CN112701431A - 滤波器及无线通信系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种滤波器及无线通信系统，所述滤波器包括：依次层叠设置的第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层；第一电路层、第二电路层和第三电路层均包含电路结构区域及围绕电路结构区域的侧边封装区，各层电路结构区域平行且叠层设置形成核心电路区；其中，第一电路层为馈线层，第二电路层设置有接地谐振器，第三电路层设置有阶跃阻抗谐振器；核心电路区设置在第一金属层与第二金属层以及侧边封装区域围成密闭腔体中；侧边封装区还设置有输入和输出端口，核心电路区连接输入和输出端口。采用前述的结构，通过密闭腔体隔离电磁辐射的干扰，减少滤波器的辐射损失，且核心电路采用叠层的设计结构，可减少滤波器的体积。

Description

滤波器及无线通信系统
技术领域
本申请涉及带通滤波器技术领域，尤其涉及一种滤波器及无线通信系统。
背景技术
随着第5代无线通信技术的逐步实施及应用，高性能小型化的封装组件对于满足5G通讯基础设施(例如：基站、终端、物联网等)不断增长的需求至关重要。而带通滤波器作为无线通信系统中的关键组件，在无线通信系统中起着选频、抑制杂散信号的作用。而在无线通信系统中往往集成了多种通讯标准，不同的通讯标准，需要不同频段的滤波器。针对5G毫米波频段的无线通信系统发展，对该频段的滤波器的需求逐步增加。然而，目前的毫米波滤波器主要是片上滤波器和波导滤波器。其中，片上滤波器尺寸小，但是过于高昂的加工费用以及较高的损耗限制其很难大量应用。而波导滤波器虽然能提供卓越的性能，但是过大的物理尺寸和的巨大的制造成本导致其不可能满足5G基础设施的需求。
近几年，为解决尺寸以及成本问题，有相关研究是基于传统的LTCC(Low-temperature co-fired ceramic technologies，低温共烧陶瓷技术)研制出多款毫米波滤波器，其物理尺寸较小以及加工费用廉价可以解决片上滤波器和波导滤波器的缺点，但是这种类型滤波器在毫米波无线通信系统集成的过程中往往会引入额外的互联损失和牺牲更大的电路尺寸用于器件电磁隔离和集成，此外，随着频段的升高，基于LTCC结构的电容电感的性能下降，导致其寄生影响越来越大，而且其性能已不能满足5G毫米波无线通信系统的需求。
因此，为了减少滤波器电路大小，克服传统基于LTCC结构的毫米波滤波器在高频无法适用的缺陷，目前提出一种基于带状线谐振器设计的毫米波滤波器，如图1所示，图1中(a)图为滤波器结构示意图，(b)图为插入损耗以及回波损耗的仿真与测试结果图，(a)中的5个带状线谐振器平铺摆放依次分布在两层，通过上下层耦合实现滤波器。底层是地平面，在顶层之上还设计了屏蔽模块来隔离电磁干扰。虽然基于LTCC结构构造的滤波器，在一定程度上可以实现小型化毫米波滤波器，但是其插入损耗较大，并且传统的LTCC工艺的加工偏差导致滤波器在大批量加工情况下很难保证其良品率。此外，这种类型滤波器还需要额外的电磁屏蔽模块来阻断电磁干扰，否则会极大的影响无线通信系统的工作性能。因此，目前亟需一种小型化高性能低成本的毫米波滤波器，以满足5G终端中毫米波无线通信系统的需求。
发明内容
本申请提供了一种滤波器及无线通信系统，以提供一种小型化高性能低成本的毫米波滤波器，以满足5G终端中毫米波无线通信系统的需求。
第一方面，本申请实施例提供一种滤波器，所述滤波器包括：依次层叠设置的第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层；
所述第一电路层、第二电路层和第三电路层均包含电路结构区域及围绕所述电路结构区域的侧边封装区，各层电路结构区域平行且叠层设置，形成所述滤波器的核心电路区；其中，第一电路层为馈线层，第二电路层设置有接地谐振器，第三电路层设置有阶跃阻抗谐振器；
所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区域围成密闭腔体，所述核心电路区设置在所述密闭腔体中；
所述侧边封装区还设置有输入和输出端口，所述核心电路区连接输入和输出端口。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述侧边封装区设置有多个通孔，利用金属柱插入过孔连接所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区，所述第一电路层、第二电路层和第三电路层的3层电路结构通过金属柱连接。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述馈线层的馈线形状、接地谐振器的形状或者阶跃阻抗谐振器的形状为U型、L型、C型或者螺旋型。
结合第一方面，在一种实现方式中，第一电路层的电路结构为对称设置的U型馈线层，第二电路层的电路结构为4分之一波长接地谐振器，第三电路层的电路结构为2分之一波长阶跃阻抗谐振器。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述输入和输出端口通过带状线连接连接馈线层。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述核心电路区中电路结构之间的耦合包括强耦合和弱耦合，所述强耦合包括核心电路区的相邻层电路结构之间的耦合和接地谐振器的通孔之间的耦合；所述弱耦合包括馈线层的水平耦合和核心电路区的跨层电路结构之间的耦合。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述第一金属层与第二金属层为接地金属。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述滤波器为长方形立体结构，所述核心电路区所在的密封腔体通过介质填充固定所述核心电路区中的电路结构。
第二方面，本申请实施例部分提供了一种无线通信系统，所述无线通信系统包括第一方面任一项所述的滤波器。
结合第二方面，在一种实现方式中，所述无线通信系统还包括毫米波芯片和天线，所述滤波器与毫米波芯片以及天线之间通过互联线连接，且所述滤波器、毫米波芯片和天线集成在同一PCB板中。
本申请公开一种滤波器及无线通信系统，其中，所述滤波器包括：依次层叠设置的第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层；所述第一电路层、第二电路层和第三电路层均包含电路结构区域及围绕所述电路结构区域的侧边封装区，各层电路结构区域平行且叠层设置，形成所述滤波器的核心电路区；其中，第一电路层为馈线层，第二电路层设置有接地谐振器，第三电路层设置有阶跃阻抗谐振器；所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区域围成密闭腔体，所述核心电路区设置在所述密闭腔体中；所述侧边封装区还设置有输入和输出端口，所述核心电路区连接输入和输出端口。采用前述的结构，通过密闭腔体不但可以有效的隔离电磁辐射的干扰，也可以减少滤波器的辐射损失，不需要额外添加屏蔽模块，并且滤波器的核心电路采用叠层的设计结构，设置在顶层和底层金属结合侧边封装区域组成的被包裹住的内部空间，可以减少滤波器的体积，该结构并没有增加滤波器的物理尺寸，而且易于加工和集成，节约成本，此外，利用叠层设置的电路之间的强耦合，提升滤波器的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。
图1是现有技术提供的一种基于带状线谐振器设计的毫米波滤波器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的滤波器的外观图；
图3是本申请实施例提供的滤波器整体结构透视图；
图4是本申请实施例提供的滤波器的分区域结构图；
图5是本申请实施例提供的电路结构制备示意图；
图6是本申请实施例提供的核心电路区连接示意图；
图7是本申请实施例提供的核心电路区的平面耦合拓扑结构图；
图8是本申请实施例提供的核心电路区的立体耦合结构图；
图9是本申请实施例提供的基于图8中的耦合结构的仿真计算结果图；
图10是本申请实施例提供的无线通信系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
由背景技术的描述可知，目前提出的一种基于带状线谐振器设计的毫米波滤波器，其插入损耗较大，为解决插入损耗的问题，目前还出现将SIW(Substrate integratedwaveguide，介质集成波导)结构应用于LTCC毫米波结构滤波器的设计，这种结构可以有效减少滤波器的插入损耗而且对加工精度的要求不是非常苛刻。但是SIW结构的尺寸比较大，设计出的滤波器成本高于传统结构，而且较大的物理尺寸也极大的限制其应用范围。
因此，为了解决上述问题，本申请提出一种滤波器，参照图2至图4所示，所述滤波器包括：依次层叠设置的第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层。
如图2所示，图2是所述滤波器的整体结构图，作为一种示例，所述电路层的厚度为15um，所述电路层之间的间距是60um，以及如图3所示，图3是滤波器的透视图，作为示例，所述滤波器的尺寸为1.5mm3×1.5mm3×0.315mm3。
所述第一电路层、第二电路层和第三电路层均包含电路结构区域及围绕所述电路结构区域的侧边封装区，各层电路结构区域平行且叠层设置，形成所述滤波器的核心电路区；其中，第一电路层为馈线层，第二电路层设置有接地谐振器，第三电路层设置有阶跃阻抗谐振器。
其中，所述第二电路层的接地谐振器同样为阶跃阻抗谐振器，是接地的，而第三电路层的阶跃阻抗谐振器是悬空的，所述第一电路层、第二电路层和第三电路层同样采用金属层，通过刻蚀金属的图案实现相应的电路功能。如图5所示，图5为某电路结构制备的示例，制备过程包括：旋涂光刻胶，放置掩膜板，紫外光曝光，刻蚀，取出掩膜板，获得需要的电路结构。
本实施例中，所述滤波器的核心电路区为平行且叠层设置的三层电路结构，核心电路区包括所述馈线、接地谐振器和阶跃阻抗谐振器(SIR，stepped-impedanceresonator)，所述第一电路层、第二电路层和第三电路中围绕电路结构区的侧边四周连接起来，形成侧边封装区。
本申请实施例中的电路结构堆叠摆放方式不但可以有效减少滤波器的核心尺寸，而且通过利用较强的上下层耦合关系，设计出更宽的通带范围和带来更低的插入损耗。
所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区域围成密闭腔体，所述核心电路区设置在所述密闭腔体中。
核心电路区所在的空间则是通过顶层和底层金属结合侧边封装区域组成一个被包裹住的内部空间，滤波器的核心电路将设计在这个内部空间当中。这种自封装腔体结构不但可以有效的隔离电磁辐射的干扰，也可以减少滤波器的辐射损失，因此，该结构并没有增加滤波器的物理尺寸，而且易于加工和集成。
所述侧边封装区还设置有输入和输出端口，所述核心电路区连接输入和输出端口。
所述侧边封装区域预留部分空间用于输入输出端口的摆放，具体的，所述输入输出端口设置在第一电路层，输入输出端口的设计可以根据实际需要进行调整，本申请不做具体限定。
可选地，所述侧边封装区设置有多个通孔，利用金属柱插入过孔连接所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区，所述第一电路层、第二电路层和第三电路层的3层电路结构通过金属柱连接。
如图6所示，图6中(a)图为第一金属层、第一电路层、第二电路层以及第三电路层的连接示意图，(b)图为第一电路层，(c)图为第二电路层，(d)图为第三电路层，所述侧边封装区域主要通过通孔(过孔)的紧密摆放实现类金属封装效果，密集的连接通孔不但提高该滤波器的物理结构稳定性，减少的滤波器核心电路外部环境的电磁辐射，有效的隔离电磁辐射的干扰，减少滤波器的辐射损失，也组成自封装结构的外壳，图6中所述第一电路层、第二电路层和第三电路层边缘设置的多个孔即为通孔。所述核心电路区的电路结构利用金属柱连接，也就是利用金属柱插入过孔，实现连接，图6中，各电路结构的一端设置有过孔，利用金属柱连接插入过孔连接各电路结构。
由以上技术方案可知，本申请通过将核心电路结构设计在被封装后的密闭空间内中，首先这种结构的可以减少滤波器自身的辐射损失，提升滤波器的性能，其次，密闭空间的周围可以充当一种屏蔽结构，基本断绝外界环境对滤波器性能的影响，适用于各种苛刻的使用环境，也可以兼容在更多层的PCB工艺之中，此外，这种结构作为滤波器本身设计结构不可或缺的一部分，也有效减少了滤波器的尺寸大小。
可选地，所述馈线层的馈线形状、接地谐振器的形状或者阶跃阻抗谐振器的形状为U型、L型、C型或者螺旋型。
所述馈线层包括馈线，馈线的形状、接地谐振器的形状或者阶跃阻抗谐振器的形状可以设置为U型、L型、C型、螺旋型或者凹型等等，当采用不同结构的形状时，只要实现相同的耦合大小，其结构的响应也是。不同形状之间耦合变化趋势和变化范围是不一样的，因此，可根据实际需要自行设置结构，本申请不做具体限定。
可选地，第一电路层的电路结构为对称设置的U型馈线层，第二电路层的电路结构为4分之一波长接地谐振器，第三电路层的电路结构为2分之一波长阶跃阻抗谐振器。
其中，馈线层中的馈线设置为对称的U型是为了节省空间，所述4分之一波长接地谐振器的形状为两个对称设置的U型，所述2分之一波长阶跃阻抗谐振器的形状是类似凹型，核心电路结构设置为上述形状，可以减少电路尺寸，有效的减小滤波器的体积，也能有效改善滤波器阻带性能。
可选地，所述输入和输出端口通过带状线连接连接馈线层。
滤波器的输入输出端口由50欧姆带状线连接馈线层，这种端口非常适合和毫米波系统的集成，减少互联损耗。
可选地，所述核心电路区中电路结构之间的耦合包括强耦合和弱耦合，所述强耦合包括核心电路区的相邻层电路结构之间的耦合和接地谐振器的通孔之间的耦合；所述弱耦合包括馈线层的水平耦合和核心电路区的跨层电路结构之间的耦合。
如图7-8所示，图7中(a)图为滤波器核心电路区的平面耦合拓扑结构图，图7中(b)图是各层电路结构的示例，图8为滤波器各电路结构之间的立体耦合结构图，本示例中，所述核心电路区中电路结构之间的耦合，也就是谐振器和谐振器之间的强耦合主要由两种方式实现：1)上下层耦合，这种耦合主要是电耦合，如图8中(a)图中的MS1，ML3，图8中(b)图中的M12和M23；2)接地谐振器的通孔之间的耦合，这种耦合方式主要是磁耦合，如图8中(c)图中的M13，这两种耦合方式都可以通过调节滤波器外形和位置实现非常大的耦合大小调节范围。弱耦合也是通过两种方式实现：1)水平耦合，图8中(d)图的MSL；2)跨层耦合，图8中(e)图的MS2和ML2，弱耦合一般的作用是形成交叉耦合拓扑在通带附近产生零点以提高滤波器的选择度。通过调节弱耦合的大小可以调节零点位置以改善滤波器的性能。根据耦合矩阵，该滤波器的仿真计算结果如图9所示，可以看到其计算和仿真结果非常接近，该种新型的交叉耦合拓扑结构可以在滤波器通带周边产生3个不同的零点，非常适合低损耗高选择度的滤波器设计。
另外，本申请的滤波器的强弱耦合大小可以在一个较大的范围内调节，大大拓宽了滤波器的设计阈值，满足绝大多数应用需求。
可见，本申请的电路结构基于三维的耦合方式，结合交叉耦合拓扑理论，在滤波器通带周围生成多个传输零点，有效提高了滤波器的选择度。
可选地，所述第一金属层与第二金属层为接地金属。
其中，根据实际需要，所述第一金属层和第二金属层均为接地金属。
可选地，所述滤波器为长方形立体结构，所述核心电路区所在的密封腔体通过介质填充固定所述核心电路区中的电路结构。
本申请的滤波器是基于高精度多层PCB加工工艺制造的，金属层和金属层之间是介质，传统的介质有陶瓷，玻璃，塑料板等，这里加工工艺是采用高频性能优秀的新材料设计制造的。
基于上述公开的滤波器，本申请实施例还公开了一种无线通信系统，所述无线通信系统包括上述任一项所述的滤波器。
可选地，如图10所示，所述无线通信系统为毫米波无线通讯系统，毫米波无线通讯系统还包括毫米波芯片和天线，所述滤波器与毫米波芯片以及天线之间通过互联线连接，且所述滤波器、毫米波芯片和天线可以集成在同一PCB板中。
图10中(a)图和(b)图表示两种结构的无线通信系统，RFIC表示射频集成电路，Shield为射频集成电路的保护层，射频集成电路及其保护层组成毫米波芯片，该无线通信系统通过内部互联线可以实现毫米波芯片、滤波器和天线的高度集成化，这种方式不但大大减少了系统中模块之间的互联损耗，而且由于天线、滤波器以及芯片的供电模块等结构能够同时设计在同种PCB板中，大大削减了电路面积和减少加工成本，而其中的滤波器结构是基于自封装架构设计的，可以有效屏蔽电磁辐射的影响，而且并没有增加电路尺寸，非常适合5G终端的毫米波无线通信系统的应用。
为了使本申请的方案更清楚，本申请进一步公开了以下具体实施例。
实施例
滤波器由上到下依次为第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层，第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层封装成长方体结构，所述第一电路层的电路结构采用U型馈线，所述第二电路层的电路结构设置为4分之一波长接地谐振器，第三层电路层的电路结构设置为2分之一波长阶跃阻抗谐振器，采用上述结构制作的该带通滤波器以28GHz为中心频率，其3-dB带宽为27.9％，在1.5mm3×1.5mm3×0.315mm3的紧凑尺寸下实现了带内插入损耗最小为1.3dB。由于采用了多极交叉耦合结构和SIR谐振器其阻带性能也十分突出，下阻带从DC-22.8GHz抑制水平大于21.3dB；还可以实现上阻带抑制到110GHz，阻带带宽可以扩展到3.92f0，带外抑制水平可以大于-24dB。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种滤波器，其特征在于，包括：依次层叠设置的第一金属层、第一电路层、第二电路层、第三电路层和第二金属层；
所述第一电路层、第二电路层和第三电路层均包含电路结构区域及围绕所述电路结构区域的侧边封装区，各层电路结构区域平行且叠层设置，形成所述滤波器的核心电路区；其中，第一电路层为馈线层，第二电路层设置有接地谐振器，第三电路层设置有阶跃阻抗谐振器；
所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区域围成密闭腔体，所述核心电路区设置在所述密闭腔体中；
所述侧边封装区还设置有输入和输出端口，所述核心电路区连接输入和输出端口。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述侧边封装区设置有多个通孔，利用金属柱插入过孔连接所述第一金属层与第二金属层以及侧边封装区，所述第一电路层、第二电路层和第三电路层的3层电路结构通过金属柱连接。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述馈线层的馈线形状、接地谐振器的形状或者阶跃阻抗谐振器的形状为U型、L型、C型或者螺旋型。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，第一电路层的电路结构为对称设置的U型馈线层，第二电路层的电路结构为4分之一波长接地谐振器，第三电路层的电路结构为2分之一波长阶跃阻抗谐振器。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述输入和输出端口通过带状线连接连接馈线层。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述核心电路区中电路结构之间的耦合包括强耦合和弱耦合，所述强耦合包括核心电路区的相邻层电路结构之间的耦合和接地谐振器的通孔之间的耦合；所述弱耦合包括馈线层的水平耦合和核心电路区的跨层电路结构之间的耦合。
7.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第一金属层与第二金属层为接地金属。
8.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述滤波器为长方形立体结构，所述核心电路区所在的密封腔体通过介质填充固定所述核心电路区中的电路结构。
9.一种无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统包括权利要求1-8任一项所述的滤波器。
10.根据权利要求9所述的无线通信系统，其特征在于，所述无线通信系统还包括毫米波芯片和天线，所述滤波器与毫米波芯片以及天线之间通过互联线连接，且所述滤波器、毫米波芯片和天线集成在同一PCB板中。
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