CN117978115A - 超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片 - Google Patents
超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，涉及微波传输及集成电路领域。包括以LTCC技术实现的差分滤波器芯片和巴伦滤波器芯片；差分滤波器芯片的等效电路包括第一耦合线、电感L1、电容C1；差分滤波器芯片的等效电路具有对称性，差分滤波器由电容C1和电感L1构成的串联LC谐振器端接于第一耦合线的四个端口；巴伦滤波器芯片的等效电路包括第二耦合线、电感Ls、电感Li、电感Lo、电容Cs、电容Ci、电容Co；其中，由电容Cs和电感Ls构成的并联LC谐振器，由电容Ci和电感Li构成的串联LC谐振器，由电容Co和电感Lo构成的串联LC谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及微波传输及集成电路技术领域，尤其涉及超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片。
背景技术
随着移动通信系统和通信标准不断更新与发展，频谱资源亦愈发紧张，不同的频段之间的通信信号相互干扰现象愈发严峻。因此，通带外的抑制能力成为射频通信系统的重要性能指标之一。滤波器作为频率选择性器件，往往在系统中起到选择通带内的有用信号，滤除不需要的频率成分。然而，传统的单端滤波器不具备抑制环境噪声等能力，在高信噪比的系统中难以应用。因此，差分型滤波器或者巴伦型滤波器越来越受到研发人员的关注。
差分型滤波器作为一种差分端-差分端射频无源器件，能够选择性通过目标频段差模信号，滤除环境噪声和电磁干扰等常见的共模信号，从而起到提高通信系统的信噪比和抗干扰能力。目前，绝大数差分滤波器的共模抑制能力仅局限于通带内或通带附近，对远离通带的频率成分几乎没有抑制作用。
巴伦型滤波器作为一种单端-差分端射频无源器件，能够将共模信号转化为差模信号，并集成信号频率选择性功能，被广泛应用于差分滤波天线的馈电电路中。根据所公开的巴伦滤波器，在实现将共模输入信号转化为两路差分输出信号的前提下，信号的高选择性和带外抑制能力不能兼顾，对相邻通带和高次谐波较差的抑制水平极大程度上限制了其应用。
此外，大多数差分滤波器和巴伦滤波器由四分之一波长耦合线，开路或短路耦合线等平面结构构成，其较大的电路尺寸难以应用于高集成度超小型的通信系统中。因为，实现一种芯片级差分和巴伦滤波器仍是学术界和工业界的重大挑战。
发明内容
本发明提出了基于直线型短截边缘耦合微带线和LC谐振器，超宽带差模和共模抑制的差分滤波器芯片和高选择性超宽带外抑制巴伦滤波器芯片，使用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，采用直线型短截边缘耦合微带线以及基于多层堆叠电容和电感的串联或并联LC谐振器。直线型短截耦合线不仅能够降低版图优化的复杂度，还极大地缩小了电路尺寸，通过将各元件合理放置于多层基板中，从而实现超小型化。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，包括以LTCC技术实现的差分滤波器芯片和巴伦滤波器芯片；
所述差分滤波器芯片的等效电路包括第一耦合线、电感L1、电容C1；所述差分滤波器芯片的等效电路具有对称性，所述差分滤波器由所述电容C1和所述电感L1构成的串联LC谐振器端接于所述第一耦合线的四个端口；
所述巴伦滤波器芯片的等效电路包括第二耦合线、电感Ls、电感Li、电感Lo、电容Cs、电容Ci、电容Co；其中，由所述电容Cs和所述电感Ls构成的并联LC谐振器，由所述电容Ci和所述电感Li构成的串联LC谐振器，由所述电容Co和所述电感Lo构成的串联LC谐振器；其中，由所述电容Ci和所述电感Li构成的串联LC谐振器端接于所述第二耦合线靠近输入端一侧，由所述电容Co和所述电感Lo构成的串联LC谐振器端接于所述第二耦合线两个输出端；由所述电容Cs和所述电感Ls构成的串联LC谐振器连接于非平衡端和由所述电容Ci和所述电感Li构成的串联LC谐振器之间。
进一步的，所述巴伦滤波器芯片的等效电路中还包括寄生电感Lp1、寄生电感Lg1、寄生电容Cg1、寄生电容Cg2。
进一步的，所述第一耦合线以直线型边缘耦合微带线实现。
进一步的，所述电感L1以通孔和弯折线实现。
进一步的，所述电容C1以四层垂直交趾电容实现。
进一步的，所述第二耦合线以直线型埋置非同层耦合微带线实现。
进一步的，所述电感Ls以平面多次弯折线实现；所述电感Li以垂直通孔实现；所述电感Lo以平面多次弯折线实现。
进一步的，所述电容Cs以四层垂直交趾电容实现；所述电容Ci以四层垂直交趾电容实现，所述电容Co以六层垂直交趾电容实现。
进一步的，所述寄生电感Lp1是连接所述电容Cs和所述第二耦合线的通孔和导体；所述寄生电感Lg1是所述第二耦合线的接地通孔。
进一步的，所述寄生电容Cg1和所述寄生电容Cg2是所述电容Cs的对地电容。
在上述技术方案中，本发明提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，具有以下有益效果：
(1)本发明创新性地提出了直线型短截边缘耦合微带线端接LC谐振器的拓扑结构，不仅拓扑简单易实现，还利用短截耦合线本身的抑制能力来提升差模和共模抑制水平和带宽，无需额外的诸如缺陷地，谐振器，多枝节等复杂的抑制结构。
(2)本发明提出一种设计差分滤波器和巴伦滤波器的共通方法，第一次将两种不同功能的器件设计整合为同一设计思路。
(3)本发明所涉及的差分及巴伦滤波器芯片采用低温共烧陶瓷技术(LTCC)，将耦合微带线和LC谐振器垂直埋置于多层基板，实现电路的超小型化。
(4)本发明所涉及的差分及巴伦滤波器芯片在电路性能方面具有低插入损耗，高选择性，全频段共模信号抑制，超宽带差模信号抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的差分滤波器芯片的等效电路图；
图2为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的差分滤波器芯片的等效电路图仿真结果示例；
图3为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器芯片的等效电路图；
图4为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器芯片的等效电路图仿真结果示例；
图5为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的差分滤波器芯片的三维版图模型；
图6为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的差分滤波器芯片的三维版图模型侧视图；
图7为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器芯片的三维版图模型；
图8为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器芯片的三维版图模型侧视图；
图9为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的差分滤波器版图S参数仿真结果；
图10为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器版图S参数仿真结果；
图11为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器版图输出端口相位差仿真结果；
图12为本发明实施例提供的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片的巴伦滤波器版图输出端口幅度差仿真结果。
附图标记说明：
101、第一耦合线；102、电感L1；103、电容C1；201、第二耦合线；202、电感Ls；203、电感Li；204、电感Lo；205、电容Cs；206、电容Ci；207、电容Co；208、寄生电感Lp1；209、寄生电感Lg1；210、寄生电容Cg1；211、寄生电容Cg2。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
请参阅图1-12，超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，包括以LTCC技术实现的差分滤波器芯片和巴伦滤波器芯片；更具体的，该芯片采用介电常数为5.9，损耗角正切值为0.002的FerroA6M作为生瓷带材料，金属银为导体材料。单层生瓷带的厚度为0.094mm，金属导体厚度为0.01mm。
图1所示，差分滤波器芯片的等效电路包括第一耦合线101、电感L1102、电容C1103；差分滤波器芯片的等效电路具有对称性，差分滤波器由电容C1103和电感L1102构成的串联LC谐振器端接于第一耦合线101的四个端口；具体的，该第一耦合线101设定为特征阻抗Ze，Zo和电长度为θ，其中，第一耦合线101的电长度为θ在远小于180°的情况下，具有全频段抑制共模信号的本征优势。此外，由电容C1103和电感L1102构成的串联LC谐振器端接于第一耦合线101的四个端口，不仅能在一定频率范围内构建通带，还能够在高阻带上产生一个零点，从而提升高频阻带的选择性。最终，该差分滤波器能够实现带通滤波，全频段共模抑制，以及超宽差模阻带抑制等功能。
图2是差分滤波器在中心频率为3.5GHz等效电路仿真结果示例。本发明以覆盖3.3-3.8GHz的第五代通信技术常规频段n78为例，充分展现了该发明的应用前景。如下的表1为差分滤波器中各元件的参数值。
表1为图1电路中的参数值(频率，电长度，电容，电感和阻抗单位：GHz,°,pF,nH,Ohm)
| 中心频率 | C1 | L1 | Ze | Zo | θ |
| 3.5 | 1.5 | 0.65 | 144 | 69 | 18 |
图3所示，巴伦滤波器芯片的等效电路包括第二耦合线201、电感Ls202、电感Li203、电感Lo204、电容Cs205、电容Ci206、电容Co207；其中，由电容Cs205和电感Ls202构成的并联LC谐振器，由电容Ci206和电感Li203构成的串联LC谐振器，由电容Co207和电感Lo204构成的串联LC谐振器；其中，由电容Ci206和电感Li203构成的串联LC谐振器端接于第二耦合线201靠近输入端一侧，由电容Co207和电感Lo204构成的串联LC谐振器端接于第二耦合线201两个输出端；由电容Cs205和电感Ls202构成的串联LC谐振器连接于非平衡端和由电容Ci206和电感Li203构成的串联LC谐振器之间。具体的，该第一耦合线101设定为特征阻抗Ze，Zo和电长度为θ，其中，在差分滤波器的设计中，基于短截耦合线端接负载LC谐振器的设计原因可以保证端口间的反相特性。因此，在差分滤波器基础上，将一个差分端口改进为单端，即可实现巴伦功能。其中，由电容Ci206和电感Li203构成的串联LC谐振器端接于耦合线靠近输入端一侧，而由电容Co207和电感Lo204构成的串联LC谐振器端接于耦合线两个输出端，其作用是构建通带并在高阻带产生两个传输零点。此外，由电容Cs205和电感Ls202构成的串联LC谐振器连接于非平衡端和由电容Ci206和电感Li203构成的串联LC谐振器之间，不仅能起到输入端阻抗匹配的作用，还能在低阻带处产生一个传输零点，提升低频侧选择性。最后，调节关键寄生电容电感，以实现最优性能。该巴伦滤波器能够实现带通滤波，全频段共模抑制，高选择性，多传输零点以及超宽带差模阻带抑制等功能。
进一步的，巴伦滤波器芯片的等效电路中还包括寄生电感Lp1208、寄生电感Lg1209、寄生电容Cg1210、寄生电容Cg2211，也即需要进行调节的关键寄生电容电感。
图4是巴伦滤波器在中心频率为2.6GHz等效电路仿真结果示例。本发明以覆盖2.49-2.69GHz的LTE技术常规频段b41为例，充分展现了该发明的应用前景。如下的表2为巴伦滤波器中各元件的参数值。
表2为图3电路中的参数值(频率，电长度，电容，电感和阻抗单位：GHz,°,pF,nH,Ohm)
| 中心频率 | Cs | Ls | Ze | Zo | θ | Ci |
| 2.6 | 2.25 | 2.74 | 101.4 | 66.1 | 12.0 | 1.5 |
| Co | Lo | Lg1 | Lp1 | Cg1 | Cg2 | Li |
| 3.0 | 0.7 | 0.15 | 0.48 | 0.1 | 0.6 | 0.27 |
进一步的，图5所示是差分滤波器芯片的三维立体版图模型。版图的构建具有对称性。电路原理图中的第一耦合线101以直线型边缘耦合微带线实现，其线长为2.1mm，线宽为0.1mm，以及线间距为0.2mm。
进一步的，电感L1102以通孔和弯折线实现，线宽为0.1mm，总长度为2.1mm。
进一步的，电容C1103以四层垂直交趾电容实现，其长度为0.9mm，宽度为0.5mm；通孔的孔径为0.1mm。
图6是差分滤波器芯片的三维立体版图模型侧视图，单层基板的厚度为0.094mm，各介质层和通孔布置情况如图所示。
进一步的，图7所示是巴伦滤波器芯片的三维立体版图模型。其中，电路原理图中的第二耦合线201以直线型埋置非同层耦合微带线实现，其线长为2.1mm，线宽为0.1mm，以及线间距为0.15mm。
进一步的，电感Ls202以平面多次弯折线实现，线宽为0.1mm，总长度为9.5mm；电感Li203以垂直通孔实现，其长度为0.5mm；电感Lo204以平面多次弯折线实现，线宽为0.1mm，总长度为2.2mm。
进一步的，电容Cs205以四层垂直交趾电容实现，长度为1.425mm，宽度为0.7mm；电容Ci206以四层垂直交趾电容实现，长度为1.1mm，宽度为0.5mm，电容Co207以六层垂直交趾电容实现，长度为0.8mm，宽度为0.75mm。
进一步的，寄生电感Lp1208是连接电容Cs205和第二耦合线201的通孔和导体，线宽为0.1mm，总长度为0.9mm；寄生电感Lg1209是第二耦合线201的接地通孔，其长度为0.19mm；通孔的孔径为0.1mm。
进一步的，寄生电容Cg1210和寄生电容Cg2211是电容Cs205的对地电容。
图8是巴伦滤波器芯片的三维立体版图模型侧视图，单层基板的厚度为0.094mm，各介质层和通孔布置情况如图所示。
再进一步的，参见图9的差分滤波器版图S参数仿真结果，差分滤波器以3.5GHz为工作中心频率，在中心频率的插入损耗为0.8dB，具有低插入损耗特性，回波损耗S11在10dB以下的频带为3.3GHz至3.8GHz，带宽约为0.5GHz，覆盖了n78频段。对于共模信号抑制性能，本差分滤波器实现了全频段抑制功能，20dB共模抑制范围为0至12.8GHz。对于差模信号带外抑制性能，本差分滤波器具有20dB的超宽高阻带抑制，抑制频率达12.0GHz，具有超宽阻带抑制性能。
参见图10的巴伦滤波器版图S参数仿真结果，巴伦滤波器以3.5GHz为工作中心频率，在中心频率的插入损耗为1.3dB(除去原始3dB)，具有极低插入损耗，回波损耗S11在10dB以下的频带为2.35GHz至2.72GHz，带宽约为0.37GHz，覆盖了b41频段。本巴伦滤波器具有紧贴通带的两侧有两个传输零点，极大地提高了其选择性；并具有频率为8GHz的远端传输零点，对X波段信号有极强的抑制性能。本巴伦滤波器在低阻带范围内具有至少28dB的抑制，并具有隔直流性能，在高阻带具有20dB的超宽高阻带抑制，抑制频率达16.4GHz，具有超宽阻带抑制性能。
参见图11的巴伦滤波器版图输出端口相位差仿真结果，该巴伦滤波器在通带范围内的输出端口相位差在178.1°至179.1°之间，实现了优良的输出反相功能；
参见图12的巴伦滤波器版图输出端口幅度差仿真结果，该巴伦滤波器在通带范围内的输出端口幅度差小于0.3dB，具有低输出端口相位不平衡度。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，包括以LTCC技术实现的差分滤波器芯片和巴伦滤波器芯片；
所述差分滤波器芯片的等效电路包括第一耦合线(101)、电感L1(102)、电容C1(103)；所述差分滤波器芯片的等效电路具有对称性，所述差分滤波器由所述电容C1(103)和所述电感L1(102)构成的串联LC谐振器端接于所述第一耦合线(101)的四个端口；
所述巴伦滤波器芯片的等效电路包括第二耦合线(201)、电感Ls(202)、电感Li(203)、电感Lo(204)、电容Cs(205)、电容Ci(206)、电容Co(207)；其中，由所述电容Cs(205)和所述电感Ls(202)构成的并联LC谐振器，由所述电容Ci(206)和所述电感Li(203)构成的串联LC谐振器，由所述电容Co(207)和所述电感Lo(204)构成的串联LC谐振器；其中，由所述电容Ci(206)和所述电感Li(203)构成的串联LC谐振器端接于所述第二耦合线(201)靠近输入端一侧，由所述电容Co(207)和所述电感Lo(204)构成的串联LC谐振器端接于所述第二耦合线(201)两个输出端；由所述电容Cs(205)和所述电感Ls(202)构成的串联LC谐振器连接于非平衡端和由所述电容Ci(206)和所述电感Li(203)构成的串联LC谐振器之间。
2.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述巴伦滤波器芯片的等效电路中还包括寄生电感Lp1(208)、寄生电感Lg1(209)、寄生电容Cg1(210)、寄生电容Cg2(211)。
3.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述第一耦合线(101)以直线型边缘耦合微带线实现。
4.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述电感L1(102)以通孔和弯折线实现。
5.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述电容C1(103)以四层垂直交趾电容实现。
6.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述第二耦合线(201)以直线型埋置非同层耦合微带线实现。
7.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述电感Ls(202)以平面多次弯折线实现；所述电感Li(203)以垂直通孔实现；所述电感Lo(204)以平面多次弯折线实现。
8.根据权利要求1所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述电容Cs(205)以四层垂直交趾电容实现；所述电容Ci(206)以四层垂直交趾电容实现，所述电容Co(207)以六层垂直交趾电容实现。
9.根据权利要求2所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述寄生电感Lp1(208)是连接所述电容Cs(205)和所述第二耦合线(201)的通孔和导体；所述寄生电感Lg1(209)是所述第二耦合线(201)的接地通孔。
10.根据权利要求2所述的超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片，其特征在于，所述寄生电容Cg1(210)和所述寄生电容Cg2(211)是所述电容Cs(205)的对地电容。
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| CN202410080710.3A CN117978115A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117978115A true CN117978115A (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=90860897
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410080710.3A Pending CN117978115A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 超宽带差模和共模抑制差分与巴伦型滤波器芯片 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117978115A (zh) |
-
2024
- 2024-01-19 CN CN202410080710.3A patent/CN117978115A/zh active Pending
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