CN117335108A - 一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器及其基站与卫星 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器及其基站与卫星。所述滤波器包含至少两个谐振器，相邻两个所述谐振器之间通过耦合结构进行耦合；所述谐振器包括：介质基板；微带结构，包括一个金属导带和两个金属条带，所述金属导带位于两个金属条带之间，所述金属导带和金属条带均设置在介质基板的上表面。本发明提供的一种由陶瓷介质块和微带结构结合在一起组成的滤波器，将两者的优势集成在一起，取长补短。利用微带结构的高加工精度，来实现滤波器的免调。用微带结构与其他子系统进行连接集成，实现高集成化，同时微带结构可以与集总元件很好的结合，使得滤波器的可实现带宽更宽。

Description

一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器及其基站与卫星

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器及其基站与卫星。

背景技术

近年来，随着新一代移动通信、卫星通信、物联网、新一代一体化雷达系统等无线技术的快速发展，整体通信设备向小型化、高密度、低成本、高性能、低延迟、低功耗的方向快速发展。大规模MIMO技术的广泛应用，无线通信系统中的信道数量也越来越多。为了提高信噪比，每个信道都会加滤波器，导致滤波器的数量成几何倍增加，这就对滤波器的尺寸和性能提出了更加苛刻的要求。现代通信系统越来越要求集成化、一体化，所有系统集成在一起，通常是全部集成在一块PCB上，采用贴片的方式来进行安装各种器件，而以前的通信系统，滤波器由于尺寸过大，常单独放置在外，通过线缆与其他部分连接。

现有技术中，微带滤波器具备重量轻、频带宽、可靠性高、加工精度高以及制造成本低的优点，同时微带滤波器本身就是平面结构滤波器，采用PCB加工工艺制造，批量生产中可以做到免调试，可以与整个系统的其他部分很好的在PCB板上进行系统集成，但存在Q值低、损耗大以及尺寸大的缺点；而且微带的介质材料介电常数往往很小，通常在4左右。而现有技术中的陶瓷介质滤波器由于内部可以填充高介电常数(通常20甚至更高)、低损耗正切角的陶瓷材料，可以大大缩减滤波器整体尺寸以及提高滤波器的Q值，但同时又存在频带窄、调试难度大、加工精度不够高以及加工成本高的缺点。且陶瓷介质滤波器由于摆放位置、方向、尺寸的不同，安装是需要单独进行的，生产上多了一道工序，不利于集成和一体化。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中，微带滤波器和陶瓷介质滤波器两者各自缺点的问题，提供一种全新的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，将两者的优势集成在一起，取长补短。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，包含至少两个谐振器，相邻两个所述谐振器之间通过耦合结构进行连接，实现交叉耦合或无交叉耦合的滤波器响应；所述谐振器包括：

介质基板；

微带结构，包括一个金属导带和两个金属条带，所述金属导带位于两个金属条带之间，所述金属导带和金属条带均固定在介质基板的上表面；

陶瓷介质块，包括陶瓷块本体和金属覆盖层，所述金属覆盖层设置在陶瓷块本体的上面、后面和两侧面，位于陶瓷块本体两侧面的所述金属覆盖层延伸至所述陶瓷块本体的下面，形成两条窄带形状的翻边，两条所述翻边分别与两个金属条带固定连接，位于所述陶瓷块本体后面的金属覆盖层与所述金属导带接触，构成谐振器的短路端；通过改变所述陶瓷介质块在所述金属导带上的位置调节谐振器的谐振频率；当所述谐振器谐振时，电磁场集中在所述陶瓷介质块内。

作为优选实例，所述耦合结构的两端分别与相邻两个金属导带连接。

作为优选实例，所述耦合结构为集总元件或交指电容。

作为优选实例，相邻两个所述谐振器中，相互靠近的两个所述金属条带互相接触，形成一整体。

作为优选实例，所述谐振器为四分之一波长谐振器。

作为优选实例，所述金属导带呈上宽下窄的T型结构；所述陶瓷介质块为长方体、正方体和梯形体中的任意一种。

作为优选实例，两个所述金属条带以所述金属导带为轴线对称分布，且所述金属条带和所述金属导带均接地设置。

作为优选实例，所述滤波器还包括金属馈线，所述金属馈线与首尾两个谐振器金属导带的中间部分连接；或，所述金属馈线与首尾两个谐振器金属导带的开路端连接。

一种基站，其采用了如上所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器。

一种卫星，其采用了如上所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种由陶瓷介质块和微带结构结合在一起组成的滤波器，将两者的优势集成在一起，取长补短。利用微带结构的高加工精度，来实现滤波器的免调。用微带结构与其他子系统进行连接集成，实现高集成化，同时微带结构可以与集总元件很好的结合，使得滤波器的可实现带宽更宽。利用陶瓷介质块的尺寸小，Q值高的优势，将整个滤波器的尺寸跟插损大大降低。

2、本发明提供的滤波器中的每个陶瓷介质块尺寸相同、结构简单、对加工要求低，使得制造成本大大降低，适合批量生产。

附图说明

图1为本发明提供的谐振器的前俯视视角的结构示意图；

图2为图1中谐振器的后俯视视角的结构示意图；

图3为图1中谐振器的爆照分解示意图；

图4为图1中谐振器另一个视角的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的采用图1所示谐振器通过集总元件进行耦合的双腔结构的滤波器结构示意图；

图6为本发明实施例提供的采用图1所示谐振器通过交指电容进行耦合的双腔结构的滤波器结构示意图；

图7为本发明实施例提供的采用图1所示谐振器构成的采用抽头馈电结构的六阶滤波器；

图8为图7中六阶滤波器另一个视角的结构示意图；

图9为图7中六阶滤波器第一个谐振器透视的俯视结构示意图；

图10为本发明实施例提供的采用图1所示谐振器构成的采用集总元件馈电结构的六阶滤波器；

图11为图7中六阶滤波器的频率响应曲线图。

图中：介质基板1、金属导带2、金属条带3、陶瓷块本体4、陶瓷块本体的两侧面41、陶瓷块本体的后面42、金属覆盖层5、翻边51、集总元件6、交指电容7、金属馈线8、避空槽9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供的滤波器至少由两个谐振器组成，通过不同数量的谐振器能够组成不同阶数的滤波器。下面对单个谐振器进行详细说明，请一并参照图1至图4，为本发明提出的谐振器的结构示意图。该谐振器包括：介质基板1、微带结构和陶瓷介质块。其中，该介质基板1由PCB材料制得，底部设置有金属层。在介质基板1的顶部则刻蚀有凹槽，用于安装微带结构。微带结构包括一个金属导带2和两个金属条带3，均固定在介质基板1上。其中，金属导带2呈上宽下窄的T型结构。两个金属条带3以金属导带2为轴左右对称分布。

多个谐振器中的陶瓷介质块均是同样结构，以其中一个陶瓷介质块为例进行说明。该陶瓷介质块包括陶瓷块本体4和金属覆盖层5。该金属覆盖层5在陶瓷块本体4的上面、陶瓷块本体的后面42和陶瓷块本体的两侧面41进行金属化覆盖，并且位于陶瓷块本体的两侧面41的金属覆盖层5延伸至陶瓷块本体4的下面，形成两条窄带形状的翻边51。该陶瓷介质块作为整个谐振器的一部分表贴在介质基板1上，与介质基板1上的微带结构紧贴形成一个四分之一波长的谐振器。具体地，陶瓷块本体4对称放置在金属导带2上，其下面由金属覆盖层5延伸而形成的两条金属化的翻边51起焊盘的作用，通过焊锡焊接在金属条带3上。该金属导带2底部接地，金属条带3则与介质基板1底部的金属层之间做金属化过孔进行接地。如图2所示，位于陶瓷块本体的后面42的金属盖层5与金属条带3焊接接触，且与金属导带2接触，从而构成了谐振器的短路端，形成一个四分之一波长谐振器。该陶瓷块本体4采用高介电常数陶瓷粉料烧制而成，可以为长方体、正方体和梯形体中的任一种。本实施例中选用长方体，其具备尺寸小、由其参与的谐振器Q值高的优点。由于陶瓷介质块的介电常数远高于介质基板1的介电常数，将导致电磁场集中在陶瓷介质块进行谐振，大大缩减了谐振器尺寸以及介质损耗。另一方面，该谐振器的谐振频率可以通过调整陶瓷介质块在金属导带2上的位置来进行调节。如图4所示，金属导带2的开路端(图4中T形结构宽边部分)与陶瓷介质块之间最短的距离L。增大距离L将降低该谐振器的谐振频率，反之减少距离L将增大谐振器的谐振频率。

上述谐振器在谐振时，电磁场主要集中在陶瓷介质块里面，而不是介质基板1里。由于陶瓷介质块损耗正切角比较低，使得谐振器的Q值远优于单纯的微带谐振器。同时多个组成滤波器的谐振器可以采用完全一模一样的产品，其尺寸相同，对加工要求低，使得制造成本大大地降低，适合批量生成。

多个谐振器之间通过介质基板1上的耦合结构连接在一起，实现交叉耦合或者无交叉耦合的滤波器响应。以两个谐振器为基本谐振单元构成的滤波器为其中一个实施例。将两个谐振器并排放置，相互靠近的两个金属条带3互相接触，形成一整体(相当于两个陶瓷介质块压在三个金属条带3上)。谐振器之间的耦合在金属导带2的开路端(图5、图6中T型结构的宽边部分)之间进行。如图5所示，两个金属导带2之间的耦合结构采用集总元件6。该集总元件6为一个由贴片电感、贴片电容、绕线电感以及磁珠等元器件所组成的功能单元。采用集总元件6来实现谐振器之间的耦合，主要用于实现较大的通道带宽，耦合的极性只需要更改集总元件6中元器件的类型就可以进行改变。另一个实施例中，如图6所示，两个金属导带2之间的耦合结构采用的是分布式耦合结构，如交指电容7。该交指电容7结构类似于螺旋状，具有交错排列的指状电极片，将电荷储存在交错排列的金属电极片之间，形成电容器。主要用于带宽较窄的滤波器。上述的集总元件6和交指电容7均为现有技术，根据所要达到的耦合效果选择合适的型号和规格即可，在此不做过多赘述。

该滤波器的馈电方式也有不同。以六个谐振器为基本谐振单元，耦合结构采用的是集总元件6构成的六阶滤波器为例。请一并参照图7至图9，其采用的馈电方式为抽头形式。抽头金属馈线8直接与首尾两个谐振器的金属导带2相连接(图9中仅在一侧做透视进行展示)，相应地，滤波器两端的金属条带3进行去除。如图8所示，该金属馈线8经过部分，其陶瓷介质块上的金属覆盖层5在对应部分开设有避空槽9，形成一个无金属化区域，对金属馈线8做避让处理，避免金属馈线8与陶瓷介质块的表面金属镀层接触，避免短路导致的能量无法馈入。对该六阶滤波器进行仿真实验，得到如图11所示的频率响应曲线。其中，中心频率为7Ghz，带宽1GH。

在另一个实施例中，同样以上述同样的六阶滤波器为例，其采用的馈电方式为集总形式。如图10所示，输入/输出馈线通过集总元件6与首尾两谐振器的金属导带2的开路端相连接，完成能量的输入和输出。

综上所述，上述的滤波器采用陶瓷介质块和微带结构共同形成谐振器，将电磁场集中在陶瓷介质块中，提高Q值和缩减谐振器尺寸。微带结构则易于集成、加工精度高、制造成本低。该滤波器非常好的将两种结构的优点集中在一起，使得滤波器的耦合、馈电、频率调谐在微带上实现。陶瓷介质块将以类似贴片元器件的方式安装在微带上，做到免调试。本发明所述的滤波器具备插损低、尺寸小、带宽宽、加工精度高以及制造成本低的特点。本发明提供的滤波器可以应用在移动通信、卫星通信、雷达等通信和探测领域，特别是适用于无线通信和雷达系统射频前端的收发通道中。该收发通道包括基站或卫星上的收发通道。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，包含至少两个谐振器，相邻两个所述谐振器之间通过耦合结构进行连接，实现交叉耦合或无交叉耦合的滤波器响应；所述谐振器包括：

介质基板(1)；

微带结构，包括一个金属导带(2)和两个金属条带(3)，所述金属导带(2)位于两个金属条带(3)之间，所述金属导带(2)和金属条带(3)均固定在介质基板(1)的上表面；

陶瓷介质块，包括陶瓷块本体(4)和金属覆盖层(5)，所述金属覆盖层(5)设置在陶瓷块本体(4)的上面、后面和两侧面，位于陶瓷块本体(4)两侧面的所述金属覆盖层(5)延伸至所述陶瓷块本体(4)的下面，形成两条窄带形状的翻边(51)，两条所述翻边(51)分别与两个金属条带(3)固定连接，位于所述陶瓷块本体(4)后面的金属覆盖层(5)与所述金属导带(2)接触，构成谐振器的短路端；通过改变所述陶瓷介质块在所述金属导带(2)上的位置调节谐振器的谐振频率；当所述谐振器谐振时，电磁场集中在所述陶瓷介质块内。

2.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，所述耦合结构的两端分别与相邻两个金属导带(2)连接。

3.根据权利要求2所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，所述耦合结构为集总元件(6)或交指电容(7)。

4.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，相邻两个所述谐振器中，相互靠近的两个所述金属条带(3)互相接触，形成一整体。

5.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，所述谐振器为四分之一波长谐振器。

6.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，所述金属导带(2)呈上宽下窄的T型结构；所述陶瓷介质块为长方体、正方体和梯形体中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，两个所述金属条带(3)以所述金属导带(2)为轴线对称分布，且所述金属条带(3)和所述金属导带(2)均接地设置。

8.根据权利要求1所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器，其特征在于，所述滤波器还包括金属馈线(8)，所述金属馈线(8)与首尾两个谐振器金属导带(2)的中间部分连接；或，所述金属馈线(8)与首尾两个谐振器金属导带(2)的开路端连接。

9.一种基站，其特征在于，其采用了根据权利要求1至8中任意一项所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器。

10.一种卫星，其特征在于，其采用了根据权利要求1至8中任意一项所述的陶瓷介质块与微带结合一起的滤波器。