CN116759772A - 基于htcc高功率超高性能的带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于微波滤波器技术领域，提供了一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，所述带通滤波器包括谐振腔和馈电探针，九个所述谐振腔基于HTCC工艺呈线性折叠设置，并以该带通滤波器的中心对称分布；沿着线性折叠方向的任意相邻两个所述谐振腔之间通过耦合窗连接；所有谐振腔中均设置有盲孔，并且其中部分盲孔的深度一致、半径不同；位于线性折叠方向首尾的谐振腔中的盲孔插接所述馈电探针，构成该带通滤波器的馈电口。本发明的带通滤波器采用高温共烧陶瓷（HTCC）技术实现小型化电器的集成，在满足常规指标以外，也满足了带通滤波器对大功率、高性能、小型集成化的设计需求。
Description
技术领域
本发明属于微波滤波器技术领域，尤其涉及一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器。
背景技术
随着射频无源器件的发展以及5G的广泛使用，为实现万物互联的目标，对涉及到传输信号的射频微波模块以及通信基站提出了更高的要求，使其需要不断优化提高性能和尺寸，这使得射频前端中的各种器件成为我们需要重点关注的对象，因此射频前端将朝着小型集成化和大功率的方向发展。
在射频前端无源器件中，滤波器起着举足轻重的作用，其性能优劣程度和小型化程度对整个系统的质量影响巨大，故对于大功率、高性能、小型集成化的射频无源滤波器的研究显得格外重要。随着生活水平的提高，在要求移动终端产品高性能的同时，对精美小巧的智能化产品产生了很大的兴趣，这也推动了包含滤波器在内的各种射频器件向小型化，低插损，高抑制，承受功率大，低成本的方向发展。
因此，亟需对现有无源器件进行性能的改进，以在满足常规指标以外，提供大功率、高性能、小型集成化的设计。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，旨在解决传统的滤波器在满足常规指标的情况下，存在大功率、高性能的情况下难以实现小型化的缺陷。
本发明实施例是这样实现的，一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，所述带通滤波器包括谐振腔和馈电探针，九个所述谐振腔基于HTCC工艺呈线性折叠设置，并以该带通滤波器的中心对称分布；
沿着线性折叠方向的任意相邻两个所述谐振腔之间通过耦合窗连接；
所有谐振腔中均设置有盲孔，并且其中部分盲孔的深度一致、半径不同；
位于线性折叠方向首尾的谐振腔中的盲孔插接所述馈电探针，构成该带通滤波器的馈电口。
进一步的，所有的所述耦合窗的高度、厚度相同，所述耦合窗的高度与所述谐振腔的高度相同。
进一步的，所述带通滤波器的外表面覆设有金属形成屏蔽层；所述金属为金、铜或铜合金。
进一步的，所述谐振腔的介质材料为纯度99.99%的氧化铝材料，介电常数为9.8，损耗角正切为0.0001。
进一步的，九个所述谐振腔分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔、第六谐振腔、第七谐振腔、第八谐振腔和第九谐振腔；所述第一谐振腔和第六谐振腔之间、第四谐振腔和第九谐振腔之间设置有方型凹槽，以实现可控的电耦合。
进一步的，所述HTCC工艺的工作温度在1200℃至1600℃之间；
所述带通滤波器还包括散热结构，该散热结构设置在九个所述谐振腔靠近馈电探针的一侧表面。
本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，采用高温共烧陶瓷（HTCC）技术实现小型化电器的集成，使得带通滤波器能够实现超高性能和大功率；带通滤波器加工采用的HTCC工艺，具有高温稳定性、优良的机械性能、导电性能和多层结构的优点；能够在极高温度下保持稳定的物理和化学性质，承受大电流和高功率的输入，保持稳定的滤波性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的透视图；
图2为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的爆炸结构图；
图3为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的等效电路图；
图4为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的尺寸参照图；
图5为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的馈电口群时延关系图；
图6为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的耦合系数与耦合窗的关系图；
图7为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的S参数图；
图8为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的热仿真结果。
附图中：10-第一谐振腔；20-第二谐振腔；30-第三谐振腔；40-第四谐振腔；50-第五谐振腔；60-第六谐振腔；70-第七谐振腔；80-第八谐振腔；90-第九谐振腔；11-第一探针；12-第一耦合窗；23-第二耦合窗；34-第三耦合窗；46-第四耦合窗；56-第五耦合窗；67-第六耦合窗；78-第七耦合窗；89-第八耦合窗；15-第一盲孔；25-第二盲孔；35-第三盲孔；45-第四盲孔；55-第五盲孔；65-第六盲孔；75-第七盲孔；85-第八盲孔；95-第九盲孔；99-第二探针；165-第一方槽；495-第二方槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，HTCC工艺，即高温共烧陶瓷技术，是烧结温度大于1000℃的共烧技术。由于采用了氧化铝、氮化铝等陶瓷材料，烧成温度一般大于1500℃。因烧成温度高，所以HTCC采用钨、钼、锰等难熔金属材料。由于HTCC基板具有结构强度高、热导率高、化学稳定性好和布线密度高等优点，因此在大功率微组装电路中具有广泛的应用前景。
介质波导滤波器可以处理高功率信号，适用于大功率应用，介质波导结构具有较高的功率容量，能够承受大功率信号而不损坏或失真；设计和制造技术可以实现较低的波导损耗和较高的功率传输效率，从而提供更高的系统效能；通常具有宽带特性，能够覆盖较宽的频率范围，这使得介质波导滤波器在需要处理多个频段或频率变化范围较大的应用中具有优势；对外界干扰信号具有较强的抑制能力。由于介质波导的封闭结构和优良的屏蔽性能，它可以有效地隔离外部干扰信号，提供更稳定的滤波效果；采用高质量的材料和精密的制造工艺，具有良好的可靠性和长期稳定性。这使得它们在各种恶劣环境条件下都能正常工作，并具有较长的使用寿命。
而本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，就是介质波导滤波器的一种，其具备介质波导滤波器的优点。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的主体结构图，所述带通滤波器包括谐振腔和馈电探针，九个所述谐振腔基于HTCC工艺呈线性折叠设置，并以该带通滤波器的中心对称分布；
沿着线性折叠方向的任意相邻两个所述谐振腔之间通过耦合窗连接；
所有谐振腔中均设置有盲孔，并且其中部分盲孔的深度一致、半径不同；
位于线性折叠方向首尾的谐振腔中的盲孔插接所述馈电探针，构成该带通滤波器的馈电口。
本实施例中，采用高温共烧陶瓷（HTCC）技术实现小型化电器的集成，使得带通滤波器能够实现超高性能和大功率；带通滤波器加工采用的HTCC工艺，具有高温稳定性、优良的机械性能、导电性能和多层结构的优点；能够在极高温度下保持稳定的物理和化学性质，承受大电流和高功率的输入，保持稳定的滤波性能。
如图1、图2所示，在本实施例的一个示例中，九个所述谐振腔分别为第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔40、第五谐振腔50、第六谐振腔60、第七谐振腔70、第八谐振腔80和第九谐振腔90；
各所述的耦合窗分别为：第一耦合窗12、第二耦合窗23、第三耦合窗34、第四耦合窗46、第五耦合窗56、第六耦合窗67、第七耦合窗78、第八耦合窗89；
所述第一耦合窗12、所述第二耦合窗23、所述第三耦合窗34、所述第四耦合窗46均具有相等的厚度和高度；同理，其他耦合窗也具有相等的厚度和高度。
各盲孔分别为：第一盲孔15、第二盲孔25、第三盲孔35、第四盲孔45、第五盲孔55、第六盲孔65、第七盲孔75、第八盲孔85、第九盲孔95；第一盲孔15、第二盲孔25、第三盲孔35、第四盲孔45、第五盲孔55、第六盲孔65、第七盲孔75、第八盲孔85、第九盲孔95分别设置在第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔40、第五谐振腔50、第六谐振腔60、第七谐振腔70、第八谐振腔80和第九谐振腔90的中心。
在本实施例的一个示例中，九个所述谐振腔分别为第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔40、第五谐振腔50、第六谐振腔60、第七谐振腔70、第八谐振腔80和第九谐振腔90；所述第一谐振腔10和第六谐振腔60之间、第四谐振腔40和第九谐振腔90之间设置有方型凹槽，以实现可控的电耦合；
在本实施例的一个示例中，两个方型凹槽分别是第一方槽165和第二方槽495；第一方槽165设置于第一谐振腔10和第六谐振腔60之间，第二方槽495设置于第四谐振腔40和第九谐振腔90之间，形成容性交叉耦合，形成180°相位差的信号传输回路，可参见图3，从而引入传输零点增强带外抑制效果。通过控制第一方槽165和/或第二方槽495的宽度实现容性耦合强弱的调控，从而控制180°相位差回路产生的传输零点的位置。
在本实施例的一个示例中，九个所述谐振腔基于HTCC工艺呈线性折叠设置，并以该带通滤波器的中心对称分布；
其中，以九个谐振腔为例，呈线性折叠设置，即呈类“己”字型设置；更具体地，以第五谐振腔50为中心，第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔40和第九谐振腔90、第八谐振腔80、第七谐振腔70、第六谐振腔60尺寸一致并对称分布；同时，第一耦合窗12、第二耦合窗23、第三耦合窗34、第四耦合窗46和第八耦合窗89、第七耦合窗78、第六耦合窗67、第五耦合窗56宽度尺寸一致并对称分布。
在一个实施例中，所述带通滤波器的外表面覆设有金属形成屏蔽层；所述金属为金、铜或铜合金。
在本实施例的一个示例中，所述金属为铜，在带通滤波器的外围镀膜或覆盖铜箔，形成屏蔽层能够更有效的屏蔽外部环境中各种杂波对器件性能的影响，并在提高器件结构稳定性的同时，能够更有效的防止内部信号泄漏。
同理，金属为金时，设置方法与铜箔的设置方法相同，也具有相同的型号屏蔽功能，在此不再详述。
在本实施例的一个示例中，所述谐振腔的介质材料为纯度99.99%的氧化铝材料，介电常数为9.8，损耗角正切为0.0001；
本实施例的示例中，采用纯度为99.99%的高导热氧化铝材料制作带通滤波器，有助于降低带通滤波器的工作温度，提高带通滤波器的可靠性和性能，并且拥有良好的绝缘性能，防止电流泄漏和电磁干扰，其次氧化铝材料耐高温、对大多数化学物质具有较好的稳定性，具有抗腐蚀和耐酸碱性能，且用来制作带通滤波器能够实现超高性能和大功率；同时，带通滤波器的加工采用具有高温稳定性、优良的机械性能、导电性能和多层结构的优点的HTCC工艺，即通过原料准备、材料混合、粘结剂添加、多层叠装、金属化和烧结、调试和测试、封装和保护等步骤加工，能够充分结合带通滤波器的介质并形成坚固的结构。
在本实施例的一个示例中，所述HTCC工艺的工作温度在1200℃至1600℃之间；在1200℃至1600℃之间将氧化铝材料烧结，以确保氧化铝材料能够充分结合并形成坚固的结构。HTCC加工的氧化铝材料具有出色的高温稳定性，能够在高温环境下保持稳定的电性能和机械性能、具有高硬度、高强度和优秀的耐磨性能，可以承受较大的机械应力和冲击、具有良好的绝缘性能和低介电损耗，可以实现高频率、高速率和高精度的电信号传输、可以制造多层电路板，使得元件在相对较小的体积中实现更高的集成度和功能性。
可选地，所述HTCC工艺的工作温度优选在1500℃；当然，在一些示例中，根据需求的不同、材料的差异，可以在1200℃、1300℃或1600℃灵活选定，本示例并不限制于此。
在本实施例的一个示例中，所有谐振腔的其中部分盲孔的深度一致、半径不同；例如：第一盲孔15、第二盲孔25的半径不同，第五盲孔55、第二盲孔25的半径不同，等等。
例如：该带通滤波器的整体尺寸为20.34x20.34x6.5mm；通过HFSS软件中本征模式进行参数仿真，结合所需的中心频率确定单个谐振腔的尺寸以及内部放置盲孔的深度和半径，当谐振腔尺寸不同时基模的谐振频率会变化，具体变化即单个谐振腔尺寸增大，各个模式的谐振频率会降低；反之随着谐振腔尺寸减小，各个模式的谐振频率会增大。
本示例中根据基模的传播方式可知盲孔的深度对基模的谐振频率影响最大，在该示例中基于基模传输信号，因此根据本征模式确定谐振腔的尺寸5.76*5.76*6mm，以及盲孔深度h=4mm，r=2mm后，通过调节盲孔的半径实现微调，深度h对基模影响最大，半径r对高次模影响大。
在一个示例中，各所述盲孔均设置在对应谐振腔的中心位置；如第一盲孔15、第二盲孔25分别设置于第一谐振腔10、第二谐振腔20的中心位置；以第五谐振腔50为中心，第一谐振腔10、第二谐振腔20、第三谐振腔30、第四谐振腔40及其内部的盲孔和第九谐振腔90、第八谐振腔80、第七谐振腔70、第六谐振腔60及其内部的盲孔尺寸一致并对称分布。
在本实施例的一个示例中，位于线性折叠方向首尾的谐振腔中的盲孔插接所述馈电探针，构成该带通滤波器的馈电口；
本示例中的两个馈电探针分别是第一金属探针11、第二金属探针99；第一金属探针11、第二金属探针99分别贯穿介质，插入第一谐振腔10、第九谐振腔90之中，距各自对应的盲孔(15，95)保持一定距离并进行馈电。
在一个示例中，根据理论计算得到的时延对比单一谐振腔仿真得到的频率与时延的关系图，如图5所示，并确定所述馈电探针伸入谐振腔的深度h0=0.78mm；所述第一金属探针11的直径等于所述第二金属探针99的直径，第一金属探针11的直径r0=0.5mm；根据HFSS软件本征模式并利用如下公式（1）： （1）；
其中，k为第一谐振腔10和第二谐振腔20的耦合系数，f1为第一谐振腔10的频率，f2为第二谐振腔20的频率；计算第一谐振腔10和第二谐振腔20的耦合系数和耦合窗宽度的关系，如图6所示；并对比根据filter Designer理论计算得到的参数确定所述第一耦合窗12宽度为yc1=3.66mm，第二耦合窗23宽度为yc2=3.10mm，第三耦合窗34宽度为xc1=2.99mm，第四耦合窗46宽度为yc3=2.94mm，第五耦合窗56宽度为yc4=yc3=2.94mm，第六耦合窗67宽度为xc2=xc1=2.99mm，第七耦合窗78宽度为yc5=yc2=3.10mm，第八耦合窗89宽度为yc6=yc1=3.66mm；如图4所示。
在一个实施例中，所有的所述耦合窗的高度、厚度相同，所述耦合窗的高度与所述谐振腔的高度相同。结构相对简单，具有大功率、小型化、稳定性高、高Q值、低损耗、高带外抑制等特点，设计与调试更方便。
本实施例的带通滤波器，作为大功率滤波器能够有效滤除电源中的高频噪声、谐波和其他频率成分；它们通常具有可调谐的滤波特性，可以根据需要选择特定的频率范围进行滤波；具备足够的功率容量，以应对高功率负载的需求。它们能够承受大电流和高功率的输入，保持稳定的滤波性能。
在本实施例的一个示例中，所述带通滤波器还包括散热结构，该散热结构设置在九个所述谐振腔靠近馈电探针的一侧表面；
其中，所述散热结构可以是散热板，由铝材、铜材或其他金属材料制成。
在本实施例的一个示例中，两个方型凹槽分别是第一方槽165和第二方槽495；第一方槽165设置于所述第一谐振腔10和第六谐振腔60之间、第二方槽495设置于所述第四谐振腔40和第九谐振腔90之间形成容性交叉耦合，形成180°相位差的信号传输通路，从而引入传输零点增强带外抑制效果。
图3为一个实施例中基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器的等效电路图；其中，P1、P2是两个馈电口，RLC1、RLC1至RLC9等效第一谐振腔、第二谐振腔至第九谐振腔，C12、C23、C34等分别对应第一耦合窗、第一耦合窗至第八耦合窗；Cc1、Cc2分别对应第一方槽、第二方槽；
其中，本实施例的信号传输通路的相位变化如表1所示：
表1为滤波器的信号传输通路的相位变化表
本实施例的一个示例中，可以根据理论计算与本征模式测试得到的数据结合从而得到各所述谐振腔、耦合窗、金属探针以及所述方型凹槽的尺寸，对滤波器整体模型的搭建如下图1，图3是等效电路图，对各个尺寸进一步优化得到如图7所示的仿真结果。
第一盲孔15半径r0=1.99mm，第二盲孔25半径r1=1.28mm，第三盲孔35半径r2=1.75mm，第四盲孔45半径r3=1.58mm；以第五谐振腔为中心，第一、二、三、四耦合窗及谐振腔内的盲孔和第八、七、六、五耦合窗宽度及谐振腔内的盲孔尺寸一致并对称分布。方型凹槽(165、495)设置于所述第一谐振腔10和第六谐振腔60、第四谐振腔40和第九谐振腔90之间形成容性交叉耦合，其尺寸xc3=0.9mm。
图7是本实施例中带通滤波器的S参数图，通带范围4.8-4.96GHz，带内插入损耗-0.15dB，截止频率处插入损耗0.5dB，通带内回波损耗小于-18dB；从图中可以很明显的看出，阻带有三个零点，在低端能够达到带外10MHz衰减大于26dB，高端带外15MHz衰减大于40dB；
图8是本实施例中带通滤波器的热仿真结果，从图中可以很明显看出带通滤波器在50W的功率下工作，通过在带通滤波器底部添加散热板，最高温度在44℃左右，能够实现良好的通信性能。
综上所述，本发明实施例提供的基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，具有体积小，重量轻，大功率的优点，并通过交叉耦合提高带外抑制，减小通带内回波损耗，设计与调试方便，适用于5G通信频段。
本发明上述实施例提供了一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，采用高温共烧陶瓷（HTCC）技术实现小型化电器的集成，使得带通滤波器能够实现超高性能和大功率；带通滤波器加工采用的HTCC工艺，具有高温稳定性、优良的机械性能、导电性能和多层结构的优点；能够在极高温度下保持稳定的物理和化学性质，承受大电流和高功率的输入，保持稳定的滤波性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于HTCC高功率超高性能的带通滤波器，所述带通滤波器包括谐振腔和馈电探针，其特征在于，九个所述谐振腔基于HTCC工艺呈线性折叠设置，并以该带通滤波器的中心对称分布；
沿着线性折叠方向的任意相邻两个所述谐振腔之间通过耦合窗连接；
所有谐振腔中均设置有盲孔，并且其中部分盲孔的深度一致、半径不同；
位于线性折叠方向首尾的谐振腔中的盲孔插接所述馈电探针，构成该带通滤波器的馈电口。
2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所有的所述耦合窗的高度、厚度相同，所述耦合窗的高度与所述谐振腔的高度相同。
3.根据权利要求1或2所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器的外表面覆设有金属形成屏蔽层。
4.根据权利要求3所述的带通滤波器，其特征在于，所述金属为金、铜或铜合金。
5.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述谐振腔的介质材料为纯度99.99%的氧化铝材料，介电常数为9.8，损耗角正切为0.0001。
6.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，九个所述谐振腔分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔、第六谐振腔、第七谐振腔、第八谐振腔和第九谐振腔；
所述第一谐振腔和第六谐振腔之间、第四谐振腔和第九谐振腔之间设置有方型凹槽，以实现可控的电耦合。
7.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述HTCC工艺的工作温度在1200℃至1600℃之间。
8.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器还包括散热结构，该散热结构设置在九个所述谐振腔靠近馈电探针的一侧表面。
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