CN114928344B - 基于ipd的带通功分器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IPD的带通功分器模块，包括输入端、高通滤波器、低通滤波器、耦合器、合成器和输出端；高通滤波器连接输入端，高通滤波器用于接收输入端输入的信号，高通滤波器在一频率下产生高通传输零点；低通滤波器的输入连接高通滤波器的输出，低通滤波器在一频率下产生低通传输零点；耦合器的输入连接低通滤波器的输出，耦合器将输入的信号输出；合成器的输入连接耦合器的输出，合成器将输入的信号等功率分成多路信号输出；输出端连接合成器的输出。本发明能够实现特定频率范围的功率等分，具有高隔离度，且能够在通带两侧产生一对传输零点，有效地提升了过渡带的陡峭度和带外的抑制度，提高了对带外滤波的性能，实现了高选择性。

Description

基于IPD的带通功分器模块

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其是指一种基于IPD的带通功分器模块。

背景技术

Integrated passive device(IPD)称为集成无源器件，基础元件包括电阻、电感和电容。随着半导体制造能力提升，微纳米工艺的发展，电子元件的集成度大幅度提高，与之搭配的无源元件也迅速增加，相应的面积尺寸和成本也随之提高。IPD技术正是为了这种问题而产生的技术，IPD能够节省电路板空间、电性能好、成本更低。

随着微波无线电技术的发展，功分器作为系统中的重要器件，在微波领域起着重要作用。功分器全称为功率分配器，是一种将输入功率分为等分或一定比例输出功率的微波器件。无论哪个频段的电子设备，都需要电容、电感、电阻和功分器等无源器件，以实现信号匹配、功率分配、频带选择和过滤等，从而对微波信号进行处理和变换。功分器的参数指标主要包括插入损耗(S21和S31)、回波损耗(S11)、以及隔离度(S23)。1960年，ErnestJ.Wilkinson在他的论文中提到了一种在所有端口均匹配、低损耗、高隔离度、同相的功分器，被后人称为威尔金森功分器。威尔金森功分器最初在同轴线上应用，后来在微带线和带状线上也得到了广泛的应用和发展。

功分器可以分为集总参数功分器和分布参数功分器。集总参数功分器可分为电阻式功分器和L-C式功分器两种。电阻式功分器仅使用电阻设计，按结构可分为Δ形和Y形；此电路具有尺寸小、宽频带、设计简单的优点，但功率衰减较大。L-C式功分器使用电感和电容设计，按结构可分为低通型和高通型；此电路设计灵活性好，但没有隔离电阻，隔离度较差。目前常见的分布参数型功分器是采用微带线或腔体波导等结构。腔体波导功分器插损小、平衡度好，但隔离度差，制作工艺较复杂。微带功分器制作简单，但相对频带宽度较小。以上的分布参数型功分器均适合在微波频段较窄的应用中。对于微波频段，小型化、宽带功分器的制作相对困难。因此迫切需要提供一种具有插损小、高隔离、小尺寸、高带外抑制和选择性的功分器。提出了一种基于IPD加工工艺的带通功分器模块，实现了小型化。模块中高通和低通滤波器能够在通带两侧产生传输零点，对带外具有很好的抑制特性，实现了良好的滤波功能。此带通功分器模块能实现在特定频率下等功分、低插损、高带外抑制、高隔离和小尺寸的功能。。因此，设计得到一种基于IPD的具有插损小、高隔离、小尺寸、高带外抑制和高选择性的功分器显得尤为重要。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种基于IPD的带通功分器模块，其本发明通过高通滤波器和低通滤波器组成带通滤波器，其能够实现特定频率范围的功率等分，并且具有高隔离度，在结构上易于实现，而且能够在通带两侧产生一对传输零点，有效地提升了过渡带的陡峭度和带外的抑制度，提高了对带外滤波的性能，实现了高选择性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于IPD的带通功分器模块，包括：

输入端；

高通滤波器，其连接所述输入端，所述高通滤波器用于接收输入端输入的信号且在截止频率后允许该信号输出，所述高通滤波器在一频率下产生高通传输零点；

低通滤波器，其输入连接所述高通滤波器的输出，所述低通滤波器在截止频率前允许信号输出，所述低通滤波器在一频率下产生低通传输零点；

耦合器，其输入连接所述低通滤波器的输出，所述耦合器将输入的信号输出；

合成器，其输入连接所述耦合器的输出，所述合成器将输入的信号等功率分成多路信号输出；

输出端，其连接所述合成器的输出。

在本发明的一个实施例中，所述高通滤波器包括第一电感、第一电容和第二电容，所述第二电容接地，所述第一电容的一端连接输入端，另一端连接串联的第一电感和第二电容，所述第一电容连接串联的第一电感和第二电容的该端连接低通滤波器。

在本发明的一个实施例中，所述低通滤波器包括第二电感、第三电容和第四电容，所述第四电容接地，所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接第四电容，且所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接高通滤波器和耦合器。

在本发明的一个实施例中，所述耦合器包括多个第一端点、至少两条第一主路、电感支路、电容支路和第一接地旁路，至少两条第一主路由多个第一端点连接构成，每条第一主路上设置有第三电感；所述电感支路由第四电感构成，所述电感支路连接于至少两条第一主路之间；电容支路，其由第五电容构成，所述电容支路连接于至少两条第一主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；每个第一端点连接所述第一接地旁路，所述第一接地旁路上设置有第六电容。

在本发明的一个实施例中，每条第一主路的中点连接电感支路，所述电感支路互联两条第一主路。

在本发明的一个实施例中，电容支路的数量为两条，两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条第一主路。

在本发明的一个实施例中，多个第一端点中的一个端点连接所述高通滤波器，有一个端点连接功分器，其余的端点闲置，且在闲置的第一端点的第六电容处并联一匹配电阻。

在本发明的一个实施例中，所述合成器包括多个第二端点、第二主路和第二接地旁路，所述第二主路由多个第二端点构成，所述第二主路上串联有多个第五电感，每个第二端点连接第二接地旁路。

在本发明的一个实施例中，多个第二端点中的一个端点连接所述耦合器，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容；还有第二端点连接输出端，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容。

在本发明的一个实施例中，所述合成器还包括隔离电阻和第八电容，输出端之间连接一隔离电阻，所述隔离电阻并联所述第八电容。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明通过高通滤波器和低通滤波器组成带通滤波器，其能够实现特定频率范围的功率等分，并且具有高隔离度，在结构上易于实现，而且能够在通带两侧产生一对传输零点，有效地提升了过渡带的陡峭度和带外的抑制度，提高了对带外滤波的性能，实现了高选择性；

2.本发明通过IPD技术对高通滤波器、低通滤波器、耦合器和合成器进行集成，实现了带通功分器模块的小型化。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1为带通功分器模块的电路原理图；

图2为IPD带通功分器二维示意图；

图3为IPD带通功分器三维示意图；

图4为带通功分器S参数仿真结果图。

其中，附图标记说明如下：1、高通滤波器；2、低通滤波器；3、耦合器；4、合成器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1所示，本发明实施例提供一种基于IPD的带通功分器模块，包括输入端、高通滤波器1、低通滤波器2、耦合器3、合成器4和输出端；高通滤波器1连接所述输入端，所述高通滤波器1用于接收输入端输入的信号且在截止频率后允许该信号输出，所述高通滤波器1在其中一个频率下产生一高通传输零点；低通滤波器2的输入连接所述高通滤波器1的输出，所述低通滤波器2在截止频率前允许信号输出，所述低通滤波器2在其中一个频率下产生一低通传输零点；耦合器3的输入连接所述低通滤波器2的输出，所述耦合器3将输入的信号输出；合成器4的输入连接所述耦合器3的输出，所述合成器4将输入的信号等功率分成多路信号输出；输出端连接所述合成器4的输出。

本发明通过高通滤波器1和低通滤波器2组成带通滤波器，其能够实现特定频率范围的功率等分，并且具有高隔离度，在结构上易于实现，而且能够在通带两侧产生一对传输零点，有效地提升了过渡带的陡峭度和带外的抑制度，提高了对带外滤波的性能，实现了高选择性。

本发明通过IPD技术对高通滤波器1、低通滤波器2、耦合器3和合成器4进行集成，实现了带通功分器模块的小型化。

上述的高通滤波器1包括第一电感、第一电容和第二电容，所述第二电容接地，所述第一电容的一端连接输入端，另一端连接串联的第一电感和第二电容，所述第一电容连接串联的第一电感和第二电容的该端连接低通滤波器2。具体由一个接地电容和一个电感串联后再与一个电容连接所形成。该结构功能如下：在截至频率前信号不通，截至频率后信号通过；该结构电容和电感串联形成谐振，在某个频率下会产生一个传输零点，具有高带外抑制特性，总体形成高带外抑制特性功能的高通滤波器1。

上述的低通滤波器2包括第二电感、第三电容和第四电容，所述第四电容接地，所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接第四电容，且所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接高通滤波器1和耦合器3。具体由三个电容和一个电感组成，电感和电容并联后，两端再分别与一个大小相等的接地电容相连接。该结构功能如下：在截至频率前信号通过，截至频率后信号不通；该结构电容和电感并联形成谐振，在某个频率下会产生一个传输零点，具有高带外抑制特性，总体形成高带外抑制特性功能的低通滤波器2。

本发明高通滤波器1和低通滤波器2形成带通滤波器，在通带两边均有一个传输零点，如此形成高带外抑制特性的带通滤波器。

上述的耦合器3包括多个第一端点、至少两条第一主路、电感支路、电容支路和第一接地旁路，至少两条第一主路由多个第一端点连接构成，每条第一主路上设置有第三电感；所述电感支路由第四电感构成，所述电感支路连接于至少两条第一主路之间；电容支路，其由第五电容构成，所述电容支路连接于至少两条第一主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；每个第一端点连接所述第一接地旁路，所述第一接地旁路上设置有第六电容；每条第一主路的中点连接电感支路，所述电感支路互联两条第一主路；电容支路的数量为两条，两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条第一主路；多个第一端点中的一个端点连接所述高通滤波器1，有一个端点连接功分器，其余的端点闲置，且在闲置的第一端点的第六电容处并联一匹配电阻。具体是一个四端口器件，其由五个电感和六个电容组成，四个大小相等的电感和两个大小相等的电容串联形成闭合回路；两个电感串联分别位于上下两边、电容位于左右两侧，左右中心线处有另一个电感与上下两边相连；在四个端口处分别连接一个相等的接地电容。在整个功分器模块中，该耦合器3只用了两端口，其余的两端口没有使用。因此在所不用的两端口的接地电容处再并联一个50欧姆的匹配电阻。在此功分器模块中，耦合器3主要起着耦合器3的直通功能。耦合器3属于功分器的一种，耦合器3主要实现不等功分，当耦合器3为-3dB耦合器3时，可以当作等功分的功分器。

上述的合成器4包括多个第二端点、第二主路和第二接地旁路，所述第二主路由多个第二端点构成，所述第二主路上串联有多个第五电感，每个第二端点连接第二接地旁路；多个第二端点中的一个端点连接所述耦合器3，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容；还有第二端点连接输出端，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容。所述合成器4还包括隔离电阻和第八电容，输出端之间连接一隔离电阻，所述隔离电阻并联所述第八电容。具体是一个四端口器件，其由四个相等的电感和四个相等的电容组成。四个相等的电感串联形成闭合回路，在四个端口处分别连接一个相等的接地电容。合成器4可以当作功分器使用，在此功分器模块应用中，该合成器4作三端口器件。为了实现更好性能的等功分，将所不用端口处的电容去掉直接接地，在两输出端口处连接一个电阻实现隔离作用，在隔离电阻上再并联一个电容，这样可以实现更好的匹配。

实施例1

如图2所示，为本发明的带通功分器模块IPD二维结构示意图。所述的结构包括输入端口、输出端口、接地端口和功分器模块；所述的输入端口包括输入端口S1；所述的输出端口包括第一输出端口S2，所述的输出端口包括第二输出端口S3；所述的接地端口包括接地端口G1、G2、G3、G4、G5、G6和G7；所述的功分器模块包含四个部分：高通滤波器1、低通滤波器2、耦合器3和合成器4。

所述的输入端口S1作为整个功分器模块的输入端，高通滤波器1的输入端接输入端口S1，其输出端口接低通滤波器2的输入端口，所述低通滤波器2的输出端口接耦合器3的输入端口，所述耦合器3的输出端口接合成器4的输入端口，所述合成器4的两个输出端口分别与第一输出端口S2和第二输出端口S3相连接。

所述的高通滤波器1包括电容C1、C2和电感L1，所述电容C2的一端作为高通滤波器1的接地端，与接地端口G1相连，另一端与电感L1的一端相连接，所述电感L1的另一端与电容C1的一端连接作为整个高通滤波器1的输出端，所述电容C1的另一端作为高通滤波器1的输入端，高通滤波器1的输入端与输入端口S1相连接。

所述的低通滤波器2包括电容C3、C4-1、C4-2和电感L2，所述电容C4-1的一端与接地端口G2连接，另一端分别与电容C3的一端、电感L2的一端相连接作为低通滤波器2的输入端；所述电容C4-2的一端与接地端口G3连接，另一端分别与电容C3的另一端、电感L2的另一端相连接作为低通滤波器2的输出端。

所述的耦合器3包括电容C5-1、C5-2、C6-1、C6-2、C6-3、C6-4和电感L3-1、L3-2、L3-3、L3-4、L4，以及电阻R1、R2，所述电容C6-1的一端与接地端口G3相连，另一端分别与电感L3-1的一端、电容C5-1的一端相连接作为耦合器3的输入端；所述电容C6-2的一端与接地端口G4相连，另一端分别与电感L3-2的一端、电容C5-2的一端相连接作为耦合器3的输出端；所述电容C6-3和电阻R1并联后的一端与接地端口G5连接，另一端分别与电感L3-3的一端、电容C5-2的另一端相连接；所述电容C6-4和电阻R2并联后的一端与接地端口G6连接，另一端分别与电感L3-4的一端、电容C5-1的另一端相连接；所述电感L4的一端分别与电感L3-1的另一端、电感L3-2的另一端相连，电感L4的另一端分别与电感L3-3的另一端、电感L3-4的另一端相连接。

所述的合成器4包括电容C7-1、C7-2、C7-3、C8和电感L5-1、L5-2、L5-3、L5-4，以及电阻R3。所述电容C7-1的一端与接地端口G4相连，另一端分别与电感L5-1的一端、电感L5-2的一端相连接作为合成器4的输入端口；所述电容C7-2的一端与接地端口G7相连，另一端分别与电感L5-1的另一端、电感L5-3的一端相连接作为合成器4的输出端口一。所述电容C7-3的一端与接地端口G7相连，另一端分别与电感L5-2的另一端、电感L5-4的一端相连接作为合成器4的输出端口二；所述电感L5-3和L5-4的另一端都与接地端口G7连接；所述电阻R3与电容C8并联后，一端与输出端口一连接，另一端与输出端口二连接。输出端口一、输出端口二分别与第一输出端口S2、第二输出端口S3相连接。

实施例2

本发明实施例提供了一种基于IPD的带通功分器模块，其是一个六层的结构，包括：薄膜电阻层、种子金属层、氮化硅介质层、空气桥柱、空气桥金属层和接触电极Pad层。

该IPD工艺的基板为砷化镓基板，种子金属为4.5/0.5微米厚的Cu/Au金属，并生长在砷化镓基板上。薄膜电阻的材料为铬化镍，介质层为氮化硅。空气桥金属为1.9-2.1微米厚的Cu。薄膜电阻作为电阻，金属-介质物-金属形成电容结构，金属、空气桥柱、空气桥金属形成电感，电阻、电容和电感组成该功分器模块。

在图1的电路原理图中，所述的高通滤波器1中的取值如下，电容C1：7.8-8.1pF，电容C2：8.7-9.3pF，电感L1：22-28nH；所述的低通滤波器2中的取值如下，电感L2：2.2-2.6nH，电容C3：0.9-1.0pF，电容C4：0.8-0.9pF；所述的耦合器3中的取值如下，电感L3：1.6-2.0nH，电感L4：7.5-8.5nH，电容C5：0.4-0.6pF，电容C6：1.6-1.8pF，电阻R1和电阻R2：50Ω；所述的合成器4中的取值如下，电感L5：5.6-6.2nH，电容C7：2.6-2.8pF，电容C8：0.3-0.5pF，电阻R3：70-100Ω。

高通滤波器1优选上述数值可以在0.7GHz附近产生一个传输零点，对于0.7GHz以下的频率有很好的抑制作用；低通滤波器2优选上述数值可以在3.4GHz附近产生一个传输零点，对于3.4GHz以上的频率有很好的抑制作用；高通滤波器1和低通滤波器2组成的带通滤波器在0.7GHz和3.4GHz产生的传输零点对0.7GHz之下的频率和3.4GHz之上的频率具有很好的抑制特性，实现了高带外抑制；耦合器3在此应用的是直通功能，上述取值可以保证低损耗，损耗大约0.7dB，损耗较小；合成器4的上述取值实现了对功率的等分，并保证低损耗和高隔离，损耗为3.7dB、隔离度均在-18dB以下。

上述所有的器件组合到一块，实现了中心频率为1.5GHz，相对带宽为40％的带通功率等分；0.4GHz(不是0.7GHz的原因是器件组合到一起对传输零点具有影响)和3.4GHz的传输零点对通带外有高带外抑制；整体的插入损耗为4.7dB，损耗较低；回波损耗均在-15dB以下，回波损耗较好；隔离度均在-18dB以下，实现高隔离度。

在图2的IPD二维结构示意图中，电容采用MIM电容，电感采用圆形螺旋电感，线宽和线间隔都为15um，电阻为铬化镍电阻。所述高通滤波器1中，电容C1长度为115-125um，宽度为195-205um；电容C2长度为135-145um，宽度为195-205um；电感L1的匝数为6.5，内径为250-260um。所述低通滤波器2中，电容C3长度为50-60um，宽度为45-50um；电容C4-1和C4-2的结构参数相同，长度为50-60um，宽度为45-55um；电感L2的匝数为2.5，内径为195-205um。所述耦合器3中，电容C5-1和C5-2结构参数相同，长度为45-55um，宽度为20-30um；电容C6-1、C6-2、C6-3和C6-4的结构参数相同，长度为95-105um，宽度为45-55um；电感L3-1、L3-2、L3-3和L3-4结构参数相同，匝数为2.5，内径为145-155um；电感L4匝数为4.5，内径为195-205um；电阻R1和R2的结构参数相同，长度为5-15um，宽度为5-10um。所述的合成器4中，电感L5-1、L5-2、L5-3和L5-4结构参数相同，匝数为3.5，内径为245-255um；电容C7-1、C7-2和C7-3结构参数相同，长度为155-165um，宽度为45-55um；电容C8长度为45-55um，宽度为20-30um；电阻R3的长度为200-210um，宽度为5-15um。优选上述数值可以实现高精确度的电容值、电感值和电阻值，精确对应于图1原理图中所取数值；并且在尺寸上能够实现具有紧凑的器件尺寸。

在图3的IPD三维图中，接地端口G1、G2、G3、G4、G5、G6和G7下的柱子代表在工艺中需要打孔，以实现器件与地的连通。在测量该功分器模块时，需要对输入端口S1、第一输出端口S2以及第二输出端口S3进行跳线操作。

实施例3

本发明实施例通过IPD加工工艺对高通滤波器1、低通滤波器2、耦合器3和合成器4进行集成，不仅实现了小尺寸，而且还能在特定频率范围内进行等功分，频率范围外有高带外抑制，并为功分器模块的设计提供了一种方案。

如图2、图3所示为功分器结构图，尺寸面积为4.8mm×1.8mm，实现了小型化。对实施例中功分器模块进行仿真，插入损耗、回波损耗、隔离度和带通频率的仿真结果如图4所示。该带通功分器模块可以实现一个四阶带通频率响应，且在通带的左侧和右侧分别有一个0.4GHz和3.4GHz的传输零点，对通带频带外有很好的抑制性，从而改善了频率选择性。该功分器模块带通响应的中心频率为1.5GHz，相对带宽为40％。在通带范围内插入损耗为4.7dB左右，插损较小；回波损耗均在-15dB以下，回波损耗较好；隔离度都在-18dB以下，隔离度较好。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于IPD的带通功分器模块，其特征在于，包括：

输入端；

高通滤波器，其连接所述输入端，所述高通滤波器用于接收输入端输入的信号且在截止频率后允许该信号输出，所述高通滤波器在一频率下产生高通传输零点；

低通滤波器，其输入连接所述高通滤波器的输出，所述低通滤波器在截止频率前允许信号输出，所述低通滤波器在一频率下产生低通传输零点；

耦合器，其输入连接所述低通滤波器的输出，所述耦合器将输入的信号输出；

合成器，其输入连接所述耦合器的输出，所述合成器将输入的信号等功率分成多路信号输出；

输出端，其连接所述合成器的输出；

所述高通滤波器包括第一电感、第一电容和第二电容，所述第二电容接地，所述第一电容的一端连接输入端，另一端连接串联的第一电感和第二电容，所述第一电容连接串联的第一电感和第二电容的该端连接低通滤波器；

所述低通滤波器包括第二电感、第三电容和第四电容，所述第四电容接地，所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接第四电容，且所述第二电感和第三电容并联后的两端分别连接高通滤波器和耦合器；

所述耦合器包括多个第一端点、至少两条第一主路、电感支路、电容支路和第一接地旁路，至少两条第一主路由多个第一端点连接构成，每条第一主路上设置有第三电感；所述电感支路由第四电感构成，所述电感支路连接于至少两条第一主路之间；电容支路，其由第五电容构成，所述电容支路连接于至少两条第一主路之间，所述电容支路与所述电感支路并联；每个第一端点连接所述第一接地旁路，所述第一接地旁路上设置有第六电容；

所述合成器包括多个第二端点、第二主路和第二接地旁路，所述第二主路由多个第二端点构成，所述第二主路上串联有多个第五电感，每个第二端点连接第二接地旁路。

2.根据权利要求1所述的基于IPD的带通功分器模块，其特征在于：每条第一主路的中点连接电感支路，所述电感支路互联两条第一主路。

3.根据权利要求2所述的基于IPD的带通功分器模块，其特征在于：电容支路的数量为两条，两条电容支路关于电感支路的中心点中心对称，且每条电容支路互联两条第一主路。

4.根据权利要求1所述的基于IPD的带通功分器模块，其特征在于：多个第一端点中的一个端点连接所述高通滤波器，有一个端点连接功分器，其余的端点闲置，且在闲置的第一端点的第六电容处并联一匹配电阻。

5.根据权利要求1所述的基于IPD的带通功分器模块，其特征在于：多个第二端点中的一个端点连接所述耦合器，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容；还有第二端点连接输出端，该端点连接的第二接地旁路上设置有第七电容。

6.根据权利要求1或5所述的基于IPD的带通功分器模块，其特征在于：所述合成器还包括隔离电阻和第八电容，输出端之间连接一隔离电阻，所述隔离电阻并联所述第八电容。

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