术效果是：

1)体积小；基于低温共烧陶瓷(LTCC)技术，使滤波器电路结构紧凑，可重复性好，适用于如手机、数据卡等对体积要求严苛的无线通讯终端及射频前端；

2)在超小体积的结构下实现阻带带宽和带内抑制深度的灵活可调；通过改变外部调谐元件的值，可对带阻滤波器传输零点位置进行重新设定，方便滤波器在不同需求环境下在宽阻带和高抑制之间切换；

3)插入损耗小；

4)高选择性；滤波器在小体积内实现了较高的抑制水平，能有效滤除各种无用信号和噪声信号，降低各通信频道间的信号干扰。

进一步地，所述电极有四个，其中，包括作为信号输入端的第一电极、作为信号输出端的第二电极以及作为接地端的第三电极和第四电极。

本技术方案的技术效果是：相对于传统的单电极接地方式，本技术方案选用两个对称放置的接地端，可有效降低PCB电路板上接地过孔产生的寄生电感所带来的负面影响。

更进一步地，所述主体电路分为六层，且各层之间通过金属过孔连通；

所述主体电路包括输入等效电感、输出等效电感、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元以及一开路支节；

所述输入等效电感和输出等效电感布置于所述主体电路的第一层，所述输入等效电感的第一端与所述第一电极相连，所述输出等效电感的第一端与所述第二电极相连；

所述第一谐振单元和第四谐振单元的拓扑结构相同，且均分布于主体电路的第四、五、六层；

所述第二谐振单元和第三谐振单元的拓扑结构相同，且均分布于主体电路的第一、二、三层；

所述开路支节级联于第二谐振单元与第三谐振单元之间，并设置于主体电路的第四层。

本技术方案的技术效果是：将主体电路分散放置在六个图形层中，不仅可以尽量拉大不同谐振单元之间的距离，降低其不必要的耦合，同时还兼顾了整个电路芯片体积的紧凑性和完整性。

更进一步地，所述第一谐振单元包括位于主体电路第四层的第三等效电感、位于主体电路第五层的第五极板和位于主体电路第六层的接地极板，其中，所述第三等效电感的第一端通过第一过孔与所述输入等效电感的第二端相连，所述第三等效电感的第二端通过第六过孔与所述第五极板相连，所述第五极板和接地极板通过层间耦合构成第一等效电容；

所述第二谐振单元包括位于主体电路第一层的第一等效电感、位于主体电路第二层的第一极板和位于主体电路第三层的第三极板，其中，所述第一等效电感的第一端通过第一过孔与所述第一极板相连，所述第一等效电感的第二端通过第三过孔与所述第三极板相连，所述第一极板和第三极板通过层间耦合构成第二等效电容；

所述第三谐振单元包括位于主体电路第一层的第二等效电感、位于主体电路第二层的第二极板和位于主体电路第三层的第四极板，其中，所述第二等效电感的第一端通过第二过孔与所述第二极板相连，所述第二等效电感的第二端通过第四过孔与所述第四极板相连，所述第二极板和第四极板通过层间耦合构成第三等效电容；

所述第四谐振单元包括位于主体电路第四层的第四等效电感、位于主体电路第五层的第六极板和位于主体电路第六层的接地极板，其中，所述第四等效电感的第一端通过第二过孔与所述输出等效电感的第二端相连，所述第四等效电感的第二端通过第七过孔与所述第六极板相连，所述第六极板和接地极板通过层间耦合构成第四等效电容。

本技术方案的技术效果是：构成第四谐振单元的元件分别置于第四、第五和第六电路层，在保证了体积结构紧凑的前提下，尽量拉大各谐振元件之间的垂直距离，以减小不必要的寄生耦合影响。

更进一步地，所述主体电路第三层包括一用于级联的微带线，用于电气连接所述第三极板和第四极板，并通过第五过孔与所述开路支节相连接。

更进一步地，所述主体电路采用的内埋金属材料为钯银；和/或

所述主体电路的基板材料的介电常数为9.8；和/或

所述主体电路的基板材料的介电损耗正切角为0.003。

本技术方案的技术效果是：因为较高的介电常数可以缩小电路尺寸，但同时引入更大的寄生参数，因此本技术方案选择的LTCC陶瓷材料的介电常数为9.8，在最大限度缩小体积的同时还能保证较低的寄生效应。

更进一步地，所述带阻滤波器主体设置有第一顶层焊盘和第二顶层焊盘，所述调谐元件通过两焊盘与所述主体电路电连接。

本技术方案的技术效果是：方便操作，易于替换，实现了本技术方案带阻滤波器的阻带可调特性。

更进一步地，所述调谐元件串联于所述第一谐振单元和第四谐振单元之间，并与所述第三谐振单元和第二谐振单元并联。

更进一步地，所述调谐元件为多层电容/多层电感，或者为多层电容和多层电感的串/并联组合结构；所述调谐元件基于低温共烧陶瓷工艺或集成无源器件工艺制造而成。

本技术方案的技术效果是：该调谐元件可以跟本技术方案完美匹配，无缝连接，在保障性能的同时兼顾实际使用的可靠性和实用性。

更进一步地，所述主体电路第二层与第三层的间距、第五层与第六层的间距，均小于第一层与第二层的间距、第三层与第四层的间距以及第四层与第五层的间距。

本技术方案的技术效果是：拉大对耦合寄生效应敏感的电路层之间的距离，缩小对耦合寄生不敏感的电路层之间的距离，在保证电性能的同时兼顾更薄的厚度、更极致的小体积，以满足日益紧凑的无线通信终端对被动元件小型化、轻量化的追求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1(a)为本发明实施例的可调带阻滤波器的外部封装示意图；

图1(b)为本发明实施例的可调带阻滤波器的内部三维结构示意图；

图2为本发明实施例的可调带阻滤波器的等效电原理图；

图3为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第一层俯视示意图；

图4为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第二层俯视示意图；

图5为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第三层俯视示意图；

图6为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第四层俯视示意图；

图7为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第五层俯视示意图；

图8为本发明实施例的可调带阻滤波器主体的第六层俯视示意图；

图9为本发明实施例的调谐元件对阻带带宽和抑制深度的影响示意图；

图10为本发明实施例的可调带阻滤波器的示意性频率响应特性曲线图；

图中：1-带阻滤波器主体；2-第一电极；3-第二电极；4-第三电极；5-第四电极；6-第一顶层焊盘；7-第二顶层焊盘；8-调谐元件；9-输入等效电感；10-输出等效电感；11-第一等效电感；12-第二等效电感；13-第一极板；14-第二极板；15-第三极板；16-第四极板；17-第三等效电感；18-第四等效电感；19-开路支节；20-第五极板；21-第六极板；22-接地极板；23-第一过孔；24-第二过孔；25-第三过孔；26-第四过孔；27-第五过孔；28-第六过孔；29-第七过孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1～图10，本实施例所述可调带阻滤波器，包括内部设置有主体电路的带阻滤波器主体1；带阻滤波器主体1外部设置有调谐元件8，调谐元件8与主体电路电连接，用于改变主体电路的传输零点。

在本实施例中，主体电路和调谐元件8均设置为多层结构。主体电路和调谐元件8均基于低温共烧陶瓷(LTCC)工艺制造而成，基于低温共烧陶瓷工艺将各种无源器件掩埋在陶瓷介质中，在三维电路基板上实现各种等效元件的集成，使电路小型化与高密度化。可以使用高电导率的金属材料，如银、铜作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数。例如，可以采用银作为内埋金属材料，在烧结过程中不会氧化，可以无需电镀保护。LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，调谐元件8的长度与LTCC材料的介电常数的平方根成反比，为满足高频和高速的需求，可以采用陶瓷基板材料的介电常数为9.8，介电损耗正切角为0.003。

调谐元件8可以为多层电容/多层电感，或者为多层电容和多层电感的串/并联组合结构。

如图1、图2所示，主体电路电连接有四个电极，分别为作为信号输入端的第一电极2、作为信号输出端的第二电极3以及作为接地端的第三电极4和第四电极5，各电极设置于带阻滤波器主体1外部。带阻滤波器主体1设置有第一顶层焊盘6和第二顶层焊盘7，调谐元件8通过两焊盘与主体电路实现电连接。

主体电路分为六层，且各层之间通过金属过孔连通，金属过孔可以是通孔式过孔或掩埋式过孔。主体电路包括输入等效电感9、输出等效电感10、第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元以及一开路支节19。调谐元件8串联于第一谐振单元和第四谐振单元之间，并与第三谐振单元和第二谐振单元并联。

如图3～图8所示，输入等效电感9和输出等效电感10布置于主体电路的第一层，输入等效电感9的第一端与第一电极2相连，输出等效电感10的第一端与第二电极3相连；第一谐振单元和第四谐振单元的拓扑结构相同，它们左右镜像对称，且均分布于主体电路的第四、五、六层；第二谐振单元和第三谐振单元的拓扑结构相同，同样为左右镜像对称排布，且均分布于主体电路的第一、二、三层；开路支节19级联于第二谐振单元与第三谐振单元之间，并设置于主体电路的第四层。

第一谐振单元包括位于主体电路第四层的第三等效电感17、位于主体电路第五层的第五极板20和位于主体电路第六层的接地极板22，其中，第三等效电感17的第一端通过第一过孔23与输入等效电感9的第二端相连，第三等效电感17的第二端通过第六过孔28与第五极板20相连，第五极板20和接地极板22通过层间耦合构成第一等效电容。第二谐振单元包括位于主体电路第一层的第一等效电感11、位于主体电路第二层的第一极板13和位于主体电路第三层的第三极板15，其中，第一等效电感11的第一端通过第一过孔23与第一极板13相连，第一等效电感11的第二端通过第三过孔25与第三极板15相连，第一极板13和第三极板15通过层间耦合构成第二等效电容。

第三谐振单元包括位于主体电路第一层的第二等效电感12、位于主体电路第二层的第二极板14和位于主体电路第三层的第四极板16，其中，第二等效电感12的第一端通过第二过孔24与第二极板14相连，第二等效电感12的第二端通过第四过孔26与第四极板16相连，第二极板14和第四极板16通过层间耦合构成第三等效电容。

第四谐振单元包括位于主体电路第四层的第四等效电感18、位于主体电路第五层的第六极板21和位于主体电路第六层的接地极板22，其中，第四等效电感18的第一端通过第二过孔24与输出等效电感10的第二端相连，第四等效电感18的第二端通过第七过孔29与第六极板21相连，第六极板21和接地极板22通过层间耦合构成第四等效电容。

在本实施例中，主体电路第三层包括一用于级联的微带线，用于电气连接第三极板15和第四极板16，并通过第五过孔27与开路支节19相连接。

以上所述的相连为电气连接，多层电路的各层电路拓扑结构均可以设置为左右镜像对称。

在本实施例中，主体电路第二层与第三层的间距、第五层与第六层的间距，均小于第一层与第二层的间距、第三层与第四层的间距以及第四层与第五层的间距。

例如，第二层与第三层的间距、第五层与第六层的间距可以设置为相同，如0.02mm，第一层与第二层的间距设置为0.2mm，第三层与第四层的间距设置为0.15mm，第四层与第五层的间距设置为0.18mm。

可以利用等效电路法计算滤波器中各元件的值，然后通过电路变换得到实际所需滤波器的电路结构和元件值。

如图2所示，整个电路拓扑结构呈左右镜像对称。输入等效电感9与输出等效电感10感值相同，标示为L1。第三等效电感17与第四等效电感18感值相同，标示为L2。第一等效电感11与第二等效电感12感值相同，标示为L3。第五极板20和接地极板22构成的第一等效电容与第六极板21和接地极板22构成的第四等效电容容值相同，标示为C2。第一极板13和第三极板15耦合构成的第二等效电容与第二极板14和第四极板16耦合构成的第三等效电容容值相同，标示为C3。在本实施例中，调谐元件8选用的是多层电容。

任意网络信号可以分解为奇模信号和偶模信号的叠加，奇模分析相当于在两段线之间加一个地并施加奇模激励，偶模分析则是在两条线之间做开路处理，并施加偶模激励。奇偶模分析的核心是解耦，由于本实施例可调带阻滤波器的电路拓扑结构呈左右镜像对称，因此可根据图2所示等效电原理图对本实施例滤波器进行奇偶模分析，具体如下：

可得到滤波器的回波损耗S₁₁和传输损耗S₂₁如下所示：

S₂₁＝Y₀(Y_odd-Y_even)/[(Y₀+Y_even)(Y₀+Y_odd)] (2)

其中Y₀为特征导纳，Y_odd为奇模导纳，Y_even为偶模导纳，有下列等式成立：

Y_odd＝Y_o1+Y_o2+Y_o3 (3)

Y_even＝Y_e1+Y_e2 (4)

其中

Y_o2＝2jωC₁ (6)

其中，Z_L和θ_L分别为开路支节19的特性阻抗和电长度，通过将等式(3)～(9)代入等式(1)和(2)，并设定S₂₁＝0，可得到传输零点位置由下列等式决定：

由此，通过改变外部多层电容C1的值，可以改变带阻滤波器的传输零点，从而调节带阻滤波器的阻带带宽和带内抑制深度。

下面以阻带频率为3～4GHz的带阻滤波器的调谐为例。如图9所示，当滤波器主体各元件值不变，外部多层电容C1的容值从0.56pF下降至0.33pF，滤波器的阻带宽度减小但抑制程度大幅增加。该变化趋势意味着可根据不同应用环境的需要，在阻带范围和抑制深度之间做平衡选择，这就为滤波器的实际应用提供了极大的灵活性和便利性。

在本实施例中，图2所示的各项等效元件值设置如下：C1＝0.32pF,C2＝0.78pF，C3＝0.99pF，L1＝0.2nH，L2＝2.54nH，L3＝1.73nH，ZL＝89Ω，θL＝31°。

经过低温共烧陶瓷工艺制造，整个带阻滤波器主体1的体积可以仅为1.6mm×0.8mm×0.6mm，其外部的多层电容的体积可以仅为0.6mm×0.5mm×0.3mm。

测试结果如图10所示，本实施例所述滤波器从3.02GHz至4.23GHz实现了超过20dB的阻带抑制，阻带的相对带宽达到33％。通带方面，从DC至2GHz的插损低于0.8dB，从5GHz至8GHz的插损低于0.6dB，体现了良好的传输特性。可见该滤波器除了体积小，插损低，还具有良好的频率选择性和阻带抑制特性。

由上述实施例可以知道，本发明提供了一种基于LTCC多层电路的超小型可调带阻滤波器，通过改变调谐元件的值，可根据需求调节带阻滤波器的传输零点位置，以便在阻带范围和抑制深度之间做平衡取舍，设计灵活，调谐方便。具有小体积、低插损、高抑制、阻带特性可调、插入损耗小等优异性能，易于与其他电路模块进行集成，在新一代无线通讯领域具有广阔的应用前景，能够对多个频段的杂散信号和谐波干扰进行抑制，适用于新一代5G移动通信技术中采用N77、N78和N79等频段的移动终端。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可调带阻滤波器，包括内部设置有主体电路的带阻滤波器主体，所述主体电路电连接有多个电极，其特征在于，

所述电极设置于所述带阻滤波器主体外部；

所述主体电路基于低温共烧陶瓷工艺制造而成。

2.根据权利要求1所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述电极有四个，其中，包括作为信号输入端的第一电极、作为信号输出端的第二电极以及作为接地端的第三电极和第四电极。

3.根据权利要求2所述的可调带阻滤波器，其特征在于，

所述主体电路分为六层，且各层之间通过金属过孔连通；

4.根据权利要求3所述的可调带阻滤波器，其特征在于，

所述第一谐振单元包括位于主体电路第四层的第三等效电感、位于主体电路第五层的第五极板和位于主体电路第六层的接地极板，其中，所述第三等效电感的第一端通过第一过孔与所述输入等效电感的第二端相连，所述第三等效电感的第二端通过第六过孔与所述第五极板相连，所述第五极板和接地极板通过层间耦合构成第一等效电容；

5.根据权利要求4所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述主体电路第三层包括一用于级联的微带线，用于电气连接所述第三极板和第四极板，并通过第五过孔与所述开路支节相连接。

6.根据权利要求4所述的可调带阻滤波器，其特征在于，

所述主体电路采用的内埋金属材料为钯银；和/或

所述主体电路的基板材料的介电常数为9.8；和/或

所述主体电路的基板材料的介电损耗正切角为0.003。

7.根据权利要求3所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述带阻滤波器主体设置有第一顶层焊盘和第二顶层焊盘，所述调谐元件通过两焊盘与所述主体电路电连接。

8.根据权利要求7所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述调谐元件串联于所述第一谐振单元和第四谐振单元之间，并与所述第三谐振单元和第二谐振单元并联。

9.根据权利要求8所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述调谐元件为多层电容/多层电感，或者为多层电容和多层电感的串/并联组合结构；所述调谐元件基于低温共烧陶瓷工艺或集成无源器件工艺制造而成。

10.根据权利要求3所述的可调带阻滤波器，其特征在于，所述主体电路第二层与第三层的间距、第五层与第六层的间距，均小于第一层与第二层的间距、第三层与第四层的间距以及第四层与第五层的间距。