CN114521305B - 多层滤波器、布置及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种多层信号滤波器(1)包括至少三个物理层(2a、2b、2c、2d、2e、...、2n)。每层均具有贯通孔(3)，该贯通孔(3)被布置成相对于至少一个相邻层的孔(3)偏移，每层均进一步具有用于接收要被滤波的信号的滤波通道开口(77)。所述孔(3)沿所述滤波通道开口(77)外的周边布置，并且所述孔(3)布置有增加所述孔(3)的边缘长度的中央表面部分(5)。

Description

多层滤波器、布置及其生产方法

技术领域

本发明总体上涉及一种多层滤波器，该多层滤波器的生产成本低、结构紧凑，并可与天线阵列一起使用。

背景技术

滤波器通常用于去除信号中不合意的部分，例如特定的频段。滤波器的示例有高通、低通和带通滤波器。高通和低通滤波器去除低于或高于特定频率的频率，带通滤波器让一定范围的频率通过该滤波器。不同形式的信号滤波器在本领域中是公知的，并且在信号处理领域有多种滤波器技术，如数字滤波器、电子滤波器、光学滤波器、机械滤波器和波导滤波器。

在与例如5G有关的应用中，市场对具有波束操纵(beam steering)能力的天线阵列有需求，并且这些天线不应在相邻的频段内辐射。如果没有这样的解决方案，干扰将成为日益严重的问题。滤波器抑制相邻频段的不合意的辐射，并且需要基于紧凑而有效的解决方案。在许多应用中，天线阵列中的列放置在一起的距离为半λ，其中λ是自由空间中的波长。这给现有的滤波器技术带来了困难。

同时，无线通信的使用增加，在一些应用中，无线通信取代了传统的有线或光学通信。一个示例是回程的点对点通信链路，无线通信正在成为光纤系统的替换方案，考虑到成本和灵活性时尤其如此。鉴于对高传输率的要求，用于此类通信的频率间隔优选增加，以覆盖比以前更高的频段。一个示例是E频段，该频段例如覆盖71至76GHz和81至86GHz之间的范围，并且能够在回程点对点无线链路中实现多Gbit/s的数据传输。因此，E频段正成为此类应用的受关注的频段。然而，更高的频率对部件制造过程的公差提供了更严格的要求。

现有技术提供了用于此类应用的不同滤波器。一个示例是通过扩散结合(diffusion bonding)生产的滤波器，这种扩散结合提供了精确的制造方法和生产高性能部件的可能性。然而，这种滤波器的生产成本很高，因此不适合作为大规模生产的替换方案。

另一可用的滤波器解决方案是基板集成波导(SIW)滤波器，这种滤波器是紧凑型波导滤波器。尽管存在成本效益高的基板集成波导滤波器的生产方法，但最终产品包括固有的插入损耗。

发明内容

SIW滤波器的固有插入损耗高于例如空气填充波导滤波器的相应损耗。因此，尽管它们提供了成本效益高的替换方案，但仍需要其他解决方案。空气填充波导滤波器通常具有其他缺点，例如，磁场会短距离地穿透金属而产生泄漏，如果两层之间存在间隙特别是间隙位于水平方向上则泄漏会变大。其原因是，电磁波被严格限制，只能在非常短的距离上穿透金属。

介质波导滤波器是减少泄漏的另一种选择，但是由于例如非传播性的消逝波，这种滤波器的问题的特征是不同的。这也是这类滤波器需要在层间有高水平的导电性以减少泄漏的原因。高水平的导电性大大增加了生产成本，并且在制造过程中需要非常高的精度。此外，一般来说，损耗仍然高于空气填充波导滤波器。

关于波导滤波器的制造存在的另一个问题在于，与其他方法(如激光切割或蚀刻)相比，目前的数控铣削和成型水平往往在生产方法上提供不好的公差。这使得生产波导滤波器结构变得困难和/或昂贵。这个问题在某些频率范围内比其他频率范围更明显，例如，数控铣削和成型都是适用于60GHz以下频率的波导的常见生产方法。在较高的E波段和D波段频率范围内(即71GHz到86GHz和110GHz到170GHz)，数控铣削和成型变得非常昂贵，因为相对于生产技术的运作方式，一切都非常小。因此，在某些情况下不适合，在某些情况下甚至不可能达到预期的结果。

一个目的是提供一种易于生产的信号滤波器。

另一个目的是提供一种生产成本低的信号滤波器。

另一个目的是提供一种适用于毫米波频段(20至300GHz)的信号滤波器。

另一个目的是提供一种信号滤波器，该信号滤波器可以方便地使用并与天线阵列集成在一起。

另一个目的是提供一种泄漏低的层叠不连接层的多层滤波器。

另一个目的是提供一种不需要各层之间的电化接触来减少泄漏的多层滤波器。

本发明的另一个目的是提供一种不需要各层之间连接来减少泄漏的多层滤波器。

因此，至少克服了现有技术的一些缺点的紧凑滤波器将是有益的。

因此，本方案涉及一种成本效益高且易于生产的多层信号滤波器，它是一种空气填充波导滤波器(其未连接的薄层层叠在一起)，并克服了现有技术方案的许多缺点。

多层信号滤波器包括至少三个物理层。每层均具有贯通孔，该贯通孔被布置成相对于至少一个相邻层的孔偏移。每层均还具有用于接收要被滤波的信号的滤波通道开口。孔沿滤波通道开口外的周边布置，并且布置有增加孔的边缘长度的中央表面部分。

滤波通道开口外的周边与滤波通道开口有一段距离，即在孔与通道开口之间至少存在层的一些区域。因此，孔与滤波通道开口不连接。滤波通道开口外的周边进一步具有一定形状，在许多实施方式中，该形状与层的形状和/或滤波通道开口的形状不相符。

中央表面部分增加了孔的边缘长度，这是一个优点。这使得较小的孔可以在维持孔性能的情况下使用，以减少多层滤波器的泄漏。因此，孔的尺寸可以减小，例如与周期的一半相对应，或大约是一半。这同样适用于每层中的孔的布置。EBG是一种周期性结构，如果使用例如圆形孔，则其尺寸将是λ，孔优选按λ的距离布置并间隔开。利用本文公开的本结构，孔的尺寸可以是例如λ的一半，并且孔之间的距离也是λ的一半。因此，本方案的一个优点是，孔被设计成增加边缘长度。

本方案的另一个优点是，本文所述的孔延伸穿过整个层，使得每个层更容易生产。

根据一个实施方式，多层信号滤波器中的所有层的滤波通道开口具有至少部分重叠的区域，从而形成穿过多层信号滤波器的滤波通道。

滤波通道在不同的实施方式中以不同尺寸的滤波通道开口布置在各层中，在一些实施方式中，所有层具有不同尺寸的滤波通道开口，但在其他实施方式中，一些层具有相应的开口。一起形成滤波通道的滤波通道开口决定滤波器的特性。

在一个实施方式中，滤波器的特性进一步由多层信号滤波器中的层的厚度决定。例如，在一个实施方案中，层厚度为0.5毫米的狭缝提供高通滤波器特性。在另一个实施方式中，厚度为0.6毫米的狭缝提供低通滤波器响应。在一些实施方式中，这些层厚度组合起来，从而获得带通特性。在一个实施方式中，所有层的层厚度都是一样的，在另一个实施方式中，每隔一层的层厚度都是不同的。在再一个实施方式中，薄层的层厚度在0.1毫米至1毫米之间，并且厚层的层厚度在0.2毫米至1毫米之间，或者薄层的层厚度在0.1毫米至0.4毫米之间，并且厚层的层厚度在0.2毫米至0.6毫米之间。

根据一个实施方式，多层信号滤波器具有对称的配置，其中一半的层是相同的。

根据一个实施方式，多层信号滤波器具有不对称的配置。

根据一个实施方式，中央表面部分包括第二中央表面部分。即中央表面部分具有第二孔以及第二中央表面部分。一个优点在于，第二中央表面部分更多地增加孔的边缘长度。

根据一个实施方式，多层信号滤波器中两个相邻层的孔偏移成使得所述孔的开放空间完全围绕两个层的滤波通道。

根据另一个实施方式，多层信号滤波器中的两个相邻层的孔偏移成使得所述孔的开放空间基本上围绕两个层的滤波通道。

两个相邻层的孔偏移成使得开放空间完全围绕两个层的滤波通道，以优化EBG(电带隙)结构并使场泄漏最小化，这是有利的。然而，在一个实施方式中，空间之间可以具有小的区域，即两个相邻层的孔只形成了基本上围绕两个层的滤波通道的空间。非详尽的示例是，孔留下的封闭空间小于孔的宽度、长度或直径中的任何一者的10％、20％或25％。

相邻层的孔布置成相对于彼此偏移，这也是有利的，由于其形成了基于EBG、电磁带隙结构的泄漏抑制结构。电磁带隙(EBG)结构材料或形成EBG结构的结构设计成阻止指定频率带宽的传播，并且在本方案中用来最小化多层滤波器中的泄漏。这使得可以使用具有许多层的波导，而没有这种方案以前具有的缺点。应该进一步指出的是，例如在其他方案中，各层之间需要有电气和电化接触，在水平面中的泄漏比竖直面中的泄漏多得多。

根据一个实施方式，孔沿着每个层的滤波通道开口外的周边周期性地布置。

根据一个实施方式，多层信号滤波器中的每隔一层均具有相同数量和图案的孔。

根据一个实施方式，相邻层中的孔的数量是不同的。

根据一个实施方式，各层的孔沿滤波通道开口外的周边以选自圆形、矩形、正方形和椭圆图案中的任何一种的图案布置。

根据一个实施方式，孔在彼此外侧以多种图案布置。

根据一个实施方式，两个相邻层的孔之间的偏移对应于所述孔沿图案的周边绕其中心以360/(n*2)度移动，其中n是层中的孔的数量。

根据一个实施方式，每层的孔的中心到中心的距离布置成是小于多层信号滤波器的设计针对的信号的波长的75％、小于所述信号的波长的50％以及所述信号的波长的50％中的任一项。

根据一个实施方式，每层的孔的中央表面部分的中心到中心的距离布置成是小于多层信号滤波器的设计针对的信号的波长的75％、小于所述信号的波长的50％以及所述信号的波长的50％中的任一项。

根据一个实施方式，每个孔均将其中央表面部分包围到孔边缘长度的至少75％。

根据一个实施方式，孔的中央表面部分利用两个或更多个的跨越孔的连接片与层的其余部分连接，其中连接片是层的一体部分。

根据一个实施方式，孔的中央表面部分利用跨越孔的一个连接片与该层的其余部分连接，其中该连接片是该层的一体部分。

根据一个实施方式，两个相邻层的孔之间的偏移对应于中央表面部分的长度、宽度和直径中的任何一者。

根据一个实施方式，至少三个层包括入口层、中间层和出口层，其中入口层与出口层具有相同的孔的数量和图案。

根据一个实施方式，每个层的每个孔均与相邻层的两个孔具有重叠部分。其一个优点是，重叠部分形成了泄漏抑制结构。

根据一个实施方式，多层信号滤波器的层之间的距离在微米0到20微米之间。

根据一个实施方式，多层信号滤波器的层之间的距离在0微米至50微米之间。

根据一个实施方式，多层信号滤波器是物理多层信号滤波器。

根据一个实施方式，多层信号滤波器由一种单一材料制成。

根据一个实施方式，多层信号滤波器由涂有金属的单一材料的层制成。

根据一个实施方式，多层信号滤波器是用不导电的粘合剂组装的。

根据一个实施方式，各层是直接层叠的。

根据一个实施方式，各层是层叠的未连接的薄层。

一个有利之处是，多层滤波器不需要各层之间的任何电化、电气或物理连接。即，各层之间可以存在小的间隙。例如，此间隙可以是生产各层时不受控制的空气间隙。该间隙也可以是微米级甚至原子级的。

根据一个实施方式，各层是层叠的不连接的薄金属层。

根据一个实施方式，中央表面部分是层的一部分。

根据一个实施方式，每个层的孔以与至少一个相邻层的相应孔重叠的偏移布置。

根据一个实施方式，至少一个贯通孔布置成部分围绕中央表面部分。贯通孔延伸穿过整个层，其中通过与相邻层的相邻孔偏移布置的孔来实现泄漏抑制结构。

根据一个实施方式，多层信号滤波器是空气填充波导滤波器。

根据一个实施方式，多层滤波器的各层用导电胶、隔离胶和两个螺钉中的任何一种保持在一起。

本方案的一个优点是可以使用任何形式的结合或附接手段将各层保持在一起。其原因是，为了抑制泄漏，各层之间不需要导电性。然而，应该注意的是，导电性不会以消极的方式影响到性能。即，无论各层之间的导电性如何，根据本文所述的方案的多层滤波器都能很好地发挥作用。

根据一个实施方式，每隔一层的孔均是对准的。

根据一个实施方式，孔没有对准，但以单元格图案的阵列布置，从而形成EBG结构。

根据一个实施方式，孔以高阶对称性相互偏移。

根据一个实施方案，多层滤波器或多层滤波器阵列与天线或天线阵列一起布置。

根据一个实施方式，多层信号滤波器包括入口层、至少一个中间层以及出口层，每个层均具有贯通孔，该贯通孔布置成相对于相邻层的相邻孔偏移，每个层均还具有用于接收待滤波的信号的滤波通道开口。这些孔形成围绕滤波通道开口的泄漏抑制结构，并且这些孔布置有中央表面部分，从而减少孔的开放面积并增加孔的边缘长度。

根据一个方面，多个多层信号滤波器以单个单元的形式布置成多层滤波器阵列。在一个实施方式中，该多层滤波器阵列适合与天线阵列一起使用。

本文提出的解决方案具有多种优点，例如生产成本低，贯通孔比狭缝更容易生产，无需任何昂贵的结合工艺就能减少泄漏，等等。

附图说明

现在参照附图以示例的方式描述本发明，在附图中：

图1示出了多层滤波器的一个实施方案的层；

图2示出了多层滤波器的一个实施方式的层的另一视图；

图3示出了多层滤波器的另一实施方式的层；

图4示出了多层滤波器的一个实施方式的剖视图，其中示出了滤波通道；

图5示出了多层滤波器阵列的一个实施方式；

图6示出了多层滤波器阵列和天线阵列的一个实施方式；

图7示出了组装好的多层滤波器的一个实施方式；

图8示出了组装好的多层滤波器的竖向剖面；

图9示出了多层滤波器的层的孔形状的示例；

图10示出了多层滤波器的一个实施方式的两个层，其中透明视图示出了两个层中的孔的偏移。

具体实施方式

下文，参照附图公开本发明的不同实施方式的详细描述。本文中的所有示例都应看作是一般描述的一部分，因此可以以一般条款的任何方式进行组合。各个实施方式和方面的个别特征可以组合或交换，除非这种组合或交换明显与多层滤波器的整体功能、布置或其生产方法相矛盾。

简而言之，本方案涉及一种各层之间没有任何电气和电化接触要求的多层滤波器。该多层滤波器具有泄漏抑制结构，该泄漏抑制结构用于减少所述滤波器的各层之间的泄漏。泄漏抑制结构包括多个孔，这些孔沿着滤波通道外的至少一个周边布置，并且这些孔在各层之间以偏移的方式布置，从而形成EBG结构(电磁带隙)。这些孔进一步具有改进的设计，以能够减少多层滤波器的尺寸。

图1示出了多层滤波器的多个层2a、2b、2c、2d、2e的一个实施方式。层2a、2b、2c、2d、2e中的每一者均具有滤波通道开口77，用于过滤信号。在图1所示的实施方式中，每层只具有一个滤波通道开口77，因此该多层滤波器是单一的多层滤波器1。然而，在其他实施方式中，在单个层中可布置有多个滤波通道开口77，即作为多层滤波器阵列10使用。

图1进一步示出了绕滤波通道开口77外的周边布置的多个孔3。在图1所示的实施方式中，孔3布置成圆形图案。进一步示出了不同层2a、2b、2c、2d、2e的孔3之间的偏移的一个示例，并且不同层2a、2b、2c、2d、2e的滤波通道开口77具有不同的尺寸，从而形成滤波器1的特性。

图2示出了图1的实施方式，其中分别示出了层2a、2b、2c、2d、2e。示出了每个层2a、2b、2c、2d、2e的多个孔3以及每个孔3的中央表面部分5。

图3示出了多层滤波器1在非组装状态下的另一个实施方式。图3的实施方式示出了具有另一种数量的层2a、2b、2c、...、2n的滤波器。

图4示出了剖视图，其中示出了孔3之间的偏移，并且示出了滤波通道78的一个实施方式。应注意，本文公开的多层滤波器1可以有任何数量的层和/或孔3。

图4进一步示出了如何将滤波通道78的滤波通道开口77布置在层2a、2b、......、2n的延伸平面的不同位置处，使得可以实现不同的滤波器特性。这里应该指出，在一个实施方式中，作为一个示例，中间层的滤波通道开口77被调整为比其他层更远。

图5示出了多层滤波器阵列10，该阵列10包括多个滤波通道78，每个滤波通道均至少部分地被孔3所包围。因此，图5示出了本方案的明显的优点，其中多个滤波器可以布置成阵列。

图5示出了4x4阵列滤波器，但是任何数量的行和列都是可能的，并且取决于适合应用领域的数量的行和列。

图6示出了图5的多层滤波器阵列10和适于附接到多层滤波器10的天线阵列100。天线阵列100只是一个示例性的实施方式，可以理解的是，许多不同形式的天线可以与本文所述的多层滤波器阵列10一起使用。

图7示出了图1和图2所示的实施方式的组装好的多层滤波器1。

图8示出了图1、图2和图7所示的实施方式的剖视图，其中示出了滤波通道78。滤波通道78可能具有不同的形状和形式，这取决于所需的滤波器特性，例如，如果多层滤波器被设计成低通、高通、或带通滤波器。

图9示出了层2a、2b、......、2n中的孔3的示例。在多层滤波器和多层滤波器阵列的不同实施方式中，孔3可以具有不同的形状和形式。在一些实施方式中，孔3也可以是单个滤波器或滤波器阵列中的孔的组合。图9进一步示出了第二孔3b和第二中央表面部分5b的一个示例，第二中央表面部分5b甚至进一步增加了孔3的边缘长度。图9进一步示出了中央表面部分5如何用例如一个或两个连接片6与层的其余部分连接。

图10示出了透明视图，其中可以看到两个层2a、2b的孔3，示出了孔之间偏移的一个实施方式。虚线描述了位于第一层2a后面的第二层2b。

一般来说，对于本文公开的实施方式，绕滤波通道开口布置的孔可以布置在多个外周处。即，在一个实施方式中，可以使用EBG结构孔3的两个或多个外周，而不是一个。

Claims (16)

1.一种多层信号滤波器(1)，所述多层信号滤波器包括至少三个物理层(2a、2b、2c、2d、2e、...、2n)，其中每层均具有贯通孔(3)，所述贯通孔(3)被布置成相对于至少一个相邻层的孔(3)偏移，每层均还具有用于接收要被滤波的信号的滤波通道开口(77)，其特征在于，所述孔(3)沿所述滤波通道开口(77)外的周边布置，并且所述孔(3)布置有增加所述孔(3)的边缘长度的中央表面部分(5)。

2.根据权利要求1所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述多层信号滤波器(1)中的所有层的所述滤波通道开口(77)具有至少部分重叠的区域，从而形成穿过所述多层信号滤波器(1)的滤波通道(78)。

3.根据权利要求2所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述多层信号滤波器(1)中的两个相邻层的所述孔(3)偏移成使得所述两个相邻层的所述孔(3)的开放空间完全围绕所述两个相邻层的所述滤波通道(78)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述孔沿每层的所述滤波通道开口(77)外的周边周期性地布置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述多层信号滤波器(1)中的每隔一层均具有相同数量和图案的孔(3)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，每一层的所述孔(3)沿所述滤波通道开口(77)外的所述周边以选自圆形、矩形和椭圆形图案中的任何一种图案布置。

7.根据权利要求6所述的多层信号滤波器(1)，其中，两个相邻层的所述孔(3)之间的所述偏移对应于所述孔(3)沿所述图案的周边绕其中心以360/(n*2)度移动，其中n是每个所述层(2a、2b、2c、2d、2e、...、2n)中的孔(3)的数量。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，每层的每两个相邻的所述孔(3)的中心到中心的距离布置成是小于所述多层信号滤波器(1)的设计针对的信号的波长的75％、小于所述信号的波长的50％以及所述信号的波长的50％中的任一项。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，每个孔(3)均将其中央表面部分(5)包围到所述孔的边缘长度的至少75％。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，两个相邻层的所述孔(3)之间的所述偏移对应于所述中央表面部分(5)的长度、宽度和直径中的任何一者。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述至少三个物理层(2a、2b、2c、2d、2e、...、2n)包括入口层(2a)、中间层(2b)和出口层(2e)，其中，所述入口层(2a)与所述出口层(2e)具有相同数量和图案的孔(3)。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，每层的每个孔(3)均与相邻层的两个孔(3)具有重叠部分。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述多层信号滤波器(1)的所述层之间的距离在0微米至50微米之间。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，所述多层信号滤波器(1)是空气填充波导滤波器。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的多层信号滤波器(1)，其中，每一层的所述孔(3)沿所述滤波通道开口(77)外的所述周边以正方形图案布置。

16.一种多层信号滤波器阵列(10)，所述多层信号滤波器阵列包括以单个单元形式布置的多个多层信号滤波器(1)，其中所述多层信号滤波器(1)是根据权利要求1至15中任一项所述的多层信号滤波器。