CN111628255A - 一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，信号层上设置有SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路，所述信号层与所述第一金属层耦合连接，所述第一金属层为缺陷结构金属层，所述第二金属层为接地金属层，所述第一金属层与所述第二金属层组成封装缺陷地结构PDGS。第一金属层和第二金属层构成PDGS结构，该结构相对于传统的DGS结构增加了一层额外的地层，可以将电磁场限制在一个准腔体中，故而可以减小辐射损耗，从而降低滤波器的插入损耗。相对于传统的DGS结构而言，增加的额外一层地层使得传输线的分布电容增大，从而同样尺寸的情况下谐振频率左移，更容易实现小型化。

Description

一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器

技术领域

本申请涉及带通滤波器技术领域，具体涉及一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器。

背景技术

随着人们对无线通信设备日益增长的需求，无线通信设备逐渐涉及到生活的方方面面。因而电磁频谱变得日益拥挤，不同设备之间的干扰成为急需解决的难题。而带通滤波器是通信系统中重要的器件之一，在通信系统中起着选频、抑制其他频段信号的作用。因此，在电磁环境日益复杂的今天，具有宽阻带抑制的小型化带通滤波器成了一个热门的研究方向。在现有的设计中，最常用的是采用缺陷地结构(Defected Ground Structure，DGS)、阻抗阶跃谐振器(Stepped impedance resonator，SIR)结构来实现宽阻带以及小型化。

使用DGS结构的目的是破坏接地平面上电流传输，从而影响传输线特性的变化(如电容和电感)，进而改变电流的传输，以产生慢波效应和带阻效应。同时，对于滤波器的应用，DGS结构会影响一定频率或带隙的抑制。因此，DGS结构对于滤波器的小型化以及宽阻带的实现有显著的作用。该技术是基于微带与DGS结构单元的叉指耦合构成的紧凑型带通滤波器，微带层和DGS层共用同一基板和信号地线，尺寸紧凑。同时，每个单元由一个微带贴片和一个弯曲阶梯波阻抗DGS组成，微带贴片的顶部有两个短的短截头，底部有一个弯曲阶梯波阻抗DGS。对于DGS结构构造的滤波器，虽然一定程度上可以实现宽阻带与小型化，但是插损较大，并且无法实用，DGS结构使用环境需要基板的上下层均为空旷的空间，否则会极大的影响其工作性能，和大部分的实际应用冲突。

SIR结构的滤波器由于具有尺寸紧凑性以及可以控制第一谐振频率和较高谐振频率之间比值的灵活性，被广泛应用于各种需要有宽阻带响应的带通滤波器的设计中。通常，这些滤波器主要由半波长或四分之一波长的阻抗阶跃谐振器组成，通过阻抗阶跃实现谐波频率的改变，从而使得谐波和基波不再满足整数倍的关系，即谐波有可能被推高，从而扩展二次谐波和高次谐波，达到拓宽上阻带的效果。该技术提出了一种新型的阶跃式阻抗谐振器(SIR)和衬底集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line，SICL)技术结合实现的宽阻带带通滤波器。杂散阶跃阻抗谐振器(Spur Stepped Impedance Resonator，SSIR)是一种非均匀谐振腔，通常由高阻抗和低阻抗两部分组成，此外，SSIR在低阻抗部分的中心有一个额外的类似于杂散的槽，从而具有新的特性。利用SICL技术，这种SSIR被夹在两个接地介质层之间，有金属阵列接地。SSIR具有抑制和错开杂散的能力，无需复杂的微调。但是，SIR很难应用于宽带滤波器的阻带抑制，宽带滤波器需要较强的耦合，往往在现有的加工条件下，SIR结构很难形成较好的阻带，并且SIR构造的滤波器尺寸较大。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，包括：信号层、第一金属层和第二金属层，所述信号层上设置有SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路，所述信号层与所述第一金属层耦合连接，所述第一金属层为缺陷结构金属层，所述第二金属层为接地金属层，所述第一金属层与所述第二金属层组成封装缺陷地结构PDGS。

采用上述实现方式，第一金属层和第二金属层构成PDGS结构，增加了一层额外的地层，可以将电磁场限制在一个准腔体中，故而可以减小辐射损耗，从而降低滤波器的插入损耗。相对于传统的DGS结构而言，增加的额外一层地层使得传输线的分布电容增大，从而同样尺寸的情况下谐振频率左移，更容易实现小型化。

结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述第一金属层中间位置缺陷处理后形成一个凸字形金属片，所述凸字形金属片的窄端边与所述第一金属层的主体固定连接，其余边与所述第一金属层的主体之间存在间隙。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述凸字形金属片宽端侧的长度为7.68-8.58mm，宽度为6.05-6.08mm，所述宽端侧的两个宽边与所述第一金属层的主体之间的间隙为0.2-0.22mm，所述凸字形金属片窄端侧的长度为3.36-3.40mm，宽度为0.14-0.34mm。

结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第一金属层环绕所述凸字形金属片设置有第一过孔，所述第二金属层对应所述第一过孔设置有第二过孔，所述第一过孔和所述第二过孔之间设置有第一金属连接柱。

结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述信号层对应所述第一过孔设置有第三过孔，所述第三过孔上设置有金属垫片，所述第一过孔和所述第三过孔之间设置有第二金属连接柱，所述第二金属连接柱分别与所述第一金属层和所述金属垫片相连接。

结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述信号层与所述第一金属层之间设置有第一介质层和第二介质层，所述第一介质层分别与所述信号层和所述第二介质层的一面相连接，所述第二介质层的另一面与所述第一金属层相连接，所述第一金属层和所述第二金属层之间设置有第三介质层。

结合第一方面第五种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述第一介质层的厚度为0.508-0.6mm，所述第二介质层的厚度为0.101-0.103mm，所述第三介质层的厚度为0.508-0.6mm。

结合第一方面，在第一方面第七种可能的实现方式中，所述SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路均设置有两组，分别对称分布在所述信号层的中心线两侧，所述SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路从所述信号层的中心线到信号层的边缘依次分布。

结合第一方面第七种可能的实现方式，在第一方面第八种可能的实现方式中，设置在所述信号层的中心线两侧的所述SIR谐振器之间的距离为0.36-0.76mm。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的信号层的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的阻带性能仿真示意图；

图4为本申请实施例提供的阻带性能仿真示意图；

图5为本申请实施例提供的一种带通滤波器端口参数的仿真示意图；

图6为本申请实施例提供的另一种带通滤波器端口参数仿真示意图；

图7为本申请实施例提供的又一种带通滤波器端口参数仿真示意图；

图8为本申请实施例提供的第二金属层的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的介质层的结构示意图；

图10为本申请实施例提供的功分器的结构示意图；

图1-10中，符号表示为：

1-信号层，2-第一金属层，3-第二金属层，4-SIR谐振器，5-非对称阶跃短截线，6-馈电线路，7-凸字形金属片，8-第一过孔，9-第二过孔，10-第三过孔，11-金属垫片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。

图1为本申请实施例提供的一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器的结构示意图，参见图1，本实施例中的带通滤波器包括：信号层1、第一金属层2和第二金属层3，所述信号层1上设置有SIR谐振器4、非对称阶跃短截线5和馈电线路6。

参见图2，所述SIR谐振器4、非对称阶跃短截线5和馈电线路6均设置有两组，分别对称分布在所述信号层1的中心线两侧，所述SIR谐振器4、非对称阶跃短截线5和馈电线路6从所述信号层1的中心线到信号层1的边缘依次分布。其中，设置在所述信号层1的中心线两侧的所述SIR谐振器4之间的距离S1为0.36-0.76mm。

馈电线路6为50Ω输入/输出(I/O)端口的馈电线路6，在靠近输入/输出端口处加入两个非对称阶跃短截线5进一步改善阻带性能，如图3所示。

所述信号层1与所述第一金属层2耦合连接，所述第一金属层2为缺陷结构金属层，所述第二金属层3为接地金属层，所述第一金属层2与所述第二金属层3组成封装缺陷地结构PDSG。

信号层1上有两个谐振器，第一金属层2和第二金属层3组成的PDGS形成第三个谐振器，信号层1上的两个谐振器与第三个谐振器存在交叉耦合，从而可以在滤波器通带低频处产生一个传输零点，通过改变信号层1上有两个谐振器之间的距离S1，可以改变通带低频处的传输零点所对应的频率，如图4所示。

参见图5，所述第一金属层2中间位置缺陷处理后形成一个凸字形金属片7，所述凸字形金属片7的窄端边与所述第一金属层2的主体固定连接，其余边与所述第一金属层2的主体之间存在间隙。

所述凸字形金属片7宽端侧的长度为l1为7.68-8.58mm，宽度为d1为6.05-6.08mm，所述宽端侧的两个宽边与所述第一金属层2的主体之间的间隙为s2为0.2-0.22mm，所述凸字形金属片7窄端侧的长度l2为3.36-3.40mm，宽度d2为0.14-0.34mm。

这里l1和s2影响两个馈电线路6对应的第一端口和第二端口的参数，具体为第二端口匹配时，第一端口的反射系数|S11|和第一端口到第二端口的正向传输系数|S21|。具体参见图6和图7，本实施例中分别将l1取值为7.68mm、8.18mm和8.58mm，d2取值为0.14mm、0.24mm和0.34mm进行仿真实验，确定l1和d2变化时对应的|S11|和|S21|变化。而且随着s2的增大，该PDGS产生的谐振频率会右移，随着了l1的增大，该PDGS产生的谐振频率会左移。

参见图5和图8所述第一金属层2环绕所述凸字形金属片7设置有第一过孔8，所述第二金属层3对应所述第一过孔8设置有第二过孔9，所述第一过孔8和所述第二过孔9之间设置有第一金属连接柱。

进一步参见图2，所述信号层1对应所述第一过孔8设置有第三过孔10，所述第三过孔10上设置有金属垫片11，所述第一过孔8和所述第三过孔10之间设置有第二金属连接柱，所述第二金属连接柱分别与所述第一金属层2和所述金属垫片11相连接。

参见图9，所述信号层1与所述第一金属层2之间设置有第一介质层和第二介质层，所述第一介质层分别与所述信号层1和所述第二介质层的一面相连接，所述第二介质层的另一面与所述第一金属层2相连接，所述第一金属层2和所述第二金属层3之间设置有第三介质层。

具体地，所述第一介质层的厚度h1为0.508-0.6mm，所述第二介质层的厚度h2为0.101-0.103mm，所述第三介质层h3的厚度为0.508-0.6mm。而且三个介质层的介电常数不同，带通滤波器在相同性能下，采用不同介电常数对应的介质，其厚度会发生变化。

本实施例中采用的是介电常数小、损耗小的、适用于高频率时实现高性能材料的介质，其中第一介质层和第三介质层采用RT4350材料，介质常数为3.66、第二介质层采RT4003材料，介质常数为3.52。

本实施例提供的带通滤波器采用上下层金属层之间的耦合作为谐振器之间的耦合，从而可以实现宽带性能。通过在地金属层放置图案来改变在滤波器地平面中流动的电流的性质，使电路衬底介质基板的有效介电常数发生变化，从而使微带线或共面波导等传输线的分布电感和电容增大，使得部分频段范围之内的电磁波会被阻止而无法继续传播，从而将谐波推高，使得阻带性能较好。

采用本实施例中的带通滤波器以1.695GHz为中心频率，低插入损耗(带内插入损耗为0.5dB)、宽带宽(1dB分数带宽为67.8％)，在0.006122(其中λg为1.685GHz对应的波长)的紧凑尺寸下，阻带更宽(阻带可以扩展到12.98f0，抑制电平可以达到-17.8dB以下；扩展至5.37f0，带外抑制可以达到-30dB以下)。

本实施例中的带通滤波器还可以应用在功分器中，如图10所示。采用两个滤波器来替代传统结构中的输出端口的两个阻抗变换器，即滤波器要求实现滤波和阻抗变换的功能，将两个滤波器与威尔金森功分器结合在一起，就可以实现功率分配与滤波的性能。第一金属层与第二金属层通过过孔相连，且二者均为地层，将该方案应用于这种功分器的设计中，有利于实现小型化和宽阻带。

由上述实施例可知，本申请实施例提供的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，第一金属层2和第二金属层3构成PDGS结构，增加了一层额外的地层，可以将电磁场限制在一个准腔体中，故而可以减小辐射损耗，从而降低滤波器的插入损耗。相对于传统的DGS结构而言，增加的额外一层地层使得传输线的分布电容增大，从而同样尺寸的情况下谐振频率左移，更容易实现小型化。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，包括：信号层、第一金属层和第二金属层，所述信号层上设置有SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路，所述信号层与所述第一金属层耦合连接，所述第一金属层为缺陷结构金属层，所述第二金属层为接地金属层，所述第一金属层与所述第二金属层组成封装缺陷地结构PDGS。

2.根据权利要求1所述的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述第一金属层中间位置缺陷处理后形成一个凸字形金属片，所述凸字形金属片的窄端边与所述第一金属层的主体固定连接，其余边与所述第一金属层的主体之间存在间隙。

3.根据权利要求2所述的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述第一金属层环绕所述凸字形金属片设置有第一过孔，所述第二金属层对应所述第一过孔设置有第二过孔，所述第一过孔和所述第二过孔之间设置有第一金属连接柱。

4.根据权利要求3所述的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述信号层对应所述第一过孔设置有第三过孔，所述第三过孔上设置有金属垫片，所述第一过孔和所述第三过孔之间设置有第二金属连接柱，所述第二金属连接柱分别与所述第一金属层和所述金属垫片相连接。

5.根据权利要求4所述的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述信号层与所述第一金属层之间设置有第一介质层和第二介质层，所述第一介质层分别与所述信号层和所述第二介质层的一面相连接，所述第二介质层的另一面与所述第一金属层相连接，所述第一金属层和所述第二金属层之间设置有第三介质层。

6.根据权利要求1所述的基于封装缺陷地结构的紧凑型宽阻带带通滤波器，其特征在于，所述SIR谐振器、非对称阶跃短截线和50Ω馈电线路均设置有两组，分别对称分布在所述信号层的中心线两侧，所述SIR谐振器、非对称阶跃短截线和馈电线路从所述信号层的中心线到信号层的边缘依次分布。

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