CN115295985B - 一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器及系统，其中双通带带通滤波器包括：三端口合路线，三端口合路线的第一端作为双通带带通滤波器与外部连接的端口；MIM电容器，MIM电容器的一端与三端口合路线的第二端连接；阻带结构，阻带结构的一端与三端口合路线的第三端连接；低频谐振器，与阻带结构的另一端连接；高频馈线，高频馈线的一端与MIM电容器的另一端连接；高频谐振器，与高频馈线的另一端连接。本发明在高频滤波器的端口加入MIM电容器，提升高频滤波器的下阻带抑制，在低频滤波器的输入输出端口加载阻带结构，加强低频滤波器的上阻带抑制，使得两个通带之间的阻带性能得到改善，可广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器及系统。

背景技术

进入二十一世纪后，无线移动通信技术已经获得飞速的发展，成为发展最迅速，应用范围最广，渗透率最高的高新通信技术，是当今社会发展不可缺少的重要因素之一。

同时，伴随着移动通信业务量的与日俱增，移动通信可利用的频谱资源也变得非常的有限，这使得通信系统需要工作在多个频段上，依照常规方法，系统就需要多个单频段收发机，但是这种方法会使通信设备面积增大，同时系统功耗也会增大。因而，由多频天线、多频滤波器、多频低噪声放大器组成的多频接收机成为了研究热点。因为多频接收机中的前端器件具有多个应用频段，这样使得系统的体积可以节约一半，一个器件多次重复使用，这样系统功耗相比单频收发机降低了很多，设备成本也大大降低。

多频滤波器是多频接收机不可或缺的器件，它可以有效的滤除各种噪声信号和其它无用信号，以此降低不同频道相互信号干扰，保障通信系统正常工作，达到需求的高质量通信。

双频滤波器的带外抑制度是极其重要的一个指标，尤其是对于微带滤波器，因为分布式效应无可避免地会出现一些谐波响应，恶化微带滤波器的带外抑制。特别是对于大频率比的微带双频带通滤波器，两个通带中心频率跨度越大，低频通道因分布式效应产生的谐波就越容易出现在阻带。因此在微带双频滤波器在实现大频率比的同时兼顾阻带抑制是一大挑战。其次，研究两个通道是否会互相影响，如何减弱这种影响也十分重要。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器及系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，包括第一侧和第二侧，所述第一侧和第二侧对称设置，所述第一侧和第二侧均包括：

三端口合路线，所述三端口合路线的第一端作为双通带带通滤波器与外部连接的端口；

MIM电容器，所述MIM电容器的一端与所述三端口合路线的第二端连接；

阻带结构，所述阻带结构的一端与所述三端口合路线的第三端连接；

低频谐振器，与所述阻带结构的另一端连接；

高频馈线，所述高频馈线的一端与所述MIM电容器的另一端连接；

高频谐振器，与所述高频馈线的另一端连接；

其中，所述MIM电容器用于提升所述高频滤波器的下阻带抑制，所述阻带结构用于加强所述低频滤波器的上阻带抑制。

进一步地，所述阻带结构，通过与所述低频谐振器最外侧的交指电容与低频滤波器连接，组成高上阻带抑制的低频滤波器；

所述高频馈线，一端连接所述MIM电容器，另一端通过与高频谐振器相连，共同组成高下阻带抑制的高频滤波器。

进一步地，所述低频谐振器包括低频传输线电感和低频交指电容；

低频传输线电感包括第一传输线、第二传输线、第三传输线，其中第二传输线两端分别连接第一传输线和第三传输线；

低频交指电容包括第四传输线、第五传输线、第六传输线、第七传输线、第八传输线、第九传输线、第十传输线、第十一传输线、第十二传输线、第十三传输线，其中第六传输线、第八传输线、第十传输线、第十二传输线的一端与第四传输线连接，另一端悬空；第七传输线、第九传输线、第十一传输线、第十三传输线的一端与第五传输线连接，另一端悬空。

进一步地，所述阻带结构包括第十四传输线、第十五传输线、第十六传输线和第十七传输线；其中第十六传输线是一对耦合传输线，四端中的两端短路和一端开路的第十七传输线另一端相连，四端中另外两端分别连接第十四传输线的一端和第十五传输线的一端，第十四传输线的另一端连接三端口合路线，第十五传输线的另一端连接低频谐振器。

进一步地，所述高频谐振器包括高频传输线电感和高频交指电容；

高频传输线电感包括第十八传输线、第十九传输线、第二十传输线，其中第十九传输线两端分别连接第十八传输线和第二十传输线；

高频交指电容包括第二十一传输线、第二十二传输线、第二十三传输线、第二十四传输线、第二十五传输线，其中第二十四传输线的一端与第二十一传输线连接，另一端悬空；第二十三传输线和第二十五传输线的一端与第二十二传输线连接，另一端悬空。

进一步地，所述高频馈线由第二十六传输线和第二十七传输线组成；

其中，第二十六传输线的一端与MIM电容器连接，第二十六传输线的另一端与第二十七传输线的一端连接，第二十七传输线的另一端与高频谐振器连接。

进一步地，所述高频谐振器或所述低频谐振器之间通过各自的传输线电感耦合形成高频或低频滤波器。

进一步地，所述MIM电容器容值为240fF。

进一步地，所述双通带带通滤波器采用低温共烧陶瓷技术制成。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种双频段通信系统，包括如上所述的双通带带通滤波器。

本发明的有益效果是：本发明一方面通过在高频滤波器的输入输出端口加入MIM电容器，提升了高频滤波器的下阻带抑制，另一方面在低频滤波器的输入输出端口加载阻带结构，加强了低频滤波器的上阻带抑制，最终使得双频滤波器两个通带之间的阻带性能得到改善。另外，本发明双通带带通滤波器的结构简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的结构示意图；

图2是本发明实施例中适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的基础低频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图3是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的基础高频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图4是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的未进行阻带优化的基础双频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图5是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的加入阻带结构的低频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图6是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的加入MIM电容器的高频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图7是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的加入阻带结构以及MIM电容器的双频滤波器结构示意图以及S参数仿真性能图；

图8是本发明实施例中一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的芯片版图以及后仿真S参数仿真性能图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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，仅是为了便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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种适用于5G双频段通信系统的双通带带通滤波器(Bandpass Filter，BPF)，该带通滤波器基于低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-firedCeramic，LTCC)技术，电路主体包括高频谐振器3、金属-绝缘体-金属(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容器5、低频谐振器1、阻带结构2、高频馈线4以及三端口合路线6。

其中，低频谐振器1包括低频传输线电感7和低频交指电容8；

低频传输线电感7包括第一传输线9、第二传输线10、第三传输线11，其中第二传输线10两端分别连接第一传输线9和第三传输线11；

低频交指电容8包括第四传输线20、第五传输线21、第六传输线12、第七传输线13、第八传输线14、第九传输线15、第十传输线16、第十一传输线17、第十二传输线18、第十三传输线19，其中第六传输线12、第八传输线14、第十传输线16、第十二传输线18的一端与第四传输线20连接，另一端悬空；第七传输线13、第九传输线15、第十一传输线17、第十三传输线19的一端与第五传输线21连接，另一端悬空。

所述阻带结构2包括第十四传输线22、第十五传输线23、第十六传输线24和第十七传输线25；其中第十六传输线24是一对耦合传输线，四端中的两端短路和一端开路的第十七传输线25另一端相连，四端中另外两端分别连接第十四传输线22的一端和第十五传输线23的一端，第十四传输线22的另一端连接三端口合路线，第十五传输线23的另一端连接低频谐振器。

所述高频谐振器3包括高频传输线电感26和高频交指电容27；

高频传输线电感26包括第十八传输线28、第十九传输线29、第二十传输线30，其中第十九传输线29两端分别连接第十八传输线28和第二十传输线30。

高频交指电容27包括第二十一传输线31、第二十二传输线32、第二十三传输线33、第二十四传输线34、第二十五传输线35，其中第二十四传输线34的一端与第二十一传输线31连接，另一端悬空；第二十三传输线33和第二十五传输线35的一端与第二十二传输线32连接，另一端悬空。

所述高频馈线4由第二十六传输线37和第二十七传输36组成。

所述双通带带通滤波器的高频或低频谐振器之间通过各自的传输线电感耦合形成高频或低频滤波器。

所述阻带结构，通过与低频谐振器最外侧的交指电容与低频滤波器连接，组成高上阻带抑制的低频滤波器。所述高频馈线，一端连接MIM电容器，另一端通过与高频谐振器相连，共同组成高下阻带抑制的高频滤波器。所述双通带带通滤波器通过三端口合路线一端连接高上阻带抑制的低频滤波器，另一端连接高下阻带抑制的高频滤波器，最后一端作为所述双通带带通滤波器的输入输出端口。

作为可选的实施方式，MIM电容器容值为240fF。

本实施例的双通带带通滤波器首先通过直接并联的方式来获取两个通带的响应，同时研究了并联后两个滤波器外部品质因数和耦合系数的变化规律。其次，一方面通过在高频滤波器的输入输出端口加入MIM电容器，提升了高频滤波器的下阻带抑制，另一方面在低频滤波器的输入输出端口加载阻带结构，加强了低频滤波器的上阻带抑制，最终使得双频滤波器两个通带之间的阻带性能得到改善。该款滤波器具有兼具大频率比以及良好的阻带抑制、结构简单的特点，可广泛应用于5G双频段通信系统的射频前端。

以下结合附图及具体实施例对上述的双通带带通滤波器进行详细解释说明。

本实施例中的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器的设计工作中心频率为3.5GHz和28GHz，参见图2，图2是本次设计中的基础低频滤波器，该滤波器在20GHz处开始出现谐波响应。参见图3，图3是本次设计中的基础高频滤波器，下阻带抑制仅为-20dB。

本设计首先将图2和图3中两个基础低、高频滤波器直接并联得到图4中基础双频滤波器，虽然基础的双频特性比较明显，但由于直接并联，两通道工作时也存在互相干扰的情况，使得图4中双频滤波器两个通带之间的阻带性能稍显不足。

为了提升两个通带间的阻带抑制，首先，如图5所示在低频滤波器的输入输出端口加载阻带结构，和图2对比可以明显看出低频滤波器在20GHz左右处开始出现的一段谐波响应被阻带结构给抑制了，加强了低频滤波器的上阻带抑制。其次，如图6所示过在高频滤波器的输入输出端口加入MIM电容器，和图3对比可以看到高频滤波器的下阻带抑制从-20dB提升到了-30dB。得到如图7所示加入了阻带结构和MIM电容器的双频滤波器的两个通带之间的阻带性能从-14dB提升到了-21dB。

图8所示的是适用于5G双频段通信系统的双通带带通滤波器的芯片版图以及后仿真S参数仿真性能图。中心频率为3.5GHz和28GHz，两个通带相对带宽分别为33％和13％，通带内损耗分别为1.59dB和1.65dB，两通带间阻带抑制至少为-23dB，带GSG焊盘的芯片面积为1.462um×2.4um＝3.51mm²。

综上所述，本实施例的双通带带通滤波器具有如下优点及有益效果：

(1)大频率比：中心频率为3.5GHz和28GHz，频率比达到8，面向5G通信中的Sub-6频段和Ka波段，可广泛应用于5G双频段通信系统的射频前端，具有实用的现实意义。

(2)高阻带抑制：从两个方面提升了两个通带之间的阻带抑制度。一方面通过在高频滤波器的输入输出端口加入MIM电容器，提升了高频滤波器的下阻带抑制，另一方面在低频滤波器的输入输出端口加载阻带结构，加强了低频滤波器的上阻带抑制，最终使得双频滤波器两个通带之间的阻带性能得到改善。

本实施例还提供一种双频段通信系统，包括如图1所示的双通带带通滤波器。

本实施例的一种双频段通信系统与图1所示的双通带带通滤波器具有对应的关系，因此具有相应的功能和有益效果。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，包括第一侧和第二侧，所述第一侧和第二侧对称设置，所述第一侧和第二侧均包括：

三端口合路线，所述三端口合路线的第一端作为双通带带通滤波器与外部连接的端口；

MIM电容器，所述MIM电容器的一端与所述三端口合路线的第二端连接；

阻带结构，所述阻带结构的一端与所述三端口合路线的第三端连接；

低频谐振器，与所述阻带结构的另一端连接；

高频馈线，所述高频馈线的一端与所述MIM电容器的另一端连接；

高频谐振器，与所述高频馈线的另一端连接；

所述阻带结构，通过与所述低频谐振器最外侧的交指电容与低频谐振器的传输线电感连接；

所述高频馈线，一端连接所述MIM电容器，另一端通过与高频谐振器的传输线电感相连；

所述高频谐振器或所述低频谐振器之间通过各自的传输线电感耦合形成高频或低频滤波器；

其中，所述MIM电容器用于提升所述高频滤波器的下阻带抑制，所述阻带结构用于加强所述低频滤波器的上阻带抑制。

2.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述低频谐振器包括低频传输线电感和低频交指电容；

低频传输线电感包括第一传输线、第二传输线、第三传输线，其中第二传输线两端分别连接第一传输线和第三传输线；

低频交指电容包括第四传输线、第五传输线、第六传输线、第七传输线、第八传输线、第九传输线、第十传输线、第十一传输线、第十二传输线、第十三传输线，其中第六传输线、第八传输线、第十传输线、第十二传输线的一端与第四传输线连接，另一端悬空；第七传输线、第九传输线、第十一传输线、第十三传输线的一端与第五传输线连接，另一端悬空。

3.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述阻带结构包括第十四传输线、第十五传输线、第十六传输线和第十七传输线；其中第十六传输线是一对耦合传输线，四端中的两端短路和一端开路的第十七传输线另一端相连，四端中另外两端分别连接第十四传输线的一端和第十五传输线的一端，第十四传输线的另一端连接三端口合路线，第十五传输线的另一端连接低频谐振器。

4.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述高频谐振器包括高频传输线电感和高频交指电容；

高频传输线电感包括第十八传输线、第十九传输线、第二十传输线，其中第十九传输线两端分别连接第十八传输线和第二十传输线；

高频交指电容包括第二十一传输线、第二十二传输线、第二十三传输线、第二十四传输线、第二十五传输线，其中第二十四传输线的一端与第二十一传输线连接，另一端悬空；第二十三传输线和第二十五传输线的一端与第二十二传输线连接，另一端悬空。

5.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述高频馈线由第二十六传输线和第二十七传输线组成；

其中，第二十六传输线的一端与MIM电容器连接，第二十六传输线的另一端与第二十七传输线的一端连接，第二十七传输线的另一端与高频谐振器连接。

6.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述MIM电容器容值为240fF。

7.根据权利要求1所述的一种适用于双频段通信系统的双通带带通滤波器，其特征在于，所述双通带带通滤波器采用低温共烧陶瓷技术制成。

8.一种双频段通信系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的双通带带通滤波器。

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