CN112164846B - 一种毫米波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种毫米波带通滤波器，包括五个金属层、三个介质层和七个感性耦合窗。其中，第一金属层、第一介质层和第二金属层为印刷电路板电路，构成第一个谐振器、第六个谐振器和输入输出端口。第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层、第五金属层为多层LTCC电路，构成第二到第五个谐振器。第一个谐振器与第二个谐振器以及第五个谐振器与第六个谐振器之间通过感性耦合窗耦合连接，形成表贴式滤波器封装结构。设计的毫米波带通滤波器具有通带低插损、阻带高抑制的高选择性，满足5G毫米波滤波器表贴式封装的应用需求。

Description

一种毫米波带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波器件技术，尤其涉及一种毫米波带通滤波器。

背景技术

5G毫米波带通滤波器是5G毫米波通信系统中的核心器件，具有使用面广且使用量大的特点，对系统的性能和尺寸起到了关键作用。5G毫米波带通滤波器可以使用微带线、金属波导和基片集成波导等传输线进行设计。使用小型化的微带线谐振器，有利于减小滤波器的尺寸，但是微带线谐振器的品质因子较低。使用高品质因子的金属波导和基片集成波导谐振器，有利于减小滤波器的通带插入损耗，但是尺寸较大。目前，现有的5G毫米波带通滤波器存在尺寸大或插损大等不足。

根据“P.Chu,L.Guo,L.Zhang,F.Xu,W.Hong,and K.Wu,Wide stopband substrateintegrated waveguide filter implemented by orthogonal ports’offset,IEEETrans.Microw.Theory Techn.,vol.68,no.3,pp.964-970,March 2020”提出的一种单层多个基片集成波导谐振器级联设计的带通滤波器，通过端口偏移，实现宽阻带。但是，设计的滤波器的尺寸较大，不满足表贴式封装的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种毫米波带通滤波器，其具有解决现有技术中存在的尺寸或通带的插入损耗较大，不满足表贴式封装的应用需求等问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种毫米波带通滤波器，其包括基板谐振器和LTCC介质谐振器，所述基板谐振器至少包括第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述LTCC介质谐振器置于所述基板谐振器上方，该LTCC介质谐振器至少包括三金属层、第二介质层、第四金属层，其中，第二金属层与第三金属层上设置有一一对应的感性耦合窗，所述基板谐振器与LTCC介质谐振器通过所述性耦合窗对应关系实现耦合。

进一步地，基板谐振器的第一金属层、第一介质层和第二金属层上设置有金属化通孔围成的第一谐振器和第六谐振器，该第一谐振器和第六谐振器上设有输入端口和输出端口，

所述LTCC介质谐振器还包括第三介质层和第五金属层，所述第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层和第五金属层依次堆叠，其中，所述第三金属层、第二介质层和第四金属层设置有金属化通孔组合围成的第二谐振器和第五谐振器；所述第四金属层、第三介质层和第五金属层设置有金属化通孔组合围成的第三谐振器和第四谐振器，

其中，所述第二金属层上设有的感性耦合窗为第一感性耦合窗和第六感性耦合窗，所述第三金属层上设有的感性耦合窗为第二感性耦合窗和第五感性耦合窗，所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗相对应，第五感性耦合窗与第六感性耦合窗相对应，所述基板谐振器的第一谐振器和第六谐振器与LTCC介质谐振器的第二谐振器和第五谐振器通过所述第一感性耦合窗和第二感性耦合窗对应关系与第五感性耦合窗和第六感性耦合窗对应关系实现耦合。

进一步地，第四金属层上设有第三感性耦合窗置于所述第二谐振器和第三谐振器之间实现和该第二谐振器和第三谐振器之间的耦合；该第四金属层上还设有第四感性耦合窗置于所述第四谐振器和第五谐振器之间实现和该第四谐振器和第五谐振器之间的耦合。

进一步地，所述第三介质层上的第三谐振器和第四谐振器之间设置有第七感性耦合窗实现该第三谐振器和第四谐振器之间的耦合。

进一步地，第一金属层、第一介质层和第二金属层为印刷电路板电路。

进一步地，第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层、第五金属层为多层LTCC电路。

进一步地，第一感性耦合窗与第二感性耦合窗尺寸相同且在水平方向上的位置重合，第五感性耦合窗与第六感性耦合窗尺寸相同且在水平方向上的位置重合，形成表贴式滤波器封装结构。

进一步地，第二金属层和第三金属层粘接或焊接在一起形成电性连接。

进一步地，毫米波带通滤波器的信号由所述输入端口输入依次通过所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器从所述输出端口输出。

进一步地，第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器从下至上依次堆叠成层状设置；所述第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器从上至下依次堆叠成层状设置。

进一步地，基板谐振器的第一金属层、第一介质层和第二金属层上设置有金属化通孔围成的第一谐振器和第六谐振器，该第一谐振器和第六谐振器上设有输入端口和输出端口，所述LTCC介质谐振器置于所述基板谐振器上方，所述第三金属层、第二介质层和第四金属层设置有金属化通孔组合围成的第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器，其中，所述第二金属层上设有的感性耦合窗为第一感性耦合窗和第七感性耦合窗，所述第三金属层上设有的感性耦合窗为第二感性耦合窗和第六感性耦合窗，所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗相对应，第六感性耦合窗与第七感性耦合窗相对应，所述基板谐振器的第一谐振器和第六谐振器与LTCC介质谐振器的第二谐振器和第五谐振器通过所述第一感性耦合窗和第二感性耦合窗对应关系与第六感性耦合窗和第七感性耦合窗对应关系实现耦合。

进一步地，第二介质层上的第二谐振器和第三谐振器之间设置有第三感性耦合窗实现该第二谐振器和第三谐振器之间的耦合；第三谐振器和第四谐振器之间设置有第四感性耦合窗实现该第三谐振器和第四谐振器之间的耦合；第四谐振器和第五谐振器之间设置有第五感性耦合窗实现该第四谐振器和第五谐振器之间的耦合。

进一步地，第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器在水平方向依次耦合；所述第一谐振器与第二谐振器和第五谐振器与第六谐振器在竖直方向耦合。

本发明的技术方案的原理是：本发明的毫米波带通滤波器通过级联六个基片集成波导谐振器构成，具有高选择性。其中，第一谐振器，第六谐振器和输入输出端口采用印刷电路板设计，而第二到第五谐振器采用多层LTCC设计。通过多层的设计方法，实现滤波器横向尺寸的减小。第一谐振器与第二谐振器以及第五谐振器与第六谐振器之间通过感性耦合窗耦合连接，形成表贴式滤波器封装结构。

本发明的优点和有益效果：

(1)本发明的毫米波带通滤波器通过单层印刷电路板和多层LTCC相结合，结构紧凑，尺寸小，通带插入损耗小，阻带抑制度高。

(2)本发明的毫米波带通滤波器通过谐振器间的耦合实现了表贴式封装结构，而且不占用额外的尺寸。

附图说明

图1是本发明毫米波带通滤波器的结构示意图；

图2是本发明毫米波带通滤波器的立体分解示意图；

图3是本发明毫米波带通滤波器的耦合方案图；

图4是本发明毫米波带通滤波器的仿真结果图；

图5是本发明毫米波带通滤波器另一种实施方式的结构示意图；

图6是本发明毫米波带通滤波器另一种实施方式的耦合方案图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

请参照图1至图4所示，本发明毫米波带通滤波器100，其包括第一金属层11、第一介质层12、第二金属层13、第三金属层21、第二介质层22、第四金属层23、第三介质层24、第五金属层25、第一感性耦合窗133、第二感性耦合窗213、第三感性耦合窗233、第四感性耦合窗234、第五感性耦合窗214和第六感性耦合窗134，第一感性耦合窗133和第六感性耦合窗134位于第二金属层13，第二感性耦合窗213和第五感性耦合窗214位于第三金属层21，第三感性耦合窗233和第四感性耦合窗234位于第四金属层23。

本实施例中，第一金属层11、第一介质层12和第二金属层13为印刷电路板电路，组成基板谐振器10，其上设置有金属化通孔围成的第一谐振器16和第六谐振器17，如图2所示。

其中，基板谐振器10上设置有输入端口131和输出端口132，该输入端口131与输出端口132分别位于第二金属层13的两端，分别通过共面波导直接与第一谐振器16和第六谐振器17耦合，通过调整共面波导与谐振腔的耦合位置调节输入输出谐振腔的有载Q值。

本实施例仿真实验中，第三金属层21、第二介质层22、第四金属层23、第三介质层24、第五金属层25为多层LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic低温共烧陶瓷)电路，组成LTCC介质谐振器20。其中，第二介质层22和第三介质层24采用了单层陶瓷片的厚度为96微米，相对有效介电常数为5.9的陶瓷材料A6M。本发明的第二介质层22和第三介质层24均由三层陶瓷片叠加而成的，如图2所示。

本实施例中，LTCC介质谐振器20上设置有金属化通孔围成的第二谐振器26、第三谐振器27、第四谐振器28和第五谐振器29。其中，第三金属层21、第二介质层22以及第四金属层23组合并于该组合层上设置金属化通孔围成第二谐振器26和第五谐振器29；第四金属层23、第三介质层24和第五金属层25组合并于该组合层上设置金属化通孔围成第三谐振器27和第四谐振器28。

请参照图1、图2所示，本发明毫米波带通滤波器100中的LTCC介质谐振器20置于基板谐振器10上方，第二金属层13和第三金属层21粘接或焊接在一起形成电性连接。第一谐振器16、第二谐振器26和第三谐振器27从下至上依次堆叠成层状设置，即第二谐振器26位于第一谐振器16的正上方，第三谐振器27位于第二谐振器26的正上方；同时，第四谐振器28、第五谐振器29和第六谐振器17从上至下依次堆叠成层状设置，即第五谐振器29位于第六谐振器17的正上方，第四谐振器28位于第五谐振器29的正上方。也可以理解为：第一谐振器16和第六谐振器17位于下层，第二谐振器26和第五谐振器29位于中层，第三谐振器27和第四谐振器28位于上层。

第二金属层13上设有第一感性耦合窗133和第六感性耦合窗134，第三金属层21上设有第二感性耦合窗213和第五感性耦合窗214，第一感性耦合窗133与第二感性耦合窗213相对应，第五感性耦合窗214与第六感性耦合窗134相对应，基板谐振器10的第一谐振器16和第六谐振器17与LTCC介质谐振器20的第二谐振器26和第五谐振器29通过第一感性耦合窗133和第二感性耦合窗213对应关系与第五感性耦合窗214和第六感性耦合窗134对应关系实现耦合。第一感性耦合窗133与第二感性耦合窗213尺寸相同且在水平方向上的位置重合，第五感性耦合窗214与第六感性耦合窗134尺寸相同且在水平方向上的位置重合，形成表贴式滤波器封装结构，也可以理解为：第一感性耦合窗133、第二感性耦合窗213、第五感性耦合窗214和第六感性耦合窗134具有相同的尺寸，第一感性耦合窗133和第二感性耦合窗213的位置完全重合，第五感性耦合窗214和第六感性耦合窗134的位置完全重合。

第四金属层23上设有第三感性耦合窗233置于第二谐振器26和第三谐振器27之间实现和该第二谐振器26和第三谐振器27之间的耦合；该第四金属层23上还设有第四感性耦合窗234置于第四谐振器28和第五谐振器29之间实现和该第四谐振器28和第五谐振器29之间的耦合，也可以理解为：第一谐振器16与第二谐振器26通过第一感性耦合窗133和第二感性耦合窗213耦合连接，第二谐振器26与第三谐振器27通过第三感性耦合窗233耦合连接，第四谐振器28与第五谐振器29通过第四感性耦合窗234耦合连接，第五谐振器29与第六谐振器17通过第五感性耦合窗214和第六感性耦合窗134耦合连接。其中。第三介质层24上的第三谐振器27和第四谐振器28之间设置有第七感性耦合窗241实现该第三谐振器27和第四谐振器28之间的耦合，该第七感性耦合窗241是在金属化通孔围成的壁上设置的窗口，可以理解为第三谐振器27和第四谐振器28相邻的腔壁上有一段没有设置金属化通孔而形成的第七感性耦合窗241。如图3所示，从图中可以看出，本发明毫米波带通滤波器100通过六个谐振器级联，构成了六阶的带通滤波器。

根据本发明毫米波带通滤波器100的结构做以下仿真实验：基板谐振器10的第一介质层12采用了厚度为0.254mm、相对有效介电常数为2.2的Rogers RT/Duroid5880基板，第一金属层11和第二金属层13的材料为铜，厚度为35微米，如图2所示。LTCC介质谐振器20的第二介质层22和第三介质层24采用了单层陶瓷片的厚度为96微米，相对有效介电常数为5.9的陶瓷材料A6M。本发明的第二介质层22和第三介质层24均由三层陶瓷片叠加而成的。如图2所示，陶瓷片的长度L为6.556mm，宽度W为3.84mm。如图4所示，从图中可以看出，本发明设计的毫米波带通滤波器100的通带频率范围为37-40GHz。毫米波带通滤波器100的通带回波损耗大于20dB，中心频率38.5GHz处的插入损耗为1.65dB。滤波器的低频阻带30-35.14GHz的抑制度大于50dB，高频阻带43.17-50GHz的抑制度大于50dB。因此，本发明设计的5G毫米波带通滤波器100具有通带低插损、阻带高抑制的高选择性，满足5G毫米波滤波器表贴式封装的应用需求。

请参照图5、图6所示，本发明另一种实施方式：基板谐振器10’的第一金属层11’、第一介质层12’和第二金属层13’上设置有金属化通孔围成的第一谐振器(16’)和第六谐振器(17’)，该第一谐振器16’和第六谐振器17’上设有输入端口131’和输出端口132’，LTCC介质谐振器20’置于所述基板谐振器10’上方，所述第三金属层21’、第二介质层22’和第四金属层23’设置有金属化通孔组合围成的第二谐振器26’、第三谐振器27’、第四谐振器28’和第五谐振器29’。其中，所述第二金属层13’上设有的感性耦合窗为第一感性耦合窗(未标识)和第七感性耦合窗(未标识)，所述第三金属层21’上设有的感性耦合窗为第二感性耦合窗(未标识)和第六感性耦合窗(未标识)，所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗相对应，第六感性耦合窗与第七感性耦合窗相对应，所述基板谐振器10’的第一谐振器和第六谐振器与LTCC介质谐振器20’的第二谐振器26’和第五谐振器29’通过所述第一感性耦合窗和第二感性耦合窗对应关系与第六感性耦合窗和第七感性耦合窗对应关系实现耦合。

LTCC介质谐振器20’的第二谐振器26’和第三谐振器27’之间设置有第三感性耦合窗201’实现该第二谐振器26’和第三谐振器27’之间的耦合；第三谐振器27’和第四谐振器28’之间设置有第四感性耦合窗202’实现该第三谐振器27’和第四谐振器28’之间的耦合；第四谐振器28’和第五谐振器29’之间设置有第五感性耦合窗203’实现该第四谐振器28’和第五谐振器29’之间的耦合。

第二谐振器26’、第三谐振器27’、第四谐振器28’和第五谐振器29’在水平方向依次耦合；所述第一谐振器16’与第二谐振器26’和第五谐振器29’与第六谐振器17’在竖直方向耦合。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助使用者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种毫米波带通滤波器，其包括基板谐振器和LTCC介质谐振器，所述基板谐振器至少包括第一金属层、第一介质层和第二金属层，所述LTCC介质谐振器置于所述基板谐振器上方，该LTCC介质谐振器至少包括第三金属层、第二介质层、第四金属层，其特征在于：所述第二金属层与第三金属层上设置有一一对应的感性耦合窗，所述基板谐振器与LTCC介质谐振器通过所述感性耦合窗对应关系实现耦合，

所述基板谐振器的第一金属层、第一介质层和第二金属层上设置有金属化通孔围成的第一谐振器和第六谐振器，该第一谐振器和第六谐振器上设有输入端口和输出端口，

所述LTCC介质谐振器还包括第三介质层和第五金属层，所述第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层和第五金属层依次堆叠，其中，所述第三金属层、第二介质层和第四金属层设置有金属化通孔组合围成的第二谐振器和第五谐振器；所述第四金属层、第三介质层和第五金属层设置有金属化通孔组合围成的第三谐振器和第四谐振器，其中，所述第二金属层上设有的感性耦合窗为第一感性耦合窗和第六感性耦合窗，所述第三金属层上设有的感性耦合窗为第二感性耦合窗和第五感性耦合窗，所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗相对应，第五感性耦合窗与第六感性耦合窗相对应，所述基板谐振器的第一谐振器和第六谐振器与LTCC介质谐振器的第二谐振器和第五谐振器通过所述第一感性耦合窗和第二感性耦合窗对应关系与第五感性耦合窗和第六感性耦合窗对应关系实现耦合；所述第四金属层上设有第三感性耦合窗置于所述第二谐振器和第三谐振器之间实现和该第二谐振器和第三谐振器之间的耦合；该第四金属层上还设有第四感性耦合窗置于所述第四谐振器和第五谐振器之间实现和该第四谐振器和第五谐振器之间的耦合；所述第三介质层上的第三谐振器和第四谐振器之间设置有第七感性耦合窗实现该第三谐振器和第四谐振器之间的耦合；所述第一金属层、第一介质层和第二金属层为印刷电路板电路；所述第三金属层、第二介质层、第四金属层、第三介质层、第五金属层为多层LTCC电路；所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗尺寸相同且在水平方向上的位置重合，第五感性耦合窗与第六感性耦合窗尺寸相同且在水平方向上的位置重合，形成表贴式滤波器封装结构。

2.根据权利要求1所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述第二金属层和第三金属层粘接或焊接在一起形成电性连接。

3.根据权利要求1所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述毫米波带通滤波器的信号由所述输入端口输入依次通过所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器从所述输出端口输出。

4.根据权利要求1所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器从下至上依次堆叠成层状设置；所述第四谐振器、第五谐振器和第六谐振器从上至下依次堆叠成层状设置。

5.根据权利要求1所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述基板谐振器的第一金属层、第一介质层和第二金属层上设置有金属化通孔围成的第一谐振器和第六谐振器，该第一谐振器和第六谐振器上设有输入端口和输出端口，

所述LTCC介质谐振器置于所述基板谐振器上方，所述第三金属层、第二介质层和第四金属层设置有金属化通孔组合围成的第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器，

其中，所述第二金属层上设有的感性耦合窗为第一感性耦合窗和第七感性耦合窗，所述第三金属层上设有的感性耦合窗为第二感性耦合窗和第六感性耦合窗，所述第一感性耦合窗与第二感性耦合窗相对应，第六感性耦合窗与第七感性耦合窗相对应，所述基板谐振器的第一谐振器和第六谐振器与LTCC介质谐振器的第二谐振器和第五谐振器通过所述第一感性耦合窗和第二感性耦合窗对应关系与第六感性耦合窗和第七感性耦合窗对应关系实现耦合。

6.根据权利要求5所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述第二介质层上的第二谐振器和第三谐振器之间设置有第三感性耦合窗实现该第二谐振器和第三谐振器之间的耦合；第三谐振器和第四谐振器之间设置有第四感性耦合窗实现该第三谐振器和第四谐振器之间的耦合；第四谐振器和第五谐振器之间设置有第五感性耦合窗实现该第四谐振器和第五谐振器之间的耦合。

7.根据权利要求5所述的毫米波带通滤波器，其特征在于：所述第二谐振器、第三谐振器、第四谐振器和第五谐振器在水平方向依次耦合；所述第一谐振器与第二谐振器和第五谐振器与第六谐振器在竖直方向耦合。

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