CN113708027A - 一种基于多层pcb结构的电容加载式小型化5g滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，包括：四分之一波长均匀阻抗谐振器，所述四分之一波长均匀阻抗谐振器的开口端两侧分别加载一平行板，两个所述平行板与所述四分之一波长均匀阻抗谐振器之间分别形成一平板电容；所述四分之一波长均匀阻抗谐振器以及两个所述平行板分别通过一介质基板进行支撑；还包括分别设置在滤波器最顶层的顶层金属地板与设置在滤波器最底层的底层金属地板，顶层金属地板通过一介质基板进行支撑；相邻介质基板之间设置有半固化黏合层进行粘合。加载电容使得谐振频率降低，实现小型化，具有较低的导体损耗，提高了谐振器的Q值，具有低损耗的优势，充分利用在层叠方向上的空间，进一步实现了小型化。

Description

一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，尤其是一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器。

背景技术

滤波器作为射频电路和无线通信系统中不可或缺的重要器件，滤波器的性能决定了整个微波系统的性能与质量。随着以5G为代表的通信技术的全面推进，迫切需要5G通信下N79频段(4400MHz～5000MHz)的小型化且兼具高性能的带通滤波器。

目前常用的小型化带通滤波器，按照实现小型化的实现方式大致可分为非全模基片集成波导(SIW)带通滤波器、开环谐振器(SRR)滤波器、集总电容(或电感)加载滤波器。

就目前非全模基片集成波导(SIW)带通滤波器而言，将基片集成波导沿中心对称(或对角线)切割成半模(或四分之一模，八分之一模)谐振器时，尽管减小了谐振器体积，但同时破坏了腔体的封闭结构，增大了辐射损耗，降低了Q值，存在损耗较大等缺点。

就目前开环谐振器(SRR)滤波器而言，由于开环谐振器的尺寸为二分之一波长，所占体积为四分之一波长短路谐振器的两倍，存在小型化效果有限等缺点。

就目前集总电容(或电感)加载滤波器而言，由于集总元件电容、电感在频率较高时会产生分布参数的限制，电容容值、电感感值无法维持标称数值且不易控制，存在集总电容(或电感)加载滤波器在高频时不易被设计等缺点；此外集总元件的引入也会带来额外的导体损耗，存在滤波器损耗较大等缺点。

综上所述，目前要实现小型化的带通滤波器存在损耗较大、小型化效果有限、不易被设计等缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，包括：四分之一波长均匀阻抗谐振器，所述四分之一波长均匀阻抗谐振器的开口端两侧分别加载一平行板，两个所述平行板与所述四分之一波长均匀阻抗谐振器之间分别形成一平板电容；

所述四分之一波长均匀阻抗谐振器以及两个所述平行板分别通过一介质基板进行支撑；

还包括分别设置在滤波器最顶层的顶层金属地板与设置在滤波器最底层的底层金属地板，顶层金属地板通过一介质基板进行支撑；相邻介质基板之间设置有半固化黏合层进行粘合。

进一步地，所述滤波器四周设置有贯通金属化过孔，贯通金属化过孔沿滤波器边缘均匀布置。

进一步地，所述四分之一波长均匀阻抗谐振器为多个，且多个四分之一波长均匀阻抗谐振器在水平方向上级联设置。

进一步地，所述四分之一波长均匀阻抗谐振器的数量为四个，分别为第一四分之一波长均匀阻抗谐振器、第二四分之一波长均匀阻抗谐振器、第三四分之一波长均匀阻抗谐振器以及第四四分之一波长均匀阻抗谐振器，四个四分之一波长均匀阻抗谐振器在水平方向上依次级联。

进一步地，相邻的四分之一波长均匀阻抗谐振器之间择一采用直连金属片进行级联或是交指式结构进行级联。

进一步地，所述交指式结构包括多个第一交指部和多个第二交指部，第一交指部与第二交指部分别连接在一个四分之一波长均匀阻抗谐振器上，第一交指部与第二交指部交替布置，且第一交指部与第二交指部间隔设置间隙，第一交指部与第二交指部与对侧的四分之一波长均匀阻抗谐振器之间设置间隙。

进一步地，还包括输入端口和输出端口，所述输入端口和所述输出端口分别与所述第一四分之一波长均匀阻抗谐振器或所述第四四分之一波长均匀阻抗谐振器相连接。

进一步地，所述输入端口和所述输出端口与底层金属地板共面，且与底层金属地板之间设置间隙，通过金属柱与四分之一波长均匀阻抗谐振器相连接。

进一步地，所述平行板为铜板。

本发明的有益效果体现在：

在四分之一波长均匀谐振器的开口端两侧分别加载一平行板，使谐振频率降低，实现小型化，分布电容加载式滤波器和集总元件加载式滤波器相比具有较低的导体损耗，提高了谐振器的Q值，具有低损耗的优势。

分别对四分之一波长均匀阻抗谐振器、两个平行板、顶层金属地板均采用了一块介质基板进行支撑，这四块介质基板之间相邻的介质基板采用半固化黏合层进行粘合，采用多层PCB压合技术，在带通滤波器的层叠方向上进行压合，充分利用在层叠方向上的空间，进一步实现小型化。

附图说明

图1为本发明所提供的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器结构示意图；

图2为本发明所提供的四分之一波长均匀阻抗谐振器与平行板安装的示意图；

图3为本发明所提供的另一视角的四分之一波长均匀阻抗谐振器与平行板安装的示意图；

图4为本发明所提供的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器的安装示意图；

图5为本发明所提供的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器的安装俯视图；

图6为本发明所提供的小型化谐振器单元级联示意图；

图7为本发明所提供的四分之一波长均匀阻抗谐振器级联示意图；

图8为本发明基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器外观示意图；

图9为本发明所提供的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器耦合拓扑图；

图10为本发明所提供的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器1-8GHz频率响应图；

附图标记

四分之一波长均匀阻抗谐振器10、第一四分之一波长均匀阻抗谐振器11、第二四分之一波长均匀阻抗谐振器12、第三四分之一波长均匀阻抗谐振器13、第四四分之一波长均匀阻抗谐振器14、直连金属片15、交指式结构16、第一交指部161、第二交指部162、平行板20、介质基板30、顶层金属地板41、底层金属地板42、金属化过孔43、黏合层50、输入端口61、输出端口62、金属柱63。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图10所示，本发明提供一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，包括：四分之一波长均匀阻抗谐振器10，四分之一波长均匀阻抗谐振器10的开口端两侧分别加载一平行板20，两个平行板20与四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间分别形成一平板电容；四分之一波长均匀阻抗谐振器10以及两个平行板20分别通过一介质基板30进行支撑；还包括分别设置在滤波器最顶层的顶层金属地板41与设置在滤波器最底层的底层金属地板42，顶层金属地板41通过一介质基板30进行支撑；相邻介质基板30之间设置有半固化黏合层50进行粘合。

现有技术中要实现小型化的带通滤波器，其小型化的效果均有限，在应用到射频电路或是无线通讯系统中时，带通滤波器较大的体积限制了应用场景的进一步发展。

本发明所提供的技术方案中，在四分之一波长均匀谐振器的开口端两侧分别加载一平行板20，平行板20与四分之一波长均匀谐振器均为导体，且四分之一波长均匀谐振器与两个平行板20之间还分别设置有介质基板30，使四分之一波长均匀谐振器-介质基板30-平行板20，共同构成了一个平板电容。

通过金属化过孔43将四分之一波长谐振器和金属地板连在一起，进行短路连接。

平行板20和金属地板也通过金属化过孔43连在一起，使平板电容与底板连接，形成对地电容。

通过在四分之一波长均匀谐振器的开口端两侧都设置有平行板20，形成两个平板电容，根据谐振频率

电容加载后对地电容增大，相应的使谐振频率降低，实现了小型化。

另外，设置平行板20来形成板状电容的方式小型化的效果可以通过改变所加载平行板20与四分之一波长均匀阻抗谐振器10的重叠面积、距离、对齐程度等参数调节，实现等效LC的值的改变，从而改变传输线的等效RLC电路的值，实现滤波器谐振频率的改变。

本申请所提供的技术方案设计原理清晰、结构简明、易于调控。相较于传统的集总电容/电感加载滤波器，分布电容式加载滤波器减小了导体损耗，提高了谐振器的Q值，具有低损耗的优势。

分别对四分之一波长均匀阻抗谐振器10、两个平行板20、顶层金属地板41均采用了一块介质基板30进行支撑，这四块介质基板30之间相邻的介质基板30采用半固化黏合层50进行粘合，采用多层PCB压合技术，在带通滤波器的层叠方向上进行压合，减小了带通滤波器在层叠方向上的空间，在滤波器的结构上进一步实现滤波器的小型化设计。

相对于常规的微带线滤波器，本申请所提供的技术方案利用了滤波器层叠方向上的空间，可为小型微波电路设计提供参考指导。并且加工难度小、制作成本低适用于大规模制造生产。

进一步地，平行板20为铜板。

如图4、图5、图8所示，进一步地，滤波器四周设置有贯通金属化过孔43，贯通金属化过孔43沿滤波器边缘均匀布置。

顶层金属地板41和底层金属地板42通过四周的贯通金属化过孔43连接起来构成了金属屏蔽腔体。金属屏蔽腔体的构造也增加了对地电容，进一步增强了小型化的效果，同时，减小了辐射损耗，提高了带通滤波器的电磁兼容能力。作为优选的金属地板可采用铜板。

如图4、图5、图6、图7所示，进一步地，四分之一波长均匀阻抗谐振器10为多个，且多个四分之一波长均匀阻抗谐振器10在水平方向上级联设置。相应的，每一个四分之一波长均匀阻抗谐振器10的开口端两侧都各加载有一个平行板20，构成一个小型化谐振器单元。

在构建小型化谐振单元的基础上，在水平方向级联谐振器以构建多阶带通响应。可以连续级联任意阶数谐振器以满足不同的性能要求，具有可塑性强，可拓展应用。需要说明的是此处性能所描述的性能需求包括多阶数滤波器、对阻带有严格要求的滤波器等。本发明所提出的耦合方式适用于任意阶数的电耦合或磁耦合级联并且电耦合与磁耦合的位置可以根据需求随意变换。

如图4、图5、图6、图7所示，一种优选的实施方式，四分之一波长均匀阻抗谐振器10的数量为四个，分别为第一四分之一波长均匀阻抗谐振器11、第二四分之一波长均匀阻抗谐振器12、第三四分之一波长均匀阻抗谐振器13以及第四四分之一波长均匀阻抗谐振器14，四个四分之一波长均匀阻抗谐振器10在水平方向上依次级联。每个四分之一波长均匀阻抗谐振器10均与两个平行板20共同构成一个小型化谐振单元，四个小型化谐振单元依次级联，以构建出四阶带通响应，从而实现四阶切比雪夫带通滤波器设计。

如图4、图5所示，进一步地，相邻的四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间择一采用直连金属片15进行级联或是交指式结构16进行级联。

直连金属片15是与两个级联的四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间分别连接，为电流提供直接路径，以实现磁耦合。而交指结构的设置实现了两个四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间的电耦合。磁耦合与电耦合的方式均是实现四分之一波长均匀阻抗谐振器10的主路径耦合，两个相邻的四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间仅需采用一种磁耦合或电耦合中的一种方式进行连接。

如图5所示，进一步地，交指式结构16包括多个第一交指部161和多个第二交指部162，第一交指部161与第二交指部162分别连接在一个四分之一波长均匀阻抗谐振器10上，第一交指部161与第二交指部162交替布置，且第一交指部161与第二交指部162间隔设置间隙，第一交指部161与第二交指部162与对侧的四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间设置间隙。

第一交指部161与第二交指部162均采用金属铜板制成，可通过控制第一交指部161与第二交指部162之间的间隙大小、第一交指部161和第二交指部162分别与对侧四分之一波长均匀阻抗谐振器10之间的间隙大小、交指部的数量来控制电耦合的效果。

如图4、图6所示，进一步地，还包括输入端口61和输出端口62，输入端口61和输出端口62分别与第一四分之一波长均匀阻抗谐振器11或第四四分之一波长均匀阻抗谐振器14相连接。

输入端和输出端分别和级联的第一个四分之一波长均匀阻抗谐振器10和最后一个四分之一波长均匀阻抗谐振器10相连，进行信号的输入与谐振信号的输出。

如图4所示，进一步地，输入端口61和输出端口62与最底层的金属地板共面，且与最底层金属地板42之间设置间隙，通过金属柱63与四分之一波长均匀阻抗谐振器10相连接。构成共面波导式馈电端口，输入输出端口62与最底层金属铜层位于同一平面的特性，使得滤波器更易集成于微波电路当中。与最底层金属地板42之间设置间隙，通过空间耦合引入弱源负载耦合，使得通带的两侧各产生一传输零点，如图9所示，其中实线部分表示为主路径耦合，虚线部分表示为弱源负载耦合。传输零点的引入提高了带通滤波器的选择性，也改善了带外抑制，提高了阻带性能。

作为一种优选的实施方案，介质基板30材料采用0.254mm厚的Rogers5580；半固化片黏合层50为0.1mm厚的Ro4450F，相对介电常数为3.52，电介质损耗角正切为0.004；金属铜层的厚度为0.018mm。带通滤波器设计频段为5G通信下的N79频段(4400MHz～5000MHz)，中心频率为4.64GHz，-3dB带宽为4.25GHz～5.03GHz，相对带宽为16.81％，带内最小插入损耗为-1.059dB。整个滤波器的尺寸为10.36mm×9.3mm×1.406mm(0.16λ×0.144λ×0.022λ)。测试结果如图10所示，易满足当下5G通信中对N79频段(4400MHz～5000MHz)带通滤波器的需求，具有广阔的应用场景。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于，包括：四分之一波长均匀阻抗谐振器，所述四分之一波长均匀阻抗谐振器的开口端两侧分别加载一平行板，两个所述平行板与所述四分之一波长均匀阻抗谐振器之间分别形成一平板电容；

所述四分之一波长均匀阻抗谐振器以及两个所述平行板分别通过一介质基板进行支撑；

还包括分别设置在滤波器最顶层的顶层金属地板与设置在滤波器最底层的底层金属地板，顶层金属地板通过一介质基板进行支撑；

相邻介质基板之间设置有半固化黏合层进行粘合。

2.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述滤波器四周设置有贯通金属化过孔，贯通金属化过孔沿滤波器边缘均匀布置。

3.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述四分之一波长均匀阻抗谐振器为多个，且多个四分之一波长均匀阻抗谐振器在水平方向上级联设置。

4.根据权利要求3所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述四分之一波长均匀阻抗谐振器的数量为四个，分别为第一四分之一波长均匀阻抗谐振器、第二四分之一波长均匀阻抗谐振器、第三四分之一波长均匀阻抗谐振器以及第四四分之一波长均匀阻抗谐振器，四个四分之一波长均匀阻抗谐振器在水平方向上依次级联。

5.根据权利要求4所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：相邻的四分之一波长均匀阻抗谐振器之间择一采用直连金属片进行级联或是交指式结构进行级联。

6.根据权利要求5所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述交指式结构包括多个第一交指部和多个第二交指部，第一交指部与第二交指部分别连接在一个四分之一波长均匀阻抗谐振器上，第一交指部与第二交指部交替布置，且第一交指部与第二交指部间隔设置间隙，第一交指部与第二交指部与对侧的四分之一波长均匀阻抗谐振器之间设置间隙。

7.根据权利要求3所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：还包括输入端口和输出端口，所述输入端口和所述输出端口分别与所述第一四分之一波长均匀阻抗谐振器或所述第四四分之一波长均匀阻抗谐振器相连接。

8.根据权利要求7所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述输入端口和所述输出端口与底层金属地板共面，且与底层金属地板之间设置间隙，通过金属柱与四分之一波长均匀阻抗谐振器相连接。

9.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的电容加载式小型化5G滤波器，其特征在于：所述平行板为铜板。

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