CN113314816B - 一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合介质的毫米波带通滤波器，具有多层电路结构。通过在主体电路四周设置干扰隔离墙，并在不同的电路层区域分别使用对应的介质体材料，可在极小的封装体积内实现毫米波滤波器良好的选频特征，利用不用介质体材料的特性最大限度减小非相关谐振单元之间的互耦，降低寄生参数的影响。本发明提出的复合介质毫米波滤波器，能够在最大插损仅为1.2dB的情况下，实现高达30dB的阻带抑制，具有小型化、低插损、高隔离的特点。所述毫米波带通滤波器包括复合介质体、主体电路层、干扰隔离墙和介质体底部外电极，所述外电极分别为输入端口、输出端口和接地端口，接地端口包括顶层接地端口和底层接地端口。

Description

一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器，具体涉及一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器。

背景技术

随着第五代移动通信技术的快速发展，移动数据流量暴增，不能再依赖于各个低频段无线传输及组网技术的演进，需要采取更多的无线频谱资源。毫米波技术可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播，从而成为5G通讯技术中的关键之一。滤波器作为通信系统中的关键性器件，承担着频率选择的重要作用，其性能对通信系统的传输质量有着至关重要的影响。在宽带和超宽带信道化收发组件中，滤波器作为必不可少的组成部分，其性能好坏也将直接影响到整个收发组件的性能。因此，研究小体积、高性能的毫米波滤波器无论在民用还是军用领域都有着重要的理论和实际意义。

传统的微带滤波器为半开放结构，体积较大，且阶数越高，插入损耗也越大。悬置微带滤波器和基片集成波导滤波器结构较为复杂，调试过程繁琐且体积较大，很难大规模应用。为了优化滤波器性能并减小体积，基于低温共烧陶瓷技术的多层滤波器设计技术近来备受关注。低温共烧陶瓷技术(LTCC)具有高频特性好、可靠性高、性能稳定、成本低、集成度高等特点，能够将无源器件和有源器件有效的结合在一起，非常适合民用通信、军用雷达、精确制导、电子对抗等各种小型化微波、毫米波电路的集成化发展。

然而，在非常紧凑的体积空间内集成多个毫米波频段的谐振单元以实现LTCC滤波器良好的选择特性，很容易引起非相关谐振单元之间的互耦和串扰，产生不必要的寄生通带，造成滤波器电路的Q值降低，插损增大，带外抑制变差。因此，需要一种体积小、插损低、带外抑制高、集成度高、工艺结构简单适合大批量生产的毫米波带通滤波器及其设计方法，以满足日益发展的高集成无线通讯终端对5G毫米波滤波器等微波元器件小体积、高集成和高性能的要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，所述复合介质毫米波滤波器设置为多层电路，分别包括复合介质体、主体电路层、干扰隔离墙、外电极，其中，所述主体电路层内置于所述复合介质体内部，所述干扰隔离墙环绕于所述主体电路层四周，所述外电极分设于所述主体电路层的顶部和底部。

上述方案的有益效果是，通过在主体电路四周设置干扰隔离墙，并在不同的电路层区域分别使用对应的介质体材料，可在极小的封装体积内实现毫米波滤波器良好的选频特征，利用不用介质体材料的特性最大限度减小非相关谐振单元之间的互耦，降低寄生参数的影响。

进一步的，所述主体电路层包括设置于所述多层电路的第三电路层的第一谐振单元、第三谐振单元和第五谐振单元，设置于所述多层电路的第四电路层的第二谐振单元和第四谐振单元，以及设置于第三电路层的第一开路支节和第二开路支节。

进一步的，所述第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元和第五谐振单元为带状线结构，首尾依次通过所述多层电路的层间耦合，用于实现滤波器的通带传输特性。

进一步的，所述第一开路支节和第二开路支节均为带状线结构，其中所述第一开路支节与所述第二谐振单元通过层间耦合，用于实现所述复合介质毫米波滤波器的第一阻带零点；所述第二开路支节与所述第四谐振单元通过层间耦合，用于实现所述复合介质毫米波滤波器的第二阻带零点。

进一步的，所述干扰隔离墙包括位于所述多层电路的第一电路层的第一接地极板、位于所述多层电路的第二电路层的第二接地极板、位于所述多层电路的第三电路层的第三接地极板、位于所述多层电路的第四电路层的第四接地极板、位于所述多层电路的第五电路层的第五接地极板和位于所述多层电路的第六电路层的第六接地极板，以及连接所述第一接地极板、第二接地极板、第三接地极板、第四接地极板、第五接地极板和第六接地极板之间的多个过孔，其中，所述第一接地极板为所述复合介质毫米滤波器的顶层接地端口、所述第六接地极板为所述复合介质毫米滤波器的底层接地端口。

进一步的，所述多个过孔用于连接所述干扰隔离墙和六个接地极板共地连接，阻隔外部电磁环境的干扰和非相关谐振单元之间的耦合。

进一步的，所述外电极设置于所述第六电路层上，包括复合介质毫米滤波器输入端口、复合介质毫米滤波器输出端口，其中，所述第一谐振单元通过一过孔与复合介质毫米滤波器输入端口相连，所述第五谐振单元通过另一过孔与复合介质毫米滤波器输出端口相连。

进一步的，所述复合介质体包括第一复合介质体和第二复合介质体，其中，所述第一复合介质体分别设置于所述第一电路层和第二电路层之间、第二电路层和第三电路层之间、第四电路层和第五电路层之间以及第五电路层和第六电路层之间的区域，所述第一复合介质体用于降低谐振单元的物理尺寸；所述第二复合介质体设置于所述第三电路层和第四电路层之间，用于降低所述谐振单元与开路支节在毫米波频段引入的寄生参数。

进一步的，所述第一复合介质体的介电常数和介电损耗正切角均高于所述第二复合介质体。

本发明实施例的技术方案具有以下技术优点：

1、体积小，基于低温共烧陶瓷的多层互连技术，使滤波器结构紧凑，可重复性好。通过使用垂直耦合方式，可在较小体积内实现谐振单元之间的连接。同时，在接地层之间的过孔区域使用介电常数相对较高的介质体材料，可进一步缩小其物理尺寸。由于接地层过孔区域没有电路图形，其高介电常数所带来的寄生效应可忽略不计。

2、插入损耗小，在电路层区域使用介电常数相对较低的介质体材料，可最大限度降低带状线谐振单元产生的寄生参数影响，改善滤波器整体性能指标。同时，利用干扰隔离墙尽量阻隔外部电磁环境的干扰和非相关谐振单元之间的耦合，也能有效改善滤波器电路的品质因数，从而在Ka波段实现最大仅为1.2dB的插损。

3、高阻带抑制，利用开路支节在阻带频段可实现高达30dB的抑制，能有效降低非工作频段的噪声和杂波干扰。

4、适合量产，整个毫米波滤波器的设计在确保其电性能不受影响的前提下，最大限度提高了加工工艺的容差程度。例如滤波器内部图形到外部切割边框的距离预留充足，对敏感层电路元件采用蒙特卡洛模拟分析以确保其工艺偏差对整个滤波器电性能的影响在可接受范围内。由此确保该滤波器在量产阶段的工艺稳定性和一致性。

附图说明

图1为本发明实施例的毫米波滤波器的拓扑结构示意图。

图2为本发明实施例的毫米波滤波器的第一层电路示意图。

图3为本发明实施例的毫米波滤波器的第二层电路示意图。

图4为本发明实施例的毫米波滤波器的第三层电路示意图。

图5为本发明实施例的毫米波滤波器的第四层电路示意图。

图6为本发明实施例的毫米波滤波器的第五层电路示意图。

图7为本发明实施例的毫米波滤波器的第六层电路示意图。

图8为本发明实施例的毫米波滤波器的S参数响应曲线。

附图标记说明：

1、第一谐振单元；2、第二谐振单元；3、第三谐振单元；4、第四谐振单元；5、第五谐振单元；6、第一开路支节；7、第二开路支节；8、第一过孔；9、第二过孔；10、滤波器输入端口；11、滤波器输出端口；12、顶层接地端口；13、底层接地端口；14、干扰隔离墙第一区块；15、干扰隔离墙第二区块；16、干扰隔离墙第三区块；17、干扰隔离墙第四区块；18、干扰隔离墙第五区块。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图8中所示的一种复合介质毫米波滤波器，其包括复合介质体、设置于复合介质体内的主体电路层、干扰隔离墙以及设置于介质体底部的外电极。

本方案中，可以基于低温共烧陶瓷工艺将滤波器的多层电路内置于陶瓷介质体中，在三维电路基板上实现各阶谐振单元和开路支节的集成，实现电路的小型化和高密度化。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。例如可以采用钯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。具体而言，

如图1所示为本发明实施例的毫米波滤波器拓扑结构示意图。滤波器的多层电路内置于3.0mm×2.5mm×1.0mm的复合介质体内部，并在870℃±20℃的温度下烧结成型。滤波器的外电极包括输入端口10、输出端口11和接地端口，接地端口包括顶层接地端口12和底层接地端口13。

如图2所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第一层电路示意图，该电路层为大面积接地，作为干扰隔离墙的第一接地极板，同时也即是滤波器的顶层接地端口12。

如图3所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第二层电路示意图，该电路层作为干扰隔离墙的第二接地极板，分为五个区块，分别是：干扰隔离墙第一区块14、干扰隔离墙第二区块15、干扰隔离墙第三区块16、干扰隔离墙第四区块17和干扰隔离墙第五区块18。

如图4所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第三层电路示意图，该电路层包含有三个谐振单元、两个开路支节和干扰隔离墙的第三接地极板。其中三个谐振单元分别是第一谐振单元1、第三谐振单元3和第五谐振单元5。两个开路支节分别是第一开路支节6和第二开路支节7。干扰隔离墙的第三接地极板跟其第二接地极板一样，分为第一区块14、第二区块15、第三区块16、第四区块17和第五区块18。第一谐振单元1经由第一过孔8与滤波器输入端口10相连，第五谐振单元5经由第二过孔9与滤波器输出端口11相连。

如图5所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第四层电路示意图，该电路层包含两个谐振单元和干扰隔离墙的第四接地极板。其中两个谐振单元分别是第二谐振单元2和第四谐振单元4。干扰隔离墙的第四接地极板跟其第三接地极板一样，分为第一区块14、第二区块15、第三区块16、第四区块17和第五区块18。

如图6所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第五层电路示意图，该电路层作为干扰隔离墙的第五接地极板，同样分为第一区块14、第二区块15、第三区块16、第四区块17和第五区块18。

如图7所示为本发明实施例的毫米波滤波器的第六层电路示意图，该电路层包含有滤波器的三个外电极，分别为输入端口10、输出端口11和底层接地端口13。其中底层接地端口13同时也即是干扰隔离墙的第六接地极板。

复合介质毫米波滤波器的主体设置为多层电路，包含五组谐振单元和两组开路支节。其中五组谐振单元包括位于第三电路层的第一谐振单元1、第三谐振单元3和第五谐振单元5，以及位于第四电路层的第二谐振单元2和第四谐振单元4。两组开路支节包括位于第三电路层的第一开路支节6和第二开路支节7。

第一谐振单元1、第二谐振单元2、第三谐振单元3、第四谐振单元4和第五谐振单元5为带状线结构，它们首尾依次通过层间耦合，共同实现滤波器的通带传输特性。第一开路支节6为带状线结构，它和第二谐振单元2通过层间耦合，实现滤波器的第一阻带零点；第二开路支节7为带状线结构，它和第四谐振单元4通过层间耦合，实现滤波器的第二阻带零点。

干扰隔离墙环绕于谐振单元和开路支节四周，按区域可划分为五个区块，分别为第一区块14、第二区块15、第三区块16、第四区块17和第五区块18。这五个区块同时也作为接地极板存在于滤波器的六个电路层中，包括位于第一电路层的第一接地极板、位于第二电路层的第二接地极板、位于第三电路层的第三接地极板、位于第四电路层的第四接地极板、位于第五电路层的第五接地极板和位于第六电路层的第六接地极板，以及连接这些接地极板之间的过孔。过孔设置为网状结构，将干扰隔离墙的五个区块和六个接地极板共地连接，能确保良好的屏蔽效果，从而最大限度阻隔外部电磁环境的干扰和非相关谐振单元之间的耦合。同时，该结构的过孔长度较短，能最大限度降低过孔层之间出现断裂、错位以及变形的概率，从而降低对工艺精度的要求。

滤波器电路所使用的介质体材料的介电常数可以在很大范围内变动，等效元件的物理尺寸与材料的介电常数的平方根成反比，即介电常数越大，所需的元件尺寸越小，但同时带来的寄生参数影响也越大。为同时满足低插损、高抑制和小体积的需求，可以在不同的电路层区域分别使用不同的介质体材料。在本实施例中，第一电路层和第二电路层之间的区域、第二电路层和第三电路层之间的区域、第四电路层和第五电路层之间的区域，以及第五电路层和第六电路层之间的区域采用介电常数为35的介质体材料，该材料的介电损耗正切角为0.002。这部分区域仅包含过孔区域，用于连接干扰隔离墙的各层接地极板。由于该区域不包含电路层图形，其寄生参数的引入可忽略不计，因此选用介电常数相对较高的介质体材料来压缩过孔区域的纵向空间，进一步缩减滤波器占用的体积。相对的，第三电路层和第四电路层之间的区域采用介电常数为10的介质体材料，该材料的介电损耗正切角为0.001。由于该区域为滤波器的主体电路层，其带状线的寄生参数对电路品质因数的影响较大，因此该区域介质体材料选用相对较低的介电常数来最大限度降低电路图形在毫米波频段引入的寄生参数，从而保持信号传输的完整性。

本实施例滤波器内部第一电路层到第二电路层的厚度为200um。第二电路层到第三电路层的厚度为200um。第三电路层到第四电路层的厚度为40um。第四电路层到第五电路层的厚度为200um。第五电路层到第六电路层的厚度为200um。

如图8所示为本发明实施例中毫米波滤波器的S参数响应曲线。如图所示，滤波器在27.5～29.5GHz的工作频段最大插损仅为1.1dB，同时在22.1～24.6GHz以及32.3～34.9GHz的阻带均可实现高达30dB以上的带外抑制水平。此外，滤波器的回波损耗在工作频段达到16dB以上。上述指标体现了该毫米波滤波器良好的传输特性和较高的品质因数。

综上所述，本发明提供了一种复合介质毫米波滤波器，基于多层技术将其主体电路内置于两种不同介电常数的陶瓷材料中，并在主体电路四周设置了干扰隔离墙，可有效阻隔外部电磁环境的影响和干扰，具有Q值高、体积小、插损低、带外抑制高等优异性能。同时，在确保滤波器电性能不受影响的前提下，最大限度提高了加工工艺的容差程度，实现了较高的工艺稳定性和一致性，且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。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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读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实质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 (8)

1.一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述复合介质毫米波滤波器设置为多层电路，分别包括复合介质体、主体电路层、干扰隔离墙、外电极，其中，所述主体电路层内置于所述复合介质体内部，所述干扰隔离墙环绕于所述主体电路层四周，所述外电极分设于所述主体电路层的顶部和底部；

所述主体电路层包括设置于所述多层电路的第三电路层的第一谐振单元(1)、第三谐振单元(3)和第五谐振单元(5)，设置于所述多层电路的第四电路层的第二谐振单元(2)和第四谐振单元(4)，以及设置于第三电路层的第一开路支节(6)和第二开路支节(7)；

所述第一谐振单元(1)、第二谐振单元(2)、第三谐振单元(3)、第四谐振单元(4)和第五谐振单元(5)为带状线结构，首尾依次通过所述多层电路的层间耦合，用于实现滤波器的通带传输特性。

2.根据权利要求1所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述第一开路支节(6)和第二开路支节(7)均为带状线结构，其中所述第一开路支节(6)与所述第二谐振单元(2)通过层间耦合，用于实现所述复合介质毫米波滤波器的第一阻带零点；所述第二开路支节(7)与所述第四谐振单元(4)通过层间耦合，用于实现所述复合介质毫米波滤波器的第二阻带零点。

3.根据权利要求2所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述干扰隔离墙包括位于所述多层电路的第一电路层的第一接地极板、位于所述多层电路的第二电路层的第二接地极板、位于所述多层电路的第三电路层的第三接地极板、位于所述多层电路的第四电路层的第四接地极板、位于所述多层电路的第五电路层的第五接地极板和位于所述多层电路的第六电路层的第六接地极板，以及连接所述第一接地极板、第二接地极板、第三接地极板、第四接地极板、第五接地极板和第六接地极板之间的多个过孔，其中，所述第一接地极板为所述复合介质毫米滤波器的顶层接地端口(12)、所述第六接地极板为所述复合介质毫米滤波器的底层接地端口(13)。

4.根据权利要求3所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述多个过孔用于连接所述干扰隔离墙和六个接地极板共地连接，阻隔外部电磁环境的干扰和非相关谐振单元之间的耦合。

5.根据权利要求4所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述外电极设置于所述第六电路层上，包括复合介质毫米滤波器输入端口(10)、复合介质毫米滤波器输出端口(11)，其中，所述第一谐振单元(1)通过一过孔与复合介质毫米滤波器输入端口(10)相连，所述第五谐振单元(5)通过另一过孔与复合介质毫米滤波器输出端口(11)相连。

6.根据权利要求5所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述复合介质体包括第一复合介质体和第二复合介质体，其中，所述第一复合介质体分别设置于所述第一电路层和第二电路层之间、第二电路层和第三电路层之间、第四电路层和第五电路层之间以及第五电路层和第六电路层之间的区域，所述第一复合介质体用于降低谐振单元的物理尺寸；所述第二复合介质体设置于所述第三电路层和第四电路层之间，用于降低所述谐振单元与开路支节在毫米波频段引入的寄生参数。

7.根据权利要求6所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述第一复合介质体的介电常数和介电损耗正切角均高于所述第二复合介质体。

8.根据权利要求7所述的一种基于多层技术的复合介质毫米波滤波器，其特征在于，所述复合介质体基于多层印制电路板工艺或者IPD技术或者低温共烧陶瓷技术中的任意一种制作；所述多层电路采用的内埋金属材料为铜、金或者钯银中的任意一种。

Images