CN111786061B

CN111786061B - 一种具有耦合开关的介质开关滤波器

Info

Publication number: CN111786061B
Application number: CN202010766046.XA
Authority: CN
Inventors: 秦伟; 张朋飞; 刘疆; 陈建新
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2020-08-03
Filing date: 2020-08-03
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2040-08-03
Also published as: CN111786061A

Abstract

本发明提供了一种具有耦合开关的介质开关滤波器，包括：至少两个介质谐振器；以及PCB电路板，覆盖在所述介质谐振器上，所述PCB电路板上设有刻蚀孔；耦合结构，设置在所述PCB电路板上，所述耦合结构包括金属带条以及金属探针；至少两个二极管，设置在所述PCB电路板上；以及金属焊盘，与电源连接，设置在所述PCB电路板上，通过偏置电阻与所述金属带条连接。本发明的一种具有耦合开关的介质开关滤波器，将PCB电路板作为介质滤波器的盖子，并在PCB电路板上集成二极管来控制谐振器之间耦合的关和开，从而实现介质开关滤波器的功能，同时保持了介质滤波器低损耗、高功率容量等优势，避免了介质开关滤波器体积增加，结构简单易于安装调试。

Description

一种具有耦合开关的介质开关滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，具体涉及一种具有耦合开关的介质开关滤波器。

背景技术

随着无线通信的不断发展，介质滤波器由于具有损耗低、功率容量高、工作频率稳定性好等优点，成为目前5G通信系统基站的主流选择。5G通信系统，作为一种时分复用系统，需要射频开关，以用于信号发射与接收之间的切换，可实现共用天线的目的，从而大大减小产品的尺寸，因此射频开关也是5G通信系统中必不可少的器件。通常，射频开关和介质滤波器之间采用级联结构来实现对滤波器的开和关，这种级联结构存在损耗大、体积大和隔离度低等问题。为了克服这些问题，开关滤波器的概念被提出来，即在一个元件上实现滤波和开关的功能融合。目前，在滤波器上实现开关功能有三种方案：一、开关馈电结构；二、开关谐振器的谐振频率；三、开关谐振器之间的耦合。这三种方案均需要使用二极管或晶体管来实现开关，而现有介质滤波器结构很难与二极管或晶体管集成。因此，目前还没有介质开关滤波器被设计出来，大部分开关滤波器都是用微带结构实现的。为满足5G的发展需求，特别是基站建设的要求，设计一种具有损耗低、重量轻、工作稳定性好等优点的介质开关滤波器就显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种具有耦合开关的介质开关滤波器，将PCB电路板作为介质滤波器的盖子，并在PCB电路板上集成二极管来控制谐振器之间耦合的关和开，从而实现介质开关滤波器的功能，同时保持了介质滤波器低损耗、高功率容量等优势，避免了介质开关滤波器体积增加，结构简单易于安装调试。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种具有耦合开关的介质开关滤波器，包括：至少两个介质谐振器，每个所述介质谐振器设有一个介质体，所述介质体的外壁与所述介质谐振器的内壁形成了凹槽，所述介质谐振器的外壁通过连接部连接，所述介质谐振器的外壁以及所述介质谐振器的顶面覆盖第一导电层；PCB电路板，覆盖在所述介质谐振器上，所述PCB电路板的下表面覆盖第二导电层，所述PCB电路板的上表面设置金属地层，所述PCB电路板上还设置若干个金属化通孔，所述金属化通孔将所述第二导电层与所述金属地层连接，所述PCB电路板上设有刻蚀孔；耦合结构，设置在所述PCB电路板上，所述耦合结构包括金属带条以及金属探针，每个所述金属探针的一端穿过一个所述刻蚀孔伸入一个所述凹槽，每个所述金属探针的另一端与所述金属带条的一端连接，所述金属带条设置在所述PCB电路板上；至少两个二极管，设置在所述PCB电路板上，每个所述二极管的一端与所述金属带条连接，每个所述二极管的另一端与所述金属地层连接；以及金属焊盘，与电源连接，设置在所述PCB电路板上，通过偏置电阻与所述金属带条连接。

进一步地，多个所述介质谐振器一体成型，把每个所述介质谐振器的侧壁与所述介质体间的部分挖除形成所述凹槽。

进一步地，所述介质开关滤波器包括：两个所述介质谐振器、两个所述金属探针、一个所述金属带条、两个所述二极管以及一个所述金属焊盘，所述耦合结构、所述二极管、所述金属焊盘以及所述偏置电阻轴对称分布，所述对称轴穿过所述金属带条的中心与所述金属带条的两长边垂直。

进一步地，p_pin为每个所述二极管到所述金属带条的中心的横向距离，p_via为每个所述金属探针的圆心到所述金属带条的中心的横向距离，所述PCB电路板的厚度为h，p_pin、p_via以及h存在如下关系：

进一步地，所述介质体为圆柱体，所述介质体的底端设于所述介质谐振器的底壁，所述介质体的轴线与所述介质谐振器的底壁垂直。

进一步地，所述刻蚀孔包括第一刻蚀孔以及第二刻蚀孔，所述金属探针包括第一金属探针以及第二金属探针，所述凹槽包括第一凹槽以及第二凹槽，所述第一金属探针的一端穿过所述第一刻蚀孔伸入所述第一凹槽，所述第一金属探针的另一端与所述金属带条的一端连接，所述第二金属探针的一端穿过所述第二刻蚀孔伸入所述第二凹槽，所述第二金属探针的另一端与所述金属带条的另一端连接。

进一步地，所述介质谐振器的材质为陶瓷。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明的一种具有耦合开关的介质开关滤波器，将PCB电路板作为介质滤波器的盖子，并在PCB电路板上集成二极管来控制谐振器之间耦合的关和开，从而实现介质开关滤波器的功能，同时保持了介质滤波器低损耗、高功率容量等优势，避免了介质开关滤波器体积增加，结构简单易于安装调试，同时具有高的隔离度。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的具有耦合开关的介质开关滤波器结构透视爆炸图；

图2所示为本发明一实施例的介质开关滤波器在开关时的耦合系数曲线图：(a)p_via＝7.95mm；(b)p_via＝6.35mm；

图3所示为本发明一实施例的具有耦合开关的二阶介质开关滤波器结构透视爆炸图；

图4所示为本发明一实施例的具有耦合开关的二阶介质开关滤波器开关时仿真结果；

图5所示为本发明一实施例的具有耦合开关的四阶介质开关滤波器结构透视爆炸图；

图6所示为本发明一实施例的具有耦合开关的四阶介质开关滤波器开关时仿真结果。

图中附图标记

1-介质谐振器、11-介质体、121-第一凹槽、122-第二凹槽、13-连接部、2-PCB电路板、21-金属化通孔、22-金属地层、231-第一刻蚀孔、232-第二刻蚀孔、31-金属带条、321-第一金属探针、322-第二金属探针、4-二极管、5-金属焊盘、6-偏置电阻。

具体实施方式

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。

本实施例提供了一种具有耦合开关的介质开关滤波器，如图1所示，至少两个介质谐振器1、PCB电路板2、耦合结构、至少两个二极管4以及至少一个金属焊盘5，所述PCB电路板2覆盖在所述介质谐振器1上，所述耦合结构设置在所述PCB电路板上，所述二极管4设置在所述PCB电路板2上，所述金属焊盘5与电源连接，设置在所述PCB电路板2上。

所述介质谐振器1可以为两个、四个或更多，用户可根据滤波选择性的需要自行选用，一般地，滤波选择性需求越高，谐振器的个数越多。本发明以两个所述介质谐振器1进行说明，每个所述介质谐振器1包括一个介质体11以及一个凹槽，所述介质体11的外壁与所述介质谐振器1的内壁形成了凹槽，两个所述介质谐振器1的外壁通过连接部13连接，所述介质谐振器1的外壁以及所述介质谐振器1的顶面覆盖第一导电层。优选两个所述介质谐振器1一体成型，把每个所述介质谐振器1的侧壁与所述介质体11间的部分挖除形成所述凹槽。所述凹槽包括第一凹槽121以及第二凹槽122，分别设置于两个所述介质谐振器1内。所述介质体11为圆柱体，所述介质体11的底端设于所述介质谐振器1的底壁，所述介质体11的轴线与所述介质谐振器1的底壁垂直。所述介质谐振器1的材质为陶瓷。

所述PCB电路板2的下表面覆盖第二导电层，所述第一导电层以及所述第二导电层形成金属闭合结构，将所述介质谐振器1包在其中。所述PCB电路板2的上表面设置金属地层22，所述PCB电路板2上设有至少两个刻蚀孔，以两个所述刻蚀孔进行说明，所述刻蚀孔分别为第一刻蚀孔231以及第二刻蚀孔232。所述PCB电路板2上还设置若干个金属化通孔21，所述金属化通孔21将所述第二导电层与所述金属地层22连接。

每个所述耦合结构包括金属带条31以及两个金属探针，所述金属带条31设置在所述PCB电路板2上。本发明以两个金属探针进行说明，每个所述金属探针的一端穿过一个所述刻蚀孔伸入一个所述凹槽，每个所述金属探针的另一端与所述金属带条的一端连接。所述金属探针包括第一金属探针321以及第二金属探针322，所述第一金属探针321的一端穿过所述第一刻蚀孔231伸入所述第一凹槽121，所述第一金属探针321的另一端与所述金属带条31的一端连接，所述第二金属探针322的一端穿过所述第二刻蚀孔232伸入所述第二凹槽122，所述第二金属探针322的另一端与所述金属带条31的另一端连接。

本发明以两个所述二极管4进行说明，每个所述二极管4的一端与所述金属带条31连接，每个所述二极管4的另一端与所述金属地层22连接。两个所述二极管4的连线与所述金属带条31平行，每个所述二极管4到所述金属带条31的中心距离相同。

所述金属焊盘5通过偏置电阻6与所述金属带条31连接。当所述金属焊盘5上加载的电压使得所述二极管4处于截止状态时，所述耦合结构正常工作，即耦合处于打开状态；当金属焊盘5上加载的电压使得所述二极管4处于导通状态时，所述耦合结构不工作，即耦合处于关闭状态。所述耦合结构、两个所述二极管4、所述金属焊盘5以及偏置电阻6轴对称分布，所述对称轴穿过所述金属带条31的中心与所述金属带条31的两长边垂直。

为了验证本发明所提出的耦合可开关结构，我们对其打开和关闭两个状态分别进行了耦合系数的提取，如图2所示，p_pin为每个所述二极管4到所述金属带条31的中心的横向距离，p_via为每个所述金属探针的圆心到所述金属带条31的中心的横向距离，设置所述PCB电路板的厚度h＝0.508mm。

当p_via＝7.95mm时，提取的耦合系数如图2a所示，可以看出，打开状态时耦合系数随着p_pin的变化基本在0.04左右变化，关闭状态时耦合系数比打开状态的耦合系数小一个数量级左右。且在p_pin在5.6mm左右取最小值，即关的最优状态。

当p_via＝6.35mm时，提取的耦合系数如图2b所示，可以看出，打开状态时耦合系数随着p_pin的变化基本也在0.04左右变化，关闭状态时耦合系数也比打开状态的耦合系数小一个数量级左右，且在p_pin在4.5mm左右取最小值，即关的最优状态。

p_pin、p_via与h之间存在如下关系：

即，二极管到金属带条中心的距离约为金属探针到金属带条中心的距离与PCB电路板厚度之和的三分之二时，耦合可开关结构的关的状态最优。

如图3所示为本发明的另一种实施方案，为二阶介质开关滤波器，在上述方案的基础上，增设两个所述金属带条31以及两个所述金属探针，每个新增的所述金属探针的一端与新增的所述金属带条31的一端连接，每个新增的所述金属探针的另一端穿过所述刻蚀孔伸入所述凹槽，新增的所述金属带条31的另一端位于所述PCB电路板2的边缘。

如图4所示，所述二阶介质开关滤波器通带从3400MHz到3500MHz，端口1和端口2之间的隔离优于17dB。验证了本发明提供的通过开关耦合来实现介质开关滤波器的方案是可行的。

如图5所示为本发明的另一种实施方案，为四阶介质开关滤波器，在该实例中，使用了三个耦合可开关结构(所述耦合可开关结构个数＝滤波器阶数-1)，大大改善了关闭状态下的隔离。

如图6所示，给出了所述四阶介质开关滤波器在打开和关闭状态下的仿真结果。可以看到，该介质开关滤波器的滤波通带从3400MHz到3500MHz，当通带关闭时，端口1和端口2之间的隔离优于55dB，验证了本发明提供的利用耦合可开关结构来实现高隔离介质开关滤波器的可行性与实用性。对于更高阶的介质滤波器，本发明可以在不增加体积和损耗的情况下加入更多的耦合可开关结构，从而实现更高的隔离度，因此本发明适合任意阶数的介质开关滤波器的应用，这也完全符合5G时代对高性能介质滤波器的发展要求。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，包括：

至少两个介质谐振器(1)，每个所述介质谐振器(1)设有一个介质体(11)，所述介质体(11)的外壁与所述介质谐振器(1)的内壁形成了凹槽，所述介质谐振器(1)的外壁通过连接部(13)连接，所述介质谐振器(1)的外壁以及所述介质谐振器(1)的顶面覆盖第一导电层；

PCB电路板(2)，覆盖在所述介质谐振器(1)上，所述PCB电路板(2)的下表面覆盖第二导电层，所述PCB电路板(2)的上表面设置金属地层(22)，所述PCB电路板(2)上还设置若干个金属化通孔(21)，所述金属化通孔(21)将所述第二导电层与所述金属地层(22)连接，所述PCB电路板(2)上设有刻蚀孔；

耦合结构，设置在所述PCB电路板(2)上，所述耦合结构包括金属带条(31)以及金属探针，每个所述金属探针的一端穿过一个所述刻蚀孔伸入一个所述凹槽，每个所述金属探针的另一端与所述金属带条(31)的一端连接，所述金属带条(31)设置在所述PCB电路板(2)上；

至少两个二极管(4)，设置在所述PCB电路板(2)上，每个所述二极管(4)的一端与所述金属带条(31)连接，每个所述二极管(4)的另一端与所述金属地层(22)连接；以及

金属焊盘(5)，与电源连接，设置在所述PCB电路板(2)上，通过偏置电阻(6)与所述金属带条(31)连接;

其中，所述介质谐振器(1)具有两个、所述金属探针具有两个、一个所述金属带条(31)、两个所述二极管(4)以及一个所述金属焊盘(5)，所述耦合结构、所述二极管(4)、所述金属焊盘(5)以及所述偏置电阻(6)轴对称分布，对称轴穿过所述金属带条(31)的中心与所述金属带条(31)的两长边垂直。

2.根据权利要求1所述的具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，多个所述介质谐振器(1)一体成型，把每个所述介质谐振器(1)的侧壁与所述介质体(11)间的部分挖除形成所述凹槽。

3.根据权利要求1所述的具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，p_pin为每个所述二极管(4)到所述金属带条(31)的中心的横向距离，p-via为每个所述金属探针的圆心到所述金属带条(31)的中心的横向距离，所述PCB电路板(2)的厚度为h，p_pin、p-via以及h存在如下关系：

4.根据权利要求1所述的具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，所述介质体(11)为圆柱体，所述介质体(11)的底端设于所述介质谐振器(1)的底壁，所述介质体(11)的轴线与所述介质谐振器(1)的底壁垂直。

5.根据权利要求1所述的具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，所述刻蚀孔包括第一刻蚀孔(231)以及第二刻蚀孔(232)，所述金属探针包括第一金属探针(321)以及第二金属探针(322)，所述凹槽包括第一凹槽(121)以及第二凹槽(122)，所述第一金属探针(321)的一端穿过所述第一刻蚀孔(231)伸入所述第一凹槽(121)，所述第一金属探针(321)的另一端与所述金属带条(31)的一端连接，所述第二金属探针(322)的一端穿过所述第二刻蚀孔(232)伸入所述第二凹槽(122)，所述第二金属探针(322)的另一端与所述金属带条(31)的另一端连接。

6.根据权利要求1所述的具有耦合开关的介质开关滤波器，其特征在于，所述介质谐振器(1)的材质为陶瓷。