CN115588829A - 一种滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种滤波器，包括：印制电路板，所述印制电路板包括介质板和覆盖于所述介质板的两侧表面的金属层；和金属加载腔，所述金属加载腔由金属周壁和金属底壁围合而成，以形成顶部具有开口的中空腔体，所述金属加载腔以其开口朝向所述印制电路板的方向固定至所述印制电路板；所述印制电路板的朝向所述金属加载腔的一侧表面的金属层具有与所述开口相对应的镂空，所述介质板自所述镂空与所述中空腔体相接、以组合形成谐振腔体。

Description

一种滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器。

背景技术

基片集成波导(SIW,Substrate Integrated Waveguide)是近年来发展起来的一种新型基于印制电路板(PCB)板材的传输线结构，因其广泛应用于毫米波(mmWave)频段的微波集成电路(MMIC)，覆盖频率6GHz左右至100GHz以上。

基于SIW传输线的滤波器设计应用因此而产生，SIW滤波器在PCB上制作谐振器，级联互相耦合的谐振器后形成滤波特性，其具有小型化/工艺简单及可以与有源控制/有源射频电路集成的特点，这种SIW滤波器被广泛应用于毫米波的射频前端设计中。

传统SIW滤波器的问题在于其谐振器无载Q值Qu很低。传统SIW滤波器无法应用于更广泛需求的移动通信射频前端，特别是6GHz以下(sub-6GHz)的商用移动通信射频前端(RRU,Radio Remote Unit)。6GHz以下的移动通信RRU需要工作在需要低损耗的滤波器，其对谐振器Qu的需求往往大于1000以上。

因此，传统的6GHz以下滤波器绝大部分都使用金属同轴谐振器结构，整个滤波器由金属件加工而成，包含金属腔、金属谐振柱、含频率/耦合调谐螺钉的金属盖板、以及输入输出耦合结构。其优点在于Qu值高(往往大于1000)，易于加工，缺点是需要独立加工金属件，很难与和电路集成制作。因此6GHz以下RRU很难将其需要的滤波器和其他有源控制和有源射频电路集成在一个PCB板子上，无法做成类似微波集成电路(MMIC)的集成模块，而不得不将滤波器分离出来作为单独部件安装到射频前端里面，使用RF连接器或电缆连接，从而造成尺寸大(特别是高度尺寸)/集成化低。

综上所述，传统SIW滤波器具备尺寸小，可以做成微波集成电路的特点，但是缺点是Qu值低无法满足低损耗要求；而传统的金属同轴腔滤波器具备Qu值高的优点，可以应用在6GHz以下的RRU上，然而其缺点就是尺寸大，往往是金属加工装配零件，不易与RRU其他电路部件集成。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种滤波器，采用金属加载腔与印制电路板相结合的方式，不仅提高了滤波器的无载Q值，而且大幅度减小了滤波器的尺寸和制造成本。

在一个实施例中提供了一种滤波器，包括：

印制电路板，所述印制电路板包括介质板和覆盖于所述介质板的两侧表面的金属层；和

金属加载腔，所述金属加载腔由金属周壁和金属底壁围合而成，以形成顶部具有开口的中空腔体，所述金属加载腔以其开口朝向所述印制电路板的方向固定至所述印制电路板；

所述印制电路板的朝向所述金属加载腔的一侧表面的金属层具有与所述开口相对应的镂空，所述介质板自所述镂空与所述中空腔体相接、以组合形成谐振腔体。

在一个实施例中，所述介质板内形成与所述金属加载腔对应的电路板谐振腔，所述电路板谐振腔的边缘由与所述两侧表面的金属层相接的金属化过孔形成，所述金属化过孔平行间隔设置。

在一个实施例中，包括：

多个金属加载腔，所述多个金属加载腔间隔设置；

多个电路板谐振腔，相邻的电路板谐振腔之间通过耦合窗相接，耦合窗的边缘由所述金属化过孔形成。

在一个实施例中，所述金属加载腔内进一步包括金属耦合盘，所述金属耦合盘邻近所述印制电路板；

所述印制电路板进一步包括耦合盲孔，所述耦合盲孔自所述印制电路板的背离所述金属加载腔的一侧表面凹进，所述耦合盲孔的表面覆盖金属层，

所述金属耦合盘和所述耦合盲孔耦合，以形成第一电容加载结构。

在一个实施例中，所述金属耦合盘位于所述金属加载腔的截面的中心位置，所述耦合盲孔的位置与所述金属耦合盘对应；

与所述耦合盲孔的位置对应的金属层和/或介质板的厚度与所述滤波器的频率关联。

在一个实施例中，所述金属加载腔进一步包括自所述金属底壁的中心向内凹进的冲压孔。

在一个实施例中，所述金属加载腔内进一步包括金属耦合盘，所述金属耦合盘设置于所述冲压孔的顶部；

所述印制电路板进一步包括耦合盲孔，所述耦合盲孔自所述印制电路板的背离所述金属加载腔的一侧表面凹进，所述耦合盲孔的表面覆盖金属层，

所述金属耦合盘和所述耦合盲孔耦合，以形成第一电容加载结构。

在一个实施例中，进一步包括：

容性交叉耦合结构，所述容性交叉耦合结构为形成于所述介质板内的金属带，且与所述金属层隔离，所述容性交叉耦合结构的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔内。

在一个实施例中，进一步包括：

感性交叉耦合结构，所述感性交叉耦合结构为形成于所述介质板内的金属带，端部分别通过一个金属化过孔与所述金属层连接，所述感性交叉耦合结构的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔内。

在一个实施例中，与所述耦合窗的位置对应的金属层和/或介质板的厚度与所述滤波器的耦合度关联。

由以上技术方案可知，本实施例采用了金属加载腔与SIW滤波器(印制电路板)相结合的方式，从而能够兼具两种不同的滤波器的优点。其中，本实施例中的印制电路板1的介质板的一侧表面全部覆盖金属层，而另一侧表面在对应于金属加载腔2的位置通过镂空实现了去金属化，从而使得印制电路板的介质层自该镂空而与金属加载腔2连通，则电磁场不会如现有的SIW谐振器那样被局限于两个金属层之间的介质中，而是在介质层与金属加载腔2内的空气层中传播，从而极大程度地提高了谐振器的无载Q值。

另外，本实施例的电磁场的传播介质由空气和介质板组成，传播介质的介电常数较现有的介质板的传播方式有所增加，从而能够在实现同样的无载Q值的前提下减小金属加载腔的厚度，以降低滤波器的整体厚度。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是本发明的滤波器的第一实施例的结构示意图。

图2是本发明的滤波器的第二实施例的结构示意图。

图3是图2的滤波器的特征曲线图。

图4是本发明的滤波器的第三实施例的结构示意图。

图5是图4的滤波器的特征曲线图。

图6是本发明的滤波器的第四实施例的结构示意图。

图7是图6的滤波器的特征曲线图。

图8是本发明的滤波器的第五实施例的结构示意图。

图9是图8的滤波器的特征曲线图。

图10是本发明的滤波器的第二实施例的俯视图。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。

现在将参照附图更完全地描述各示例实施例。

为了解决现有技术中问题，本发明提供。

图1是本发明的滤波器的第一实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的一个实施例提供一种滤波器，包括：

印制电路板1，印制电路板1包括介质板11和覆盖于介质板的两侧表面的金属层12；和

金属加载腔2，金属加载腔2由金属周壁21和金属底壁22围合而成，以形成顶部具有开口的中空腔体，金属加载腔2以其开口朝向印制电路板1的方向固定至印制电路板1；

印制电路板1的朝向金属加载腔2的一侧表面的金属层具有与开口相对应的镂空，介质板11自镂空与中空腔体相接、以组合形成谐振腔体。

本实施例采用了金属加载腔与SIW滤波器(印制电路板)相结合的方式，从而能够兼具两种不同的滤波器的优点。其中，本实施例中的印制电路板1的介质板的一侧表面全部覆盖金属层，而另一侧表面在对应于金属加载腔2的位置通过镂空实现了去金属化，从而使得印制电路板的介质层自该镂空而与金属加载腔2连通，则电磁场不会如现有的SIW谐振器那样被局限于两个金属层之间的介质中，而是在介质层与金属加载腔2内的空气层中传播，从而极大程度地提高了谐振器的无载Q值。在一个具体实施例中，谐振器的Qu值可达到1000以上，从而满足Sub-6GHz的RRU应用需求。

同时，因为这种金属腔加载的SIW滤波器的主体是PCB或LTCC，可以很方便的与其他有源控制电路及有源射频电路集成，做成微波集成电路(MMIC)，使得在Sub-6GHz频段的微波集成电路成为可能而规避了传统金属腔滤波器的不易集成特点。

另外，本实施例的电磁场的传播介质由空气和介质板组成，传播介质的介电常数较现有的介质板的传播方式有所增加，金属加载腔的作用在于将一部分电磁能量耦合进入空气介质为主体(通常认为空气可以忽略而不影响Qu)的金属环绕空间，从而减少电磁能量在PCB介质中的损耗、达到增加Qu值的目的。从而能够在实现同样的无载Q值的前提下减小金属加载腔的厚度，以降低滤波器的整体厚度。

进一步地，介质板11内形成与金属加载腔2对应的电路板谐振腔13，电路板谐振腔13的边缘由与两侧表面的金属层12相接的金属化过孔14形成，金属化过孔14平行间隔设置。

印制电路板1表面的金属层12可包括上金属层和下金属层，其中下金属层的与金属加载腔2对应的位置通过镂空而去金属化。金属化过孔14用于连接上金属层和下金属层，从而将在介质板11内传播的电磁场限制于与金属加载腔2对应的电路板谐振腔13内，以符合预先设计的SIW谐振器的大小。

在一个优选实施例中，为了进一步地满足对于滤波器的初始频率的调整，在一个优选实施例中，金属加载腔2内进一步包括金属耦合盘23，金属耦合盘23邻近印制电路板1；

印制电路板1进一步包括耦合盲孔18，耦合盲孔18自印制电路板1的背离金属加载腔2的一侧表面凹进，耦合盲孔18的表面覆盖金属层，

金属耦合盘23和耦合盲孔18耦合，以形成第一电容加载结构。

且，金属耦合盘23位于金属加载腔2的截面的中心位置，耦合盲孔18的位置与金属耦合盘23对应。

金属耦合盘23和耦合盲孔18的直径与高度对于滤波器的频率具有对应性的影响。其目的是增加频率条件电容、以使得滤波器能工作在Sub-6GHz的较低频段(如本实例工作在1.9GHz)。典型地，耦合盲孔18的厚度为0.5mm。

在一个优选实施例中，金属加载腔2进一步包括自金属底壁22的中心向内凹进的冲压孔24。金属耦合盘23可以通过冲压或者焊接的方式而形成于冲压孔24的顶部。

图2是本发明的滤波器的第二实施例的结构示意图。如图2所示，本发明的一个实施例提供一种滤波器，包括：

印制电路板1，印制电路板1包括介质板11和覆盖于介质板的两侧表面的金属层12；和

多个金属加载腔2，每个金属加载腔2由金属周壁21和金属底壁22围合而成，以形成顶部具有开口的中空腔体，金属加载腔2以其开口朝向印制电路板1的方向固定至印制电路板1，多个金属加载腔2间隔设置；

印制电路板1的朝向金属加载腔2的一侧表面的金属层具有与开口相对应的镂空，介质板11自镂空与中空腔体相接、以组合形成谐振腔体；

介质板11内形成与金属加载腔2对应的电路板谐振腔13，电路板谐振腔13的边缘由与两侧表面的金属层12相接的金属化过孔14形成，金属化过孔14平行间隔设置，相邻的电路板谐振腔13之间通过耦合窗15相接，耦合窗15的边缘由金属化过孔14形成。

耦合窗15的形成是通过去除相邻的电路板谐振腔13之间的一部分金属化过孔14而实现的。

本实施例提供了一种多阶(图中示出为3阶)的滤波器，其中，多个金属加载腔2的结构是相同的，且每个金属加载腔2之间通过间隔设置而相互独立，不直接产生耦合。谐振腔体之间的耦合是通过印制电路板1中的电路板谐振腔13之间的耦合而实现的。相邻的电路板谐振腔13之间的耦合通过耦合窗15来实现，而耦合窗15的形成仅需要调整金属化过孔14的形成位置即可实现。

本实施例中的多个金属加载腔2的结构简单，无需设置耦合结构，与现有的金属谐振器相比，多阶的谐振腔体之间的耦合可不需要另外设计新的模具，能够大量减少开模和制造成本。耦合结构是在印制电路板1中的结构来实现的，众所周知，印制电路板1中的结构调整，即在任意位置增加或去除金属化连线或者金属化过孔是非常便于实现的，因此，本实施例的滤波器通过将印制电路板与金属加载腔相结合的方式，不仅提高了滤波器的无载Q值，而且将难以附加于金属加载腔的耦合结构均转移至印制电路板1中来实现，能够极大程度地减少结构的复杂度和制造成本。

同样地，在一个优选实施例中，为了进一步地满足对于滤波器的初始频率的调整，在一个优选实施例中，金属加载腔2内进一步包括金属耦合盘23，金属耦合盘23邻近印制电路板1；

印制电路板1进一步包括耦合盲孔18，耦合盲孔18自印制电路板1的背离金属加载腔2的一侧表面凹进，耦合盲孔18的表面覆盖金属层，

金属耦合盘23和耦合盲孔18耦合，以形成第一电容加载结构。

且，金属耦合盘23位于金属加载腔2的截面的中心位置，耦合盲孔18的位置与金属耦合盘23对应。

金属耦合盘23和耦合盲孔18的直径与高度对于滤波器的频率具有对应性的影响。其目的是增加频率条件电容、以使得滤波器能工作在Sub-6GHz的较低频段(如本实例工作在1.9GHz)。典型地，耦合盲孔18的厚度为0.5mm。

在一个优选实施例中，金属加载腔2进一步包括自金属底壁22的中心向内凹进的冲压孔24。金属耦合盘23可以通过冲压或者焊接的方式而形成于冲压孔24的顶部。

由图3的三阶金属加载滤波器的特征曲线可以看到，与虚线所示的理想滤波器函数相拟合，可以拟合出其等效Qu值为1500左右，远大于传统的SIW滤波器的Qu值。

进一步地，在图2所示的实施例的基础上，为了产生滤波器通带外的有限传输零点，如图4所示，本发明的实施例还进一步包括：

容性交叉耦合结构31，容性交叉耦合结构31为形成于介质板11内的金属带，且与金属层12隔离，容性交叉耦合结构31的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔13内。

其中，在本实施例中，印制电路板1不能适用双面板，而是需要至少3层板，增加一层中间层以用于加工形成容性交叉耦合结构31。具体地，中间层位于中间位置，距离上、下表面的金属层约0.5mm，中间层大部分金属化去除，而是留下在第一个金属加载腔和第三个金属加载腔之间悬置的一根金属化传输线，即容性交叉耦合结构31，其用于在这两个不相邻的金属加载腔之间耦合电场能量，以产生容性耦合，从而在通带的左边产生一个有限传输零点。

图5示出了这个容性交叉耦合结构的响应曲线及其与理想容性交叉耦合滤波器响应曲线(虚线所示)的拟合。可以看到在通带的左侧产生了一个有限传输零点。

类似地，在图2所示的实施例的基础上，为了产生滤波器通带外的有限传输零点，如图6所示，本发明的实施例还进一步包括：，进一步包括：

感性交叉耦合结构32，感性交叉耦合结构32为形成于介质板11内的金属带，端部分别通过一个金属化过孔14与金属层12连接，感性交叉耦合结构32的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔13内。

其中，在本实施例中，印制电路板1不能适用双面板，而是需要至少3层板，增加一层中间层以用于加工形成感性交叉耦合结构32。具体地，中间层位于中间位置，距离上、下表面的金属层约0.5mm，中间层大部分金属化去除，而是留下在第一个金属加载腔和第三个金属加载腔之间悬置的一根金属化传输线，即感性交叉耦合结构32，感性交叉耦合结构32的两端分别通过一个金属化过孔14与上金属层12连接，其用于在这两个不相邻的金属加载腔之间耦合磁场能量，以产生感性性耦合，从而在通带的右边产生一个有限传输零点。

图7示出了这个感性交叉耦合结构的响应曲线及其与理想感性交叉耦合滤波器响应曲线(虚线所示)的拟合。可以看到在通带的右侧产生了一个有限传输零点。

如图8所示，本发明的实施例提供了一个四阶滤波器，其还进一步包括：

容性交叉耦合结构31，容性交叉耦合结构31为形成于介质板11内的金属带，且与金属层12隔离，容性交叉耦合结构31的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔13内，在这里为第一个电路板谐振器和第四个电路板谐振器。

其中，该容性交叉耦合结构31在第一个电路板谐振器和第四个电路板谐振器之间耦合电场能量，产生容性耦合，从而在通带左边和右边各产生一个有限传输零点。图9示出了这个容性交叉耦合结构的响应曲线及其与理想容性交叉耦合滤波器响应曲线(虚线所示)的拟合。可以看到在通带的左侧和右侧各产生了一个有限传输零点。

图10是本发明的滤波器的第二实施例的俯视图。

在实际应用中，滤波器在制作好后需要进行频率和耦合的微调，在本实施例中，如图10所示，与耦合窗15的位置对应的第一区域16中，位于两个相邻PCB谐振腔13之间的金属层12的厚度和/或介质板11中未设置金属化过孔14的区域的宽度与滤波器的耦合度关联，与耦合盲孔18的位置对应的第二区域17中，金属层12和/或介质板11的厚度与滤波器的频率关联。其中，未设置金属化过孔14的区域的宽度越大，则耦合度越高。

即，第一区域16可称为耦合敏感区域，而第二区域17可称为频率敏感区域。则通过打磨工具打磨第一区域16和第二区域17，去除相应的金属化层或介质层，可达到微扰电磁场从而调整响应曲线的效果。这个方法相对于传统sub-6GHz金属滤波器通过调谐螺杆的方法比，具有尺寸小，结构简单的优势。

由以上技术方案可知，本实施例采用了金属加载腔与SIW滤波器(印制电路板)相结合的方式，从而能够兼具两种不同的滤波器的优点。其中，本实施例中的印制电路板1的介质板的一侧表面全部覆盖金属层，而另一侧表面在对应于金属加载腔2的位置通过镂空实现了去金属化，从而使得印制电路板的介质层自该镂空而与金属加载腔2连通，则电磁场不会如现有的SIW谐振器那样被局限于两个金属层之间的介质中，而是在介质层与金属加载腔2内的空气层中传播，从而极大程度地提高了谐振器的无载Q值。

另外，本实施例的电磁场的传播介质由空气和介质板组成，传播介质的介电常数较现有的介质板的传播方式有所增加，从而能够在实现同样的无载Q值的前提下减小金属加载腔的厚度，以降低滤波器的整体厚度。

本实施例的滤波器通过将印制电路板与金属加载腔相结合的方式，不仅提高了滤波器的无载Q值，而且将难以附加于金属加载腔的耦合结构均转移至印制电路板1中来实现，能够极大程度地减少结构的复杂度和制造成本。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，而并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滤波器，其特征在于，包括：

印制电路板(1)，所述印制电路板(1)包括介质板(11)和覆盖于所述介质板的两侧表面的金属层(12)；和

金属加载腔(2)，所述金属加载腔(2)由金属周壁(21)和金属底壁(22)围合而成，以形成顶部具有开口的中空腔体，所述金属加载腔(2)以其开口朝向所述印制电路板(1)的方向固定至所述印制电路板(1)；

所述印制电路板(1)的朝向所述金属加载腔(2)的一侧表面的金属层具有与所述开口相对应的镂空，所述介质板(11)自所述镂空与所述中空腔体相接、以组合形成谐振腔体。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述介质板(11)内形成与所述金属加载腔(2)对应的电路板谐振腔(13)，所述电路板谐振腔(13)的边缘由与所述两侧表面的金属层(12)相接的金属化过孔(14)形成，所述金属化过孔(14)平行间隔设置。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，包括：

多个金属加载腔(2)，所述多个金属加载腔(2)间隔设置；

多个电路板谐振腔(13)，相邻的电路板谐振腔(13)之间通过耦合窗(15)相接，耦合窗(15)的边缘由所述金属化过孔(14)形成。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的滤波器，其特征在于，所述金属加载腔(2)内进一步包括金属耦合盘(23)，所述金属耦合盘(23)邻近所述印制电路板(1)；

所述印制电路板(1)进一步包括耦合盲孔(18)，所述耦合盲孔(18)自所述印制电路板(1)的背离所述金属加载腔(2)的一侧表面凹进，所述耦合盲孔(18)的表面覆盖金属层，

所述金属耦合盘(23)和所述耦合盲孔(18)耦合，以形成第一电容加载结构。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述金属耦合盘(23)位于所述金属加载腔(2)的截面的中心位置，所述耦合盲孔(18)的位置与所述金属耦合盘(23)对应；

与所述耦合盲孔(18)的位置对应的金属层(12)和/或介质板(11)的厚度与所述滤波器的频率关联。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的滤波器，其特征在于，所述金属加载腔(2)进一步包括自所述金属底壁(22)的中心向内凹进的冲压孔(24)。

7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于，所述金属加载腔(2)内进一步包括金属耦合盘(23)，所述金属耦合盘(23)设置于所述冲压孔(24)的顶部；

所述印制电路板(1)进一步包括耦合盲孔(18)，所述耦合盲孔(18)自所述印制电路板(1)的背离所述金属加载腔(2)的一侧表面凹进，所述耦合盲孔(18)的表面覆盖金属层，

所述金属耦合盘(23)和所述耦合盲孔(18)耦合，以形成第一电容加载结构。

8.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，进一步包括：

容性交叉耦合结构(31)，所述容性交叉耦合结构(31)为形成于所述介质板(11)内的金属带，且与所述金属层(12)隔离，所述容性交叉耦合结构(31)的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔(13)内。

9.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，进一步包括：

感性交叉耦合结构(32)，所述感性交叉耦合结构(32)为形成于所述介质板(11)内的金属带，端部分别通过一个金属化过孔(14)与所述金属层(12)连接，所述感性交叉耦合结构(32)的两端分别位于两个不相邻的电路板谐振腔(13)内。

10.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，两个相邻PCB谐振腔(13)之间的与所述耦合窗(15)的位置对应的介质板(11)的未布置金属化过孔的区域的宽度与所述滤波器的耦合度关联。

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