CN117941171A - 由涂覆有介电材料的金属板形成的集成低通带通滤波器单元 - Google Patents

Abstract

一种集成低通带通滤波器单元(400)，包括：由导电材料的外壳(402)形成的内腔(401)；一个或多个低通谐振器(411，412，413)和两个或更多个带通谐振器(421，422，…426)，其被包括在内腔(401)中。低通谐振器和带通谐振器(411，412，413，421，422，…426)由电镀金属板材料整体形成，并且低通谐振器和带通谐振器(411，412，413，421，422，…426)中的每个谐振器的一部分被涂覆有介电材料。两个或更多个带通谐振器(421，422，……426)被布置在内腔(401)的两侧，以使得至少两个谐振器被对准以彼此面对。集成低通带通滤波器单元(400)还包括：电镀金属板的第一隔离物(430)，其被布置在低通谐振器(411，412，413)与带通谐振器(421，422，……426)之间的内腔(401)中；以及电镀金属板的第二隔离物(440)，其被布置在位于内腔(401)两侧的带通谐振器之间的内腔(401)中。集成低通带通滤波器单元(400)还包括：输入端口(450)，其用于接收待滤波的信号；以及输出端口(460)，其用于输出滤波后的信号。

Description

由涂覆有介电材料的金属板形成的集成低通带通滤波器单元

技术领域

本文的实施例涉及滤波器。具体地，本文的实施例涉及由涂覆有介电材料的金属板形成的集成低通带通滤波器单元。

背景技术

在第五代(5G)通信中，定义了两种类型的频率范围：频率范围1，即，低于6GHz的亚6GHz；以及频率范围2，即，毫米波，其高于24GHz。随着5G通信的发展，多输入多输出(MIMO)技术被广泛用于亚6GHz基站产品中，其中大量滤波器单元(FU)需要被与天线单元(AU)或无线电单元(RU)相集成。考虑到成本和空间节省，FU通常被焊接在无线电单元主板、低通滤波器(LPF)板或天线功率分配器(splitter)板上，这意味着十分需要更小、更轻的FU。

在传统基站解决方案中，金属腔FU备受推崇，因为它们具有高品质(Q)值和功率处理性能。对于5G先进无线电系统，FU的尺寸和重量成为关键问题。陶瓷波导(CWG)滤波器(尤其是CWG)由于其性能高、重量轻、尺寸小且易于集成，成为用于5G的优选FU解决方案之一。然而，CWG FU有很多限制，例如CWG滤波器的Q值低于金属腔滤波器，需要限制CWG滤波器的尺寸以降低它在被焊接到板上时破裂的风险(因为如果尺寸太大，陶瓷材料容易破碎)，高频抑制(即，带外频率衰减性能)相对差，等等。由于这些限制，可以使用CWG滤波器的无线电产品是有限的。

发明内容

作为开发本文实施例的一部分，将进一步讨论传统CWG滤波器和金属FU的问题和限制。

传统的金属FU具有良好的性能和可靠性。然而，它们的尺寸或体积大且成本高，对于MIMO系统不是好的解决方案。

当前CWG滤波器的问题之一是带宽限制。而宽带无线电产品需要宽带滤波器。

CWG滤波器的Q值低。为了提高Q值，必须增大腔的尺寸，这与小尺寸的基本设计愿望相矛盾。

CWG FU在生产上也存在限制因素，无法用于复杂的无线电系统。在长期的无线电工作进展中它们也是不可靠的。CWG FU总是与印刷电路板(PCB)LPF焊接在一起，以获得更好的带外衰减，LPF会从PCB上的两个邻近路径带来大量损耗和额外耦合。

金属板FU在生产中具有良好的可靠性，但与CWG FU相比，它们的功率处理能力差且尺寸大。金属板带通滤波器(BPF)通常与金属板LPF组合以获得更好的带外衰减，金属板LPF与PCB LPF相比具有更小的插入损耗。

因此，本文的实施例的目的是提供一种具有改进的无线电性能、功率处理能力和可靠性并且同时具有减小的尺寸和重量的滤波器单元。

根据一个方面，所述目的通过一种集成低通带通滤波器单元来实现。所述集成低通带通滤波器单元包括：由导电材料的外壳形成的内腔。所述集成低通带通滤波器单元还包括：一个或多个低通谐振器和两个或更多个带通谐振器，其被包括在所述内腔中。所述低通谐振器和所述带通谐振器由电镀金属板材料整体形成。所述低通谐振器和所述带通谐振器中的每个谐振器的一部分被涂覆有介电材料。所述两个或更多个带通谐振器被布置在所述内腔的两侧，以使得至少两个谐振器被对准以彼此面对。

所述集成低通带通滤波器单元还包括：电镀金属板的第一隔离物(separator)，其被布置在所述低通谐振器与带通谐振器之间的所述内腔中；以及电镀金属板的第二隔离物，其被布置在位于所述内腔两侧的所述带通谐振器之间的所述内腔中。

所述集成低通带通滤波器单元还包括：输入端口，其用于接收待滤波的信号；以及输出端口，其用于输出滤波后的信号。

根据本文的一些实施例，所述集成低通带通滤波器单元还可以包括所述介电材料的第一耦合结构。所述第一耦合结构被布置在彼此面对的所述两个谐振器之间，并且所述第一耦合结构可以被连接到一个谐振器的介电材料涂覆的部分或被连接到两个谐振器的介电材料涂覆的部分。

换句话说，根据本文的实施例，为了解决滤波器的高Q因数和小尺寸之间的矛盾，提供了一种由涂覆有介电材料的金属板形成的集成低通带通滤波器单元。

根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元具有一些优点，例如：

·与传统金属滤波器相比，体积更小、重量更轻。使用介电材料(例如，塑料)涂覆的金属板谐振器能够有效降低谐振器的谐振频率，从而减小谐振器的尺寸。进而，包括谐振器的腔的尺寸减小，结果，整个滤波器的尺寸减小。

·介电材料的介电常数高于空气，谐振器的部分电场被约束在介电涂覆的边界内，因此单个腔的最大场强相对低，这能够显著提高集成低通带通滤波器单元的功率处理能力。

·集成低通带通滤波器单元可以在生产工艺中通过压制和弯曲来成型(mould)，然后用注塑成型来覆盖谐振器。与借助焊接或螺栓紧固(screwing tightly)形成金属滤波器单元的传统工艺相比，该生产工艺改进了谐振器的公差级别和RF性能的一致性。

·集成低通带通滤波器单元中可以引入负耦合结构和正耦合结构两者。彼此面对的两个塑料涂覆的谐振器的上半部可以填充有塑料以形成强负耦合。通过调整连接塑料的尺寸或通过加载螺栓(screw)可以自由调整负耦合。因此，所提出的耦合结构使得更容易控制交叉耦合。负耦合和正耦合能够更灵活地被建立、路由和布置。

·集成低通带通滤波器单元能够根据不同的无线电性能规范来灵活设计。低通带通谐振器的数量可以根据无线电性能要求进行调整。

·集成低通带通滤波器单元对于宏基站在设计上更加灵活，并且能够用于室内小型基站和传统宏基站，在生产和成本上具有优势。

·低通滤波器与带通滤波器一起集成在金属板上，并且能够对8GHz-18 GHz的射频信号提供强抑制。

因此，本文的实施例提供了一种具有改进的无线电性能、功率处理能力和可靠性并且同时具有减小的尺寸和重量的滤波器单元。

附图说明

参考附图更详细地描述本文的实施例的示例，其中：

图1a示出了根据本文的实施例的低通滤波器和带通滤波器的金属板的平坦展开的示例；

图1b示出了根据本文的实施例的谐振器的一些示例形状；

图2示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的示例主体的视图；

图3示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的示例主体的视图，其中谐振器的部分被涂覆有介电材料；

图4a示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的示例结构的视图；

图4b是图4所示的集成低通带通滤波器单元的俯视图；

图4c示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的示例结构的另一视图；

图4d示出了根据本文的实施例的被放置在图4c所示的集成低通带通滤波器单元中的示例加载螺栓的视图；

图4e示出了根据本文的实施例的被放置在图4a所示的集成低通带通滤波器单元中的另一示例加载螺栓的视图；

图5a是金属谐振器的单个腔内的电场分布的简化俯视图；

图5b是两个金属板谐振器之间的负耦合电场的分布的简化俯视图；

图6示出了根据本文的实施例的具有正耦合和负耦合的彼此面对的两个谐振器的一种示例结构；

图7示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的S参数仿真结果；

图8示出了根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的带外高频抑制性能的仿真结果；以及

图9是示出其中可以实现根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元的设备的框图。

具体实施方式

根据本文的实施例，为了解决滤波器的Q因数与尺寸之间的矛盾，提供一种具有由金属板材料形成的低通带通功能并且金属板材料的多个部分涂覆有介电材料的集成低通带通滤波器单元。

根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元包括主体，该主体包括：包括一个或多个低通谐振器的低通滤波器；以及包括两个或更多个带通谐振器的带通滤波器。低通谐振器和带通谐振器由电镀金属板材料整体形成。为了减小主体的尺寸，金属板谐振器的多个部分可以被涂覆有介电材料。

图1a示出了由金属材料板100整体形成的低通(LP)滤波器LP 110和带通(BP)滤波器BP 120的平坦展开。金属板材料可以是电镀金属板。低通滤波器LP 110和带通滤波器BP120可以通过金属板线切割、模制或冲压处理形成。

图1仅用于说明目的，并且示出了由金属板整体形成的低通滤波器LP 110和带通滤波器BP 120的示例结构。如图1所示，低通滤波器LP 110包括3个LP谐振器111、112、113，带通滤波器BP 120包括6个BP谐振器121、122、123、124、125、126。然而，低通谐振器和带通谐振器的数量和形状可以根据不同的应用场景而变化。谐振器的数量与滤波器的性能有关。滤波器谐振器的数量越多，带外抑制越好，但插入损耗越差。图1b示出了谐振器的一些示例形状。

低通滤波器LP 110和带通滤波器BP 120的平坦金属板被弯曲以形成集成低通带通滤波器单元的主体。例如，低通谐振器和带通谐振器111、112、113、121、122、123、124、125、126的平坦金属板可以通过生产中的弯曲工艺在图1所示的位置131、132、133处被弯曲。

图2示出了在图1所示的低通谐振器和带通谐振器111、112、113、121、122、123、124、125、126的平坦金属板上执行弯曲工艺后的集成低通带通滤波器单元的主体200。在该示例中，在图1所示的弯曲位置132、133处执行弯曲工艺之后形成对称结构的带通谐振器121、122、123、124、125、126。六个带通谐振器121、122、123、124、125、126已布置在两侧并且对准，每侧包括3个谐振器。从图2中可以看出，存在3对彼此面对的对准的谐振器。例如，BP谐振器121和126是一对彼此面对的对准的谐振器，BP谐振器122和125是一对彼此面对的对准的谐振器，以及BP谐振器123和124是一对彼此面对的对准的谐振器。

根据不同的应用场景，弯曲位置可以被选择在图1所示的位置以外的其他位置。然后，带通谐振器121、122、123、124、125、126可以被形成为非对称结构，例如一侧包括2个谐振器，另一侧包括4个谐振器，并且存在两对彼此面对的对准的谐振器。弯曲位置可以被自由选择。

图3示出了集成低通带通滤波器单元的主体300，其中，低通谐振器和带通谐振器中的每个谐振器的一部分被涂覆有介电材料，由301指示。介电材料可以是塑料、其他聚合物材料、或陶瓷。

对于相同的Q值，频率越低，谐振器的单个腔的体积越大。谐振器的谐振频率是所存储的电场的能量等于所存储的磁场的能量时的频率。塑料涂覆的高介电材料使得电场能量和磁场能量大部分集中在谐振器附近，并且与低频率下的电磁场能量相等。因此，使用介电材料涂覆的金属板谐振器能够有效降低谐振器的谐振频率，从而减小谐振器的尺寸。结果，能够减小谐振器的单个腔的尺寸，进而能够减小包括多个单个腔的整个滤波器单元的尺寸。

由于介电材料(例如塑料)的介电常数高于空气，因此由谐振器生成的电场的一部分被约束在塑料边界内。因此，包含谐振器的单个腔的最大电场强度相对低，这能够显著提高滤波器单元的功率处理能力。

介电常数为1.8～10的材料是优选的。在实际使用中，基于滤波器的插入损耗特性，介电损耗角低于千分之一的材料是优选的。介电损耗角是介电材料中的电场矢量和电位移(displacement)之间的相位差。该相位差是由电介质中的能量损耗引起的。

主体300被放置在外壳中以形成完整的滤波器。图4a示出了根据本文的实施例的完整的集成低通带通滤波器单元400的示例结构。主体300(即，介电材料涂覆的低通谐振器和带通谐振器)被包含在由导电材料的外壳402形成的内腔401中。外壳402可以由型材(profile)、弯曲金属板以及平坦金属板的任意组合构成。

根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元400包括内腔401、被包括在内腔401中的一个或多个低通谐振器411、412、413以及两个或更多个带通谐振器421、422、…426。低通谐振器和带通谐振器411、412、413、421、…426由电镀金属板材料整体形成。低通谐振器和带通谐振器411、412、413、421、…426中的每个谐振器的一部分被涂覆有介电材料。

两个或更多个带通谐振器421、…426被布置在内腔401的两侧，以使得至少两个谐振器(例如，带通谐振器422、425)被对准以彼此面对。

集成低通带通滤波器单元400还包括电镀金属板的第一隔离物430，其被布置在低通谐振器411、412、413与带通谐振器421、...426之间的内腔401中，以将低通谐振器411、412、413和带通谐振器421、…426之间的空间分隔开。

集成低通带通滤波器单元400还包括电镀金属板的第二隔离物440，其被布置在位于内腔401两侧的带通谐振器之间的腔体401中，以将带通谐振器的两侧之间的空间分隔开。

集成低通带通滤波器单元400还包括：输入端口450，其用于接收待滤波的信号；以及输出端口460，其用于输出滤波后的信号。

根据本文的实施例，可以在集成低通带通滤波器单元400中引入负耦合结构。例如，彼此面对的两个塑料涂覆的谐振器的上半部分可以被填充有塑料以形成强负耦合。

因此，根据本文的一些实施例，集成低通带通滤波器单元400还可以包括介电材料的第一耦合结构470。第一耦合结构470可以被布置在彼此面对的两个BP谐振器之间，例如，在BP谐振器422和425之间。第一耦合结构470可以被连接到两个谐振器的介电材料涂覆的部分，如图4a所示。

图4b是集成低通带通滤波器单元400的示意性俯视图，以给出第一和第二隔离物430、440以及负耦合结构470的更清楚的视图。

第一耦合结构470还可以仅被连接到两个面对的BP谐振器中的一个BP谐振器的介电材料涂覆的部分，例如，第一耦合结构470仅被连接到BP谐振器425，如图4c所示。

负耦合发生在谐振器的顶部。因此，第一耦合结构470是负耦合结构。负耦合随着耦合结构470的尺寸和形状而变化。因此，可以通过调整耦合结构470的尺寸和/或形状来自由地调整负耦合。还可以通过如图4d所示的被放置在耦合结构470的中部的加载螺栓480或者如图4e所示的被放置在耦合结构470的侧面的加载螺栓490来调整负耦合。

介电材料的第一耦合结构470被放置在彼此面对的两个谐振器的顶部，以使得作为由两个谐振器生成的电场的方向相反的结果，实现两个谐振器之间的负耦合。

图5a是单个金属板谐振器的单个腔中的电场分布的简化俯视图。箭头表示由谐振器生成的电场的方向。通常，当两个金属板谐振器之间存在负耦合时，一个金属板谐振器的单个腔内的电场的方向必须与另一金属板谐振器的另一单个腔内的电场的方向相反。图5b是两个金属板谐振器之间的负耦合电场的典型分布的简化俯视图。可以看出，由两个谐振器生成的电场的方向是相反的。

图5c是两个金属板谐振器之间的电场分布的简化侧视图。耦合窗口位于谐振器的顶部。在两个谐振器耦合后，两个谐振器的电场的方向完全相反。这种耦合被称为负耦合。

图5d是两个金属板谐振器之间的电场分布的简化侧视图。耦合窗口位于谐振器的底部。在两个谐振器耦合后，两个谐振器的电场的方向相同。这种耦合被称为正耦合。

当两个谐振器之间发生正耦合时，一个谐振器的一个单个腔中的电场的方向通常与另一谐振器的另一单个腔中的电场的方向相同。当塑料涂覆的位置位于两个谐振器的底部时，谐振器的耦合将产生正耦合，并且耦合强度随着耦合窗口的改变而变化。图6示出了被放置在谐振器的底部的正耦合窗口611和被放置在谐振器的顶部的负耦合窗口612的示例结构。

因此，根据本文的一些实施例，集成低通带通滤波器单元400还可以包括第二耦合结构611。第二耦合结构611可以位于两个谐振器的底部，以使得作为由两个谐振器生成的电场的方向相同的结果，实现两个谐振器之间的正耦合。

正耦合可以通过在彼此面对的两个谐振器之间或在内腔401同一侧的任意两个相邻谐振器之间的耦合结构来实现。通常，在谐振器的底部和上部之间。例如，开放窗口结构611、介质材料的耦合结构、直接金属条连接等都是正耦合。

图7是示出了用于集成低通带通滤波器单元400的典型用例的S参数、输入到输入S11、输出到输入S21、以及输出到输出S22曲线的仿真结果的图。从集成低通带通滤波器单元400的结构可以看出，该滤波器在第二谐振器和第五谐振器之间产生负耦合，从而产生两个一阶零，以及在第一谐振器和第六谐振器中产生正耦合，从而产生用于带通滤波器的两个二阶零。

图8是示出集成低通带通滤波器单元400在高频处的带外抑制性能的图，该带外抑制性能在8GHz-16 GHz的高频区域中超过-30dB。

根据本文的实施例的集成低通带通滤波器单元400可以应用于各种电子设备或者需要对射频信号进行滤波的任何设备或装置中。图9示出了设备900的框图。设备900可以包括无线电单元910，无线电单元910可以包括天线单元912、发射机、接收机或两者(即，收发机Rx/Tx 914)，等等。设备900包括集成低通带通滤波器单元400。集成低通带通滤波器单元400可以被包括在无线电单元910中、在天线单元912中或在收发机Rx/Tx 914中。设备900可以包括其他单元，其中示出了存储器920、处理单元930。设备900可以是用于蜂窝通信系统的无线电基站或微基站或者是需要用于对射频信号进行滤波的滤波器的任何设备。

一个或多个集成低通带通滤波器单元400还可以形成多频带滤波器单元并被用于各种电子设备或需要对射频信号进行滤波的任何设备或装置中。

综上所述，根据本文的实施例，提供了一种由涂覆有介电材料的金属板形成的集成低通带通滤波器单元400，并且具有一些优点，例如：

·使用集成低通带通滤波器单元400的无线电单元减小了尺寸和重量。与传统金属滤波器相比，体积更小、更轻。使用介电材料(例如塑料)涂覆的金属板谐振器能够有效降低谐振器的谐振频率，以便减小谐振器的尺寸。进而，包含谐振器的腔的尺寸减小，结果，整个滤波器的尺寸减小。

·解决滤波器的Q值与尺寸之间的设计矛盾。

·在减小滤波器尺寸的同时获得更高的可靠性。

·实现复杂的多频段FU。

·通过小尺寸或体积获得更好的功率处理能力。介电材料的介电常数比空气高，谐振器的电场的一部分被约束在介电涂覆的边界内，因此单个腔的最大场强相对低，这能够显著提高集成低通带通滤波器单元的功率处理能力。

·与PCB LPF相比，实现更好的带外衰减并获得更好的插入损耗。低通滤波器与带通滤波器一起被集成在金属板上，能够针对8GHz-18 GHz的射频信号提供强抑制。容易获得宽的带宽和更好的谐波衰减。

·提供灵活的滤波器组装解决方案，以及高水平的构建实践解决方案，例如，集成低通带通滤波器单元400可以被焊接在PCB上，或者在与其他功能单元连接时通过金属部件采用螺栓紧固解决方案。

·集成低通带通滤波器单元可以在生产工艺中通过压制和弯曲来成型，然后可以使用注塑成型来覆盖谐振器。与借助焊接或螺栓紧固形成金属滤波器单元的传统工艺相比，该生产工艺改进了谐振器的公差级别和RF性能的一致性。

·集成低通带通滤波器单元中可以引入负耦合结构和正耦合结构两者。彼此面对的两个塑料涂覆的谐振器的上半部可以填充有塑料以形成强负耦合。通过调整连接塑料的尺寸或通过加载螺栓可以自由调整负耦合。因此，所提出的耦合结构使得更容易控制交叉耦合。负耦合和正耦合能够更灵活地被建立、路由和布置。

·集成低通带通滤波器单元能够根据不同的无线电性能规范来灵活设计。低通带通谐振器的数量可以根据无线电性能要求进行调整。

·良好的性能和适当的成本。集成低通带通滤波器单元对于宏基站在设计上更加灵活，并且能够用于室内小型基站和传统宏基站，在生产和成本上具有优势。

当在本文中使用时，词语“包括”或“包含”应被解释为非限制性的，即意思是“至少由......组成”。

本文的实施例不限于上述优选实施例。可以使用各种替代物、修改物和等同物。因此，上述实施例不应被视为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种集成低通带通滤波器单元(400)，包括：

由导电材料的外壳(402)形成的内腔(401)；

一个或多个低通谐振器(411，412，413)和两个或更多个带通谐振器(421，422，…426)，其被包括在所述内腔(401)中，其中，所述低通谐振器和所述带通谐振器(411，412，413，421，422，…426)由电镀金属板材料整体形成，并且所述低通谐振器和所述带通谐振器(411，412，413，421，422，…426)中的每个谐振器的一部分被涂覆有介电材料，并且其中，所述两个或更多个带通谐振器(421，422，……426)被布置在所述内腔(401)的两侧，以使得至少两个谐振器被对准以彼此面对；

电镀金属板的第一隔离物(430)，其被布置在所述低通谐振器(411，412，413)与带通谐振器(421，422，……426)之间的所述内腔(401)中；

电镀金属板的第二隔离物(440)，其被布置在位于所述内腔(401)两侧的所述带通谐振器之间的所述内腔(401)中；

输入端口(450)，其用于接收待滤波的信号；以及

输出端口(460)，其用于输出滤波后的信号。

2.根据权利要求1所述的集成低通带通滤波器单元(400)，其中，所述介电材料是塑料、其他聚合物材料、或陶瓷。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的集成低通带通滤波器单元(400)，其中，所述集成低通带通滤波器单元(400)还包括所述介电材料的第一耦合结构(470)，并且其中，所述第一耦合结构(470)被布置在彼此面对的所述两个谐振器之间，所述第一耦合结构(470)被连接到一个谐振器(425)的介电材料涂覆的部分或被连接到两个谐振器(422，425)的介电材料涂覆的部分。

4.根据权利要求3所述的集成低通带通滤波器单元(400)，其中，所述介电材料的所述第一耦合结构(470)位于彼此面对的所述两个谐振器(422，425)的顶部，以使得作为由所述两个谐振器(422，425)生成的电场的方向相反的结果，实现所述两个谐振器之间的负耦合。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的集成低通带通滤波器单元(400)，其中，所述集成低通带通滤波器单元(400)还包括第二耦合结构(611)，其中，所述第二耦合结构(611)位于两个谐振器的底部，以使得作为由所述两个谐振器生成的电场的方向相同的结果，实现所述两个谐振器之间的正耦合。

6.一种多频带滤波器单元，包括一个或多个根据权利要求1-5中任一项的集成低通带通滤波器单元(400)。

7.一种天线单元(912)，包括一个或多个根据权利要求1-5中任一项的集成低通带通滤波器单元(400)。

8.一种无线电单元(910)，包括一个或多个根据权利要求1-5中任一项的集成低通带通滤波器单元(400)。

9.一种设备(900)，包括一个或多个根据权利要求1-5中任一项的集成低通带通滤波器单元(400)。

10.根据权利要求9所述的设备(900)，其中，所述设备是用于蜂窝通信系统的基站或微基站。