CN117748073B - 一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路及调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路及调节方法,包括滤波单元及毫米波可调均衡单元,滤波单元依次排列的输入馈线、第一微带单模谐振器、四模谐振器、第二微带单模谐振器及输出馈线;毫米波可调均衡单元通过50欧姆传输线与滤波单元的输入馈线连接,用于调节均衡量;滤波单元及毫米波可调均衡单元通过薄膜电路技术制备在介质基片上表面,具有三级或N级可调单元,介质基片背面为金属接地层。本发明实现了电路结构的小型化和超宽带特性,实现了带外高抑制特性,电路中采用了可调节低Q值谐振器均衡单元,实现了电路高平坦度特性,解决通带高端插损大于通带低端问题。该电路体积小,适于毫米波混合集成电路、SIP集成应用。
Description
技术领域
本发明涉及微波电路领域,特别涉及一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路及调节方法。
背景技术
宽带毫米波带通滤波器在毫米波集成电路中起到信号滤波的关键作用,现有技术中有两种常用技术手段可以实现宽带毫米波滤波功能,一种常采用芯片IPD高通滤波器或芯片IPD高通与低通级联的方式实现宽带毫米波滤波功能,仅采用芯片IPD高通滤波器的场合,对目标频段通带高端以外无抑制,采用芯片IPD高通与低通级联滤波的方案受限于芯片IPD滤波器自身的限制,可以实现的带外抑制较低,尤其近端带外抑制很难满足工程应用要求(偏离带宽的15%抑制30dB以上)。另一种是在主传输线上加载短路枝节实现宽带滤波,存在两个缺点,一是滤波器带外抑制差,不满足高带外抑制要求,二是滤波器尺寸大,在毫米波芯片均实现小型化的前提下,短路枝节加载毫米波滤波器的长度过长,不满足小型化集成的要求,常规分布式宽带毫米波滤波器如图1所示。
现有宽带滤波器技术中,多模谐振器可实现超宽带频率覆盖,主要采用多模谐振器与三线耦合馈电的方式实现滤波功能,微波频段存在过渡带滚降慢,近端带外抑制差,寄生模式难以控制容易激起寄生通带的缺点,更少见在毫米波高抑制需求场合的应用,典型结构如图2所示。采用单模、多模谐振器组合的方式可以提高滤波器的带外抑制,但该技术仅在窄带腔体滤波器或介质滤波器中有所应用,实现的滤波器频率低、体积大,较难满足毫米波高密度集成应用需求。
除上述问题外,宽带毫米波滤波器的插损会随频率的升高而显著增加,通带插损呈现负斜率趋势,宽带毫米波放大器等器件的增益也呈现出增益随工作频率增加而降低的现象,如果两者在同一链路中应用,链路增益波动将会进一步增大,因此在实现小型化、高抑制毫米波滤波器的同时,有必要对其插损曲线进行均衡。当前微带毫米波均衡器的实现方式如图3所示,其均衡量固定,不能通过调试手段完成均衡量的有效调整,只能在设计阶段改变电阻阻值实现均衡量调整。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,提供了一种微型化、宽带、高抑制、高平坦度毫米波带通滤波器及其调节方法。
本发明第一方面提出了一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,包括滤波单元及毫米波可调均衡单元,所述滤波单元包括依次排列的输入馈线、第一微带单模谐振器、四模谐振器、第一微带单模谐振器及输出馈线;所述毫米波可调均衡单元通过50欧姆传输线与滤波单元的输入馈线连接,用于调节均衡量;所述滤波单元及毫米波可调均衡单元通过薄膜电路技术制备在介质基片上表面,介质基片背面为金属接地层。
进一步的,所述第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器结构相同,一侧开路,另一侧通过接地孔连通介质基片背面的金属接地层;所述第一微带单模谐振器与输入馈线耦合,所述第二微带单模谐振器与输出馈线耦合,第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器关于四模谐振器的中心对称线对称排列。
进一步的,所述四模谐振器位于第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器之间;所述四模谐振器包括第一高阻抗线、第二高阻抗线和n形低阻抗线;所述第一高阻抗线和第二高阻抗线的一端开路,另一端分别与n形低阻抗线的两端连接,形成W形的对称阶跃阻抗线结构;所述第一高阻抗线与第一微带单模谐振器耦合,所述第二高阻抗线与第二微带单模谐振器耦合。
进一步的,所述输入馈线与输出馈线均包括次高阻抗线与高阻抗线段,所述次高阻抗线用于输入/输出匹配,高阻抗线段用于与第一微带单模谐振器耦合、第二微带单模谐振器耦合。
进一步的,所述第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器均为四分之一波长微带单模谐振器。
进一步的,所述第一高阻抗线、第二高阻抗线的开路端设置有次高阻抗线,用于调整频率,所述次高阻抗线的线宽宽于第一高阻抗线、第二高阻抗线的线宽。
进一步的,所述输入馈线及输出馈线中高阻抗线段末端设置的次高阻抗线线宽宽于高阻抗线段的线宽,用于调整频率。
进一步的,所述毫米波可调均衡单元包括50欧姆传输线以及交错布置在50欧姆传输线两侧的至少两对低Q值短路谐振器,每对为两个低Q值短路谐振器;所述低Q值短路谐振器包括依次连接的焊盘、薄膜电阻以及短路传输线,所述短路传输线的短路端通过接地孔连通介质基片背面的金属接地层,所述焊盘通过级联金丝连接至50欧姆传输线。
进一步的,所述50欧姆传输线两侧布置的低Q值谐振器为4个、6个、8个、…、或2N个。
本发明第二方面提出了一种基于前述微型化毫米波超宽带均衡滤波电路的调节方法,通过级联金丝调节连接到50欧姆传输线上的低Q值短路谐振器的数量以改变均衡量。
与现有技术相比,采用上述技术方案的有益效果为:通过采用折叠的阶梯阻抗四模谐振器实现了结构的小型化和超宽带特性,加入四分之一波长谐振器,引入了一对近端传输零点,实现了带外高抑制特性,电路中采用了可调节低Q值谐振器均衡单元,实现了电路高平坦度特性,解决通带高端插损大于通带低端的问题。谐振器的高阻抗线端设置了次高阻抗线,可作为频率调整点和输入输出驻波调整点,解决了因加工精度导致的频率偏移问题。该电路实现的带通滤波器电路体积小,适于毫米波混合集成电路、SIP集成应用。
附图说明
图1为现有技术中18~40GHz毫米波带通滤波器示意图。
图2为现有技术中阶跃阻抗线多模超宽带滤波器示意图。
图3为现有技术中毫米波微带均衡器示意图。
图4为本发明提出的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路示意图。
图5为本发明一实施例中的滤波单元示意图。
图6为本发明一实施例中的滤波单元频率响应示意图。
图7为本发明一实施例中的毫米波可调均衡单元示意图。
图8为本发明一实施例中的6阶毫米波可调均衡单元频率响应示意图。
图9为本发明一实施例中的2阶毫米波可调均衡单元频率响应示意图。
图10为本发明一实施例中的0阶毫米波可调均衡单元频率响应示意图。
图11为本发明一实施例中的超宽带毫米波带通滤波器电路高平坦度频率响应特性示意图。
图12为本发明一实施例中的某毫米波放大器增益曲线示意图。
图13为本发明一实施例中的图超宽带毫米波带通滤波器电路正斜率频率响应特性示意图。
附图标记:A、滤波单元,B、毫米波可调均衡单元,1、输入馈线,2、输出馈线,3、第一微带单模谐振器,4、第二微带单模谐振器,5、四模谐振器,6、50欧姆传输线,7、级联金丝,20、介质基片,B1~B6、低Q值短路谐振器,1-1、第一高阻抗线段,1-2、第三次高阻抗线,2-1、第二高阻抗线段,2-2、第四次高阻抗线,5-1、第一次高阻抗线,5-2、第一高阻抗线,5-3、n形低阻抗线,5-4、第二高阻抗线,5-5、第二次高阻抗线,B1-1、焊盘,B1-2、薄膜电阻,B1-3、短路传输线。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例,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模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。相反,本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
请参考图4,本发明实施例提出了一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其包括介质基片20以及介质基片20上的滤波单元A和毫米波可调均衡单元B。滤波单元A与毫米波可调均衡单元B通过50欧姆传输线6在介质基片20表面进行整体连接,并通过薄膜技术实现高精密薄膜谐振器及电路图形制备,整体图形位于介质基片20上表面,基片背面全部金属化形成金属接地层,用于实现对地粘接。
具体的,请参考图5,本实施例中滤波单元A包括依次排列的输入馈线1、第一微带单模谐振器3、四模谐振器5、第二微带单模谐振器4及输出馈线2,其中,输入馈线1与毫米波可调均衡单元B中的50欧姆传输线6耦接。
在一个优选实施例中,第一微带单模谐振器3与第二微带单模谐振器4结构相同。以第一微带单模谐振器3为例,其本质由微带线组成,一端开路,另一端通过接地孔连通介质基片20背面的金属接地层实现短接。其中,结构本身与输入输出馈线进行电磁信号耦合,即第一微带单模谐振器3与输入馈线1耦合,第二微带单模谐振器4与输出馈线2耦合。
本实施例中,四模谐振器5位于第一微带单模谐振器3与第二微带单模谐振器4之间。四模谐振器5包括第一高阻抗线5-2、第二高阻抗线5-4和n形低阻抗线5-3,第一高阻抗线5-2和第二高阻抗线5-4的一端开路,另一端分别与n形低阻抗线5-3的两端连接,形成W形的对称阶跃阻抗线结构。请参考图5,在一个实施例中,第一高阻抗线5-2呈L形,第二高阻抗线5-4呈反L形,分别连接在n形低阻抗线5-3的两端,就形成了W形的对称结构。其中,第一高阻抗线5-2与第一微带单模谐振器3耦合,第二高阻抗线5-4与第二微带单模谐振器4耦合。通过高阻抗线与微带单模谐振器进行耦合,整体实现宽带高抑制滤波功能。
进一步的,输入馈线1包括第三次高阻抗线1-2与第一高阻抗线段1-1,其中,第三次高阻抗线1-2用于连接50欧姆传输线,而第一高阻抗线段1-1则是用于与第一微带单模谐振器3耦合;输出馈线2包括第四次高阻抗线2-2和第二高阻抗线段2-1,第四次高阻抗线2-2用于输出匹配,而第二高阻抗线段2-1则是用于与第二微带单模谐振器4耦合,可实现超宽带带通滤波器功能和获得高带外抑制能力。
在一个优选实施例中,第一微带单模谐振器3与第二微带单模谐振器4均为四分之一波长微带单模谐振器。
由于微带单模谐振器与四模谐振器5间采用高阻抗线进行耦合,且滤波器工作频率高,对图形精度要求高,因此在四模谐振器5高阻抗线(第一高阻抗线5-2和第二高阻抗线5-4)开路端设置有次高阻抗线作(对应为第一次高阻抗线5-1和第二次高阻抗线5-5)为谐振频率调整点,其线宽比高阻抗线宽,便于贴金带进行频率调整。
相应的,输入馈线1与输出馈线2中高阻抗线段的末端设置的次高阻抗线,可作为输入输出驻波调整点,其线宽比高阻抗线段的线宽。
超宽带滤波器随着工作频率变高,其插入损耗会增大,通带插损呈现一种负斜率趋势。如图6所示为仅采用滤波单元A的频率响应特性,滤波器单元的绝对带宽22GHz,超宽的频率跨度且工作在毫米波频段,因此产生的插损波动超过3.5dB,不满足高平坦度的应用需求。
为了解决高平坦度的问题,请参考图7,本实施例中采用毫米波可调均衡单元B作为滤波单元A的互补功能单元,其包括50欧姆传输线6、至少2个低Q值短路谐振器以及级联金丝7。
其中,低Q值短路谐振器交错分布在50欧姆传输线6的两侧。该低Q值短路谐振器包括依次连接焊盘B1-1、薄膜电阻B1-2以及短路传输线B1-3,短路传输线B1-3的短路端通过接地孔连通介质基片20背面的金属接地层。焊盘B1-1通过级联金丝7连接至50欧姆传输线6。
需要注意的是,本实施例中,焊盘B1-1可满足3根直径25um的级联金丝7将低Q值短路谐振器连接到50欧姆传输线6上。
在一个实施例中,接地孔为圆形或方形。
如图7所示的场景中,50欧姆传输线6上连接了6个相同的低Q值短路谐振器B1~B6。而在实际应用中,可以根据需求设置2、4、6、8等偶数个低Q值短路谐振器。
应当注意,本实施例中低Q值短路谐振器并不与50欧姆传输线6进行直接耦合,而采用金丝键合的方式进行连接,实现接入谐振器数量的控制功能,如需均衡量大,则增加接入50欧姆传输线6的谐振器数量,如果所需均衡量小,则可将键合金丝拨断,减少接入谐振器数量,如果接入50欧姆传输线6谐振器数量为零,则该结构不具有均衡功能同时也不影响信号传输。图8、图9、图10分别为接入6个、2个和0个低Q值短路谐振器时的毫米波可调均衡单元B的频率响应图。
在一个优选实施例中,介质基片20采用Al2O3陶瓷基板,在该基板上实现滤波单元A和均衡单元的制备,结构紧凑,体积为3.5mm×2.2mm×0.254mm,在一些实施例中,该挡路也可在其他材质基板上实施,如蓝宝石、超导材料、半导体材料等。
相应的,在一个实施例中,还提出了一种基于前述微型化毫米波超宽带均衡滤波电路的调节方法,通过级联金丝7调节连接到50欧姆传输线6上的低Q值短路谐振器的数量以改变均衡量。
为了验证本发明提出的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路的性能。
案例1:在Al2O3陶瓷基板上实现图4所示的高平坦度滤波器,版图面积仅为3.5mm×2.2mm。通过全波仿真分析可得其频率响应曲线如图11所示,中心频率位于29GHz,绝对带宽为22GHz。均衡单元部分选择接入两个低Q谐振器,从整体频率响应可见该滤波器通带内最小插损为1.684dB, 18GHz插损为1.996dB,40GHz插损为3.292dB,通带带内平坦度为1.608dB,相比图6中未加均衡单元的带内波动3.21dB,带内平坦度提高了一倍。带外抑制方面,本案例中一对近端零分别位于13GHz和44GHz附近,在14GHz和43GHz带外抑制大于30dB,有效实现了滤波器的近端高带外抑制特性。
案例2:在微波集成电路中,放大器和滤波器往往是级联使用的。如图12所示,某款低噪声毫米波放大器增益约27dB,但是增益曲线呈负斜率,集成应用时需额外考虑2dB以上的毫米波均衡器才能保证链路输出的信号幅度具有较好的平坦度。采用本发明方案后,均衡单元部分选择接入6个低Q谐振器,如图13所示,从整体频率响应可见该滤波器通带内18GHz插损为6.246dB,40GHz插损为3.796dB,通带均衡量为正2.45dB。该放大器和本案例实现的滤波器工作频率一致,频率响应曲线能够互补,两者级联能实现信号幅度波动小于0.5dB,此方案能够省略一个毫米波均衡器,降低成本,同时减少一级金丝级联,提高了链路可靠性。
本发明实现了一种小型化、高平坦度、超宽带毫米波带通滤波器电路。通过采用折叠的阶梯阻抗四模谐振器实现了结构的小型化和超宽带特性,加入四分之一波长谐振器,引入了一对近端传输零点,实现了带外高抑制特性,电路中采用了可调节低Q值谐振器均衡单元,实现了电路高平坦度特性,解决通带高端插损大于通带低端的问题。谐振器的高阻抗线端设置了次高阻抗线,可作为频率调整点和输入输出驻波调整点,解决了因加工精度导致的频率偏移问题。该技术实现的带通滤波器电路体积小,适于毫米波混合集成电路、SIP集成应用。
需要说明的是,在本发明实施例的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接连接,也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义;实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,包括毫米波滤波单元及毫米波可调均衡单元,所述滤波单元包括依次排列的输入馈线、第一微带单模谐振器、四模谐振器、第二微带单模谐振器及输出馈线;所述毫米波可调均衡单元通过50欧姆传输线与滤波单元的输入馈线连接,用于调节均衡量;所述滤波单元及毫米波可调均衡单元通过薄膜电路技术制备在介质基片上表面,介质基片背面为金属接地层;
所述毫米波可调均衡单元包括50欧姆传输线以及交错布置在50欧姆传输线两侧的至少两对低Q值短路谐振器,每对为两个低Q值短路谐振器;所述低Q值短路谐振器包括依次连接的焊盘、薄膜电阻以及短路传输线,所述短路传输线的短路端通过接地孔连通介质基片背面的金属接地层,所述焊盘通过级联金丝连接至50欧姆传输线;通过级联金丝调节连接到50欧姆传输线上的低Q值短路谐振器的数量以改变均衡量。
2.根据权利要求1所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器结构相同,一侧开路,另一侧通过接地孔连通介质基片背面的金属接地层;所述第一微带单模谐振器与输入馈线耦合,所述第二微带单模谐振器与输出馈线耦合,第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器关于四模谐振器的中心对称线对称排列。
3.根据权利要求2所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述四模谐振器位于第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器之间;所述四模谐振器包括第一高阻抗线、第二高阻抗线和n形低阻抗线;所述第一高阻抗线和第二高阻抗线的一端开路,另一端分别与n形低阻抗线的两端连接,形成W形的对称阶跃阻抗线结构;所述第一高阻抗线与第一微带单模谐振器耦合,所述第二高阻抗线与第二微带单模谐振器耦合。
4.根据权利要求2或3所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述输入馈线与输出馈线均包括次高阻抗线与高阻抗线段,所述次高阻抗线用于输入/输出匹配,高阻抗线段用于与第一微带单模谐振器耦合、第二微带单模谐振器耦合。
5.根据权利要求2所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述第一微带单模谐振器与第二微带单模谐振器均为四分之一波长微带单模谐振器。
6.根据权利要求3所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述第一高阻抗线、第二高阻抗线的开路端设置有次高阻抗线,用于调整频率,所述次高阻抗线的线宽宽于第一高阻抗线、第二高阻抗线的线宽。
7.根据权利要求4所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述输入馈线及输出馈线中高阻抗线段末端设置的次高阻抗线线宽宽于高阻抗线段的线宽,用于调整频率。
8.根据权利要求1所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路,其特征在于,所述50欧姆传输线两侧布置的低Q值谐振器为4个、6个、8个、…、或2N个。
9.一种基于权利要求1~8任一项所述的微型化毫米波超宽带均衡滤波电路的调节方法,其特征在于,通过级联金丝调节连接到50欧姆传输线上的低Q值短路谐振器的数量以改变均衡量。
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