CN113330633B

CN113330633B - 微型天线滤波器及滤波器阵列

Info

Publication number: CN113330633B
Application number: CN202080009444.5A
Authority: CN
Inventors: 简春云; 周蜜
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2040-01-15
Also published as: WO2020148683A1; CN113330633A; US20220077553A1; EP3912222A1; EP3912222B1

Abstract

公开了一种提供感性耦合的滤波器和滤波器阵列。根据一个方面，RF滤波器包括多个电介质层，在电介质层的一侧具有第一接地平面，并且在电介质层的相对侧具有第二接地平面。第一接地平面和第二接地平面之一提供输入端口，第一接地平面和第二接地平面之一提供输出端口。两个平行的带状线谐振器位于第一平面中，该第一平面与第一接地平面和第二接地平面平行并位于它们之间，两个平行的带状线谐振器之间具有间隙。靠近间隙的感性耦合板在边缘处接地并位于第二平面中，第二平面平行于第一平面并位于第一平面与第一接地平面和第二接地平面中的一个之间。

Description

微型天线滤波器及滤波器阵列

技术领域

本公开涉及无线通信，并且具体地涉及无线电中用于射频(RF)前端的滤波器，并且更具体地涉及用于第五代(5G)毫米(mm)波应用中的微型滤波器设计的感性耦合布置。

背景技术

工作频率为28千兆赫兹(GHz)或更高频率的有源天线系统(AAS)需要大型天线阵列。这种天线阵列可以具有32x32个元件或64x64个元件或甚至更高。图1示出了具有双极化天线元件的示例4x4天线阵列。该阵列有4行，每行4个天线元件对。在高频下，天线尺寸变得非常小。例如，在28GHz下，一个天线元件尺寸可以是约5mm x 5mm。每个天线元件后面是滤波器。因此，滤波器也应该非常小，并且可能需要微型滤波器，尤其是在x-y维度上。由于尺寸和重量的优势，多层低温共烧陶瓷(LTCC)和印刷电路板(PCB)滤波器设计针对高频操作通常是优选的。然而，高阶多层LTCC或PCB滤波器在功率方面的损耗非常大，即，从功率的角度来看，这些滤波器效率不高。

许多现有的微型滤波器设计使用平行的容性耦合半波长带状线谐振器，如图2所示。一些较新的微型滤波器设计采用四分之一波长带状线谐振器来减少x-y维度上的占用空间，例如图3中所示。然而，在平行耦合谐振器结构下，在滤波器设计中很难实现传输零点。

Murata的美国专利No.6,424,236公开了一种3极滤波器设计，在滤波器通带的低侧具有两个传输零点，如图4的(a)和图4的(b)所示。三个谐振器36、37和38通过谐振器上方的两个容性板42和43平行耦合。此外，在滤波器设计中，在主耦合板42和43上方设置容性耦合板47以调整传输零点的位置。由于Murata的设计使用平行耦合的感性-容性(LC)型谐振器，因此该设计在x-y维度上较大，尤其是在滤波器阶数增加的情况下。此外，Murata的设计仅在滤波器通带的低侧上创建零点，而无法在滤波器通带的高侧上创建零点。

滤波器通带的低侧处的传输零点相对容易实现，这是因为通过多层滤波器设计更容易实现电容。相比之下，在多层滤波器设计中更难实现电感，尤其是在对传输零点实现有用的范围内的电感。传统上，涡旋或螺旋型结构已被用于设计射频集成电路(RFIC)和多层陶瓷滤波器中的电感器。然而，这样的结构构建起来相当复杂并且通常损耗较大。

发明内容

一些实施例有利地提供了用于毫米(mm)波应用中的微型滤波器设计的感性耦合布置。特别地，公开了一种在两个平行耦合的谐振器之间实现感性耦合的方法。这种类型的感性耦合特别适合在滤波器设计中实现传输零点。在一些实施例中，感性耦合通过耦合板实现，该耦合板可以在一端接地。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将更容易理解对本实施例以及其所伴随的优点和特征的更完整的理解，在附图中：

图1是：(a)具有双极化元件的小型天线阵列的俯视图的图示；以及(b)具有双极化元件的小型天线阵列的侧视图的图示。

图2是半波长谐振滤波器的俯视图。

图3是四分之一波长谐振滤波器的俯视图。

图4是：(a)在滤波器的较低频带处具有两个传输零点的3极滤波器的图；以及(b)在滤波器的较低频带处具有两个传输零点的3极滤波器的图。

图5是：(a)由接地的感性耦合板耦合的示例2极滤波器的底视图；(b)由接地的感性耦合板耦合的示例2极滤波器的侧视图；以及(c)根据本公开的实施例的等效电路模型。

图6是：(a)根据本公开的实施例的大感性耦合板的S参数的曲线图；以及(b)根据本公开的实施例的小感性耦合板的S参数的曲线图。

图7是根据耦合板尺寸的电感变化的曲线图。

图8是：(a)根据本公开的实施例的具有接地的感性耦合板的3极滤波器的底视图；(b)根据本公开的实施例的具有接地的感性耦合板的3极滤波器的侧视图；以及(c)根据本公开的实施例的等效电路模型。

图9是图8的滤波器的S参数的曲线图。

图10是：(a)根据本公开的实施例的具有接地的感性耦合板的4极滤波器的底视图；(b)根据本公开的实施例的具有接地的感性耦合板的4极滤波器的侧视图；以及(c)根据本公开实施例的等效电路模型。

图11是图10的滤波器的S参数的曲线图。

具体实施方式

在详细描述示例性实施例之前，应注意，实施例主要在于与用于毫米(mm)波应用中的微型滤波器设计的感性耦合方法相关的装置组件和处理步骤的组合。因此，在附图中在适当的情况下通过常规符号表示了组件，仅示出了与理解实施例相关的那些特定细节，以便不会由于对于受益于本文描述的本领域普通技术人员而言显而易见的细节而使本公开晦涩。贯穿说明书，相似的标记指代相似的元件。

如本文所使用的，关系术语(如“第一”和“第二”，“顶”和“底”等)可以仅用于将一个实体或元件与另一实体或元件进行区分，而不一定要求或暗示这些实体或元件之间的任何物理或逻辑关系或顺序。本文使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本文描述的构思。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在还包括复数形式，除非上下文明确地给出相反的指示。还将理解，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”在本文中使用时表示存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。

在本文描述的实施例中，连接术语“与……通信”等可用于指示电或数据通信，其例如可以通过物理接触、感应、电磁辐射、无线电信令、红外信令或光信令来实现。本领域普通技术人员将理解，多个组件可以互操作，并且修改和变化可以实现该电和数据通信。

在本文描述的一些实施例中，术语“耦合”、“连接”等在本文中可以用于指示连接(尽管不一定是直接的)，并且可以包括有线和/或无线连接。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。还将理解，本文所使用的术语应被解释为与它们在本说明书的上下文和相关技术中的意义相一致，而不被解释为理想或过于正式的意义，除非本文明确地这样定义。

再次参考附图，其中相同的元件用相同的参考标号表示，在图5的(a)和图5的(b)分别示出了根据本公开的原理构造的滤波器的实施例的底视图和侧视图。感性耦合板100位于接地平面98a和98b之间，以在两个四分之一波长的平行的谐振器102a和102b之间提供感性耦合。与传统的容性耦合板相比，图5的(a)中的感性耦合板100在一侧接地。因此，当感性导电板100的尺寸在一定范围内时，导电板100表现为电感而非电容。该电感可以由图5的(c)中所示的电路模型来建模。在一些实施例中，接地过孔104从接地平面98b向上延伸并且接地过孔106从接地平面98a向下延伸。接地平面98a也有两个开口，一个用于输入端口108a，一个用于输出端口108b。

图6示出了图5的滤波器电路的S参数，左侧针对两个耦合板中的较大者(图6的(a))，右侧针对两个耦合板中的较小者(图6的(b))。S11是滤波器输入反射S参数，S21是滤波器传输S参数。曲线204、205所示的S11在阻带中为高而在通带中为低。S21的情况正好相反。示出了S11和S21两条曲线。一条曲线208是根据对图5的(c)的2极电路模型的分析产生的，另一条曲线206是通过被称为HFSS的商业电磁仿真工具通过对图5的(a)和图5的(b)的电路结构的仿真而产生的。这些曲线表明感性耦合板确实表现为电感，而不是电容。图7是示出由于通过改变板宽度(曲线210)和板长度(曲线212)来改变耦合板面积而引起的电感变化的曲线图。

为了说明所提出的感性耦合板100可以如何用于在滤波器功能中提供传输零点，图8和图9示出了具有在谐振器102a和谐振器102b之间提供感性交叉耦合的感性耦合板100的3极滤波器设计的示例。如上在图5所示，感性耦合板100放置在具有谐振器102a和102b的层的下方。感性耦合板100的中心线与谐振器102a和102b之间的间隙的中心线对齐。感性耦合板可以比谐振器102a和102b之间的间隙宽或窄。如图5所示，谐振器102a和102b位于接地平面98a与98b之间。此外，还有另一接地平面98c和在接地平面98c上方的谐振器。第一过孔104从接地平面98b朝向感性耦合板100延伸。第二过孔106从接地平面98c朝向感性耦合板延伸。此外，输入端口108a和输出端口108b通过接地平面98b提供。

因此，图8的(a)和图8的(b)示出了三极滤波器的物理结构，图8的(c)示出了该设计的电路模型。感性耦合板100在滤波器通带的高侧上产生传输零点。图9示出了感性耦合板100的三种不同尺寸的HFSS仿真结果。可见，在通带的高端之上存在传输零点，其随着感性耦合板的尺寸减小，从曲线214向右移动到曲线216再到曲线218。

图10的(a)和图10的(b)示出了具有在谐振器102a和102b之间提供感性交叉耦合的感性耦合板100的4极滤波器。图8的滤波器与图10的滤波器之间的区别在于在接地平面98c上方添加了谐振器。这种配置创建了附加极并定位两个传输零点，在滤波器通带的每一侧上一个。这种4极滤波器的电路模型如图10的(c)所示。图11示出了图10的滤波器的S参数，在图11中，可以看到感性耦合板产生了两个传输零点，在通带的每一侧有一个传输零点，其中随着感性耦合板尺寸的减小，较低频率的零点向左移动(曲线220到曲线222到曲线224)，并且随着感性耦合板尺寸的减小，较高频率的零点向右移动(曲线226到曲线228到曲线230)。

本文描述的一些实施例通过使用相对简单的感性耦合板来感应地交叉耦合两个平行的谐振器(这些平行的谐振器可以是四分之一波长谐振器)，从而易于在高频微型滤波器中产生并控制传输零点，同时避免使用涡旋或螺旋感性元件(其占用更多空间、损耗更大)的更复杂的设计。

因此，一些实施例包括RF滤波器。在一些实施例中，RF滤波器包括多个电介质层，在电介质层的一侧上具有第一接地平面98a，并且在电介质层的相对侧具有第二接地平面98b。第一接地平面98a和第二接地平面98b之一提供输入端口108a，而第一接地平面和第二接地平面之一提供输出端口108b。两个平行的带状线谐振器102a和102b位于第一平面中，该第一平面与第一接地平面98a和第二接地平面98b平行并位于它们之间，两个平行的带状线谐振器102a和102b之间具有间隙。间隙附近的耦合板100在边缘处接地并位于第二平面中，第二平面平行于第一平面并位于第一平面与第一接地平面98a和第二接地平面98b之一之间。耦合板100在被间隙分开的两个平行的带状线谐振器102a和102b之间提供感性耦合。

根据该方面，在一些实施例中，耦合板100具有影响谐振器102a和102b之间的耦合(图6)或一个传输零点(图9)或多个传输零点(图11)在RF滤波器的频率响应的高端处的位置的宽度和长度。在一些实施例中，RF滤波器还包括垂直于耦合板100并从最靠近耦合板100的接地平面98b朝向耦合板100延伸的第一接地过孔104。在一些实施例中，RF滤波器还包括垂直于耦合板100并从不是最靠近耦合板的接地平面98c朝向耦合板100延伸的第二接地过孔106。在一些实施例中，两个平行的带状线谐振器102a和102b中的每一个的长度为四分之一波长并且在滤波器的与耦合板100的接地的边缘相同的一侧在边缘处接地。在一些实施例中，两个平行的带状线谐振器102a和102b中的每一个耦合到第一接地平面98a和第二接地平面98b之一的输入端口108a和输出端口108b之一。注意，在一些实施例中，输入端口和输出端口可以互换角色，输入端口108a变成输出端口并且输出端口108b变成输入端口。

根据另一方面，提供了滤波器阵列，每个滤波器耦合到天线元件阵列的不同天线元件。每个滤波器包括耦合到天线元件的输入端口108a/输出端口108b。滤波器还包括在滤波器的最靠近天线元件的一侧上的第一接地平面98b，输入端口108a/输出端口108b通过第一接地平面98b中的开口耦合到天线元件。滤波器还包括在滤波器的相对侧上的第二接地平面98a。一对带状线谐振器102a和102b位于第一接地平面98a和第二接地平面98b之间，该对带状线谐振器之间具有间隙，该对带状线谐振器位于第一平面中，第一平面与第一接地平面98a和第二接地平面98b平行并从其偏离。感性耦合板100位于第二平面中，第二平面平行于带状线谐振器102a和102b的平面并且位于带状线谐振器102a和102b的平面与第一接地平面98a和第二接地平面98b中的一个之间，感性耦合板100的中心线与该对带状线谐振器之间的间隙的中心线对齐，感性耦合板100在滤波器的一个边缘处接地。

根据该方面，在一些实施例中，感性耦合板100具有经调整以实现特定滤波器响应的宽度和长度。在一些实施例中，多个滤波器形成在印刷电路板和低温共烧陶瓷结构中的一者上。在一些实施例中，滤波器还包括从第一接地平面和第二接地平面98b中的最靠近第二平面的一个接地平面朝向感性耦合板100延伸的第一接地过孔104。在一些实施例中，滤波器还包括从不是最靠近第二平面的接地平面98c朝向感性耦合板100延伸的第二接地过孔106。在一些实施例中，两个带状线谐振器102a和102b中的每一个的长度为四分之一波长并且在滤波器的与感性耦合板100的接地的边缘相同的一侧上在边缘处接地。

前面描述中可能使用的缩略语包括：

缩略语解释

AAS 有源天线系统

LTC 低温共烧陶瓷

HFSS 商用电磁仿真工具

本领域技术人员将认识到，本文描述的实施例不限于以上在本文中已经具体示出和描述的内容。另外，除非在上面相反地提及，否则应该注意的是，所有附图都不是按比例绘制的。鉴于上述教导，可以进行各种修改和变化。

Claims

1.一种微型天线滤波器，包括：

多个电介质层；

第一接地平面(98a)，位于所述多个电介质层的一侧上；

第二接地平面(98b)，位于所述多个电介质层的相对侧上并且平行于所述第一接地平面(98a)；

所述第一接地平面和所述第二接地平面(98a、98b)中的一个接地平面提供输入端口(108a)，并且所述第一接地平面和所述第二接地平面中的一个接地平面提供输出端口(108b)；

两个平行的带状线谐振器(102a、102b)，位于第一平面中，所述第一平面平行于所述第一接地平面和所述第二接地平面并位于所述第一接地平面与所述第二接地平面之间，所述两个平行的带状线谐振器(102a、102b)之间具有间隙；以及

靠近所述间隙的耦合板(100)，所述耦合板(100)在一个边缘处接地并位于第二平面中，所述第二平面平行于所述第一平面并位于所述第一平面与所述第一接地平面和所述第二接地平面(98a、98b)中的一个接地平面之间，所述耦合板(100)的中心线与所述两个平行的带状线谐振器(102a、102b)之间的所述间隙的中心线对齐，所述耦合板(100)被配置为在被所述间隙分开的所述两个平行的带状线谐振器(102a、102b)之间提供感性耦合,

其中，所述耦合板(100)具有适于在所述两个平行的带状线谐振器(102a和102b)之间提供感性耦合以及在RF滤波器的频率响应的高端处提供一个或多个传输零点的宽度和长度,其中，所述一个或多个传输零点随着所述耦合板(100)的尺寸减小而移动到更高的频率。

2.根据权利要求1所述的微型天线滤波器，还包括第一接地过孔，所述第一接地过孔垂直于所述耦合板(100)并从最靠近所述耦合板(100)的接地平面朝向所述耦合板(100)延伸。

3.根据权利要求2所述的微型天线滤波器，还包括第二接地过孔，所述第二接地过孔垂直于所述耦合板(100)并从不是最靠近所述耦合板(100)的接地平面朝向所述耦合板(100)延伸。

4.根据权利要求1所述的微型天线滤波器，其中，所述两个平行的带状线谐振器(102a、102b)中的每一个的长度为四分之一波长，并在所述滤波器的与所述耦合板(100)的接地的边缘同侧的边缘处接地。

5.根据权利要求1所述的微型天线滤波器，其中，所述两个平行的带状线谐振器(102a、102b)中的每一个耦合到所述第一接地平面和所述第二接地平面之一的输入端口和输出端口之一。

6.一种滤波器阵列，包括根据前述权利要求中任一项所述的多个滤波器，每个滤波器能够耦合到天线元件阵列的不同天线元件，其中，对于每个滤波器：

所述输入端口/输出端口(108a、108b)耦合到所述天线元件阵列的天线元件；

所述第一接地平面(98a)位于所述滤波器的最靠近所述天线元件的一侧上，所述输入端口/输出端口(108a、108b)通过所述第一接地平面(98a)中的开口耦合到所述天线元件；以及

所述第二接地平面位于所述滤波器的相对侧上。

7.根据权利要求6所述的滤波器阵列，其中，所述多个滤波器形成在印刷电路板和低温共烧陶瓷结构中的一者上。