CN1768445B - 超薄型陶瓷射频滤波器 - Google Patents

Abstract

一个用于连接天线、发射机和接收机的超薄型陶瓷滤波器。滤波器对从天线到接收机的输入信号以及从发射机到天线的输出信号进行滤波。滤波器具有一个陶瓷芯，陶瓷芯具有在芯的侧面之间延伸的通孔。通孔形成耦合谐振腔和陷波谐振腔。两个陷波谐振腔位于块的侧面，而陷波谐振腔中的两个位于块的中央部。耦合谐振腔位于端陷波谐振腔和中央部的陷波谐振腔之间。陷波谐振腔具有一个在所期望的通带之外的谐振频率，因此而提供了陷波零点或极点。

Description

超薄型陶瓷射频滤波器

技术领域

本发明涉及用于用于射频信号的陶瓷块滤波器，并尤其涉及整体多通带滤波器。

背景技术

陶瓷块滤波器提供了集中元件滤波器所没有的若干优点。陶瓷块相对来说便于制造、结实并且紧致。在基础的陶瓷块滤波器设计中，谐振腔一般由被称作通孔的圆柱形通道形成，通孔贯穿陶瓷块的两个相对的长窄面。基本上，陶瓷块的5个(外)表面及其由谐振腔孔形成的内壁被镀上导电材料(即金属化)。

包括开放通孔的两个相对面中的一个没有被完全金属化，但是相反地具有一个金属化图案，其被设计来经由一组谐振腔耦合输入和输出信号。尽管″顶端″的指定在参考板固定方向的滤波器时也可以被应用于表面安装接触的相对面，然而这个有图案面通常被标记为陶瓷块的顶端。在某些设计中，图案可以延长到陶瓷块的侧面，而侧面是形成输入/输出电极的地方。

至少在某种程度上，相邻谐振腔之间的电抗耦合受到每个谐振腔的物理尺寸、每个谐振腔相对于其它谐振腔的方向、以及顶面金属化图案的外观的影响。陶瓷块内部及其周围的电磁场的交互作用是很复杂并且难以预测的。

这些滤波器也可能配备有一个连接并跨越陶瓷块的开路端的外部金属罩，从而消除了非相邻谐振腔和RF操作装置的其它元件之间所不希望的耦合。

尽管这类射频信号滤波器自从20世纪80年代起已经接收了普遍的商业验收，然而对这些基本设计的改进却一直都在继续。

为了让无线通信提供商提供附加业务，全世界的政府已经为商业用途分配了更高的射频频率。为了更好地开发这些新分配的频率，标准设定组织已经对压缩发射和接收频带以及个人信道采取了带宽规约。

与高频耦合并很拥挤的信道使消费者市场倾向于愈来愈小的无线通信装置(例如手机)和更长的电池寿命。特别地，无线装置设计者所关心的是降低诸如滤波器之类的无线元件的板高，即所需的间距。现在与诸如薄膜体声谐振腔(FBAR)之类的整体陶瓷过滤器竞争的技术在某些情况下提供了降低板高的需求。然而，这些技术相对来说更加昂贵。

因此，本发明适合于提供更小而不牺牲滤波性能的整体陶瓷过滤器。

发明内容

本发明通过提供一个多带通陶瓷块射频滤波器来克服先有技术的难题，它只需较低的板高但是却有较低的通带插入损耗。

本发明提供了一个适宜连接到天线、发射机和接收机的通信信号滤波器。滤波器适合于对从天线到接收机的输入信号以及从发射机到天线的输出信号进行滤波。因此，滤波器适合于提供一个接收机信号通带和一个发射信号通带。

根据本发明的通信滤波器包括一个电介质块，电介质块具有第一和第二端部以及其间的中央部。电介质块上提供了第一和第二天线耦合垫片、发射机耦合垫片和接收机耦合垫片。多个耦合谐振腔贯穿陶瓷块。陷波谐振腔贯穿陶瓷块并且位于第一和第二天线耦合垫片之间的中央部，以便陷波谐振腔提供所期望通带之外的增加的衰减。

这类滤波器优选地包括一个或多个额外的陷波谐振腔，它们贯穿陶瓷块并且被置于端部。

电介质材料的滤波器芯具有第一端、第二端、顶面、底面，并且限定了多个分别在顶面开口和底面开口之间延伸的通孔。芯表面具有多个金属化区。金属化区包括第一输入/输出耦合区，沿第一和第二端之间的芯的长度方向与第一输入/输出耦合区相间隔的第二输入/输出耦合区，位于第一输入/输出耦合区和第一端之间的第三输入/输出耦合区，以及位于第二输入/输出耦合区和第二端之间的第四输入/输出耦合区。

金属化区还包括一个相对较宽的区域。较宽区从通孔侧壁连续地延伸向芯的顶面和底面。较宽区从通孔里面继续在芯底面和侧面延伸。

第一和第二输入/输出耦合区彼此间隔，但是被朝向陶瓷块的中央部放置。第三和第四输入/输出耦合区分别被朝向陶瓷块的第一和第二端放置。

在一个优选实施例中，第一和第二耦合区用于连接通信装置的天线，而第三和第四耦合区分别用于连接通信装置的发射机和接收机。

芯结构和多个金属化区一起限定了一组谐振腔，其包括至少一个被置于第一输入/输出耦合区和第二输入/输出耦合区之间的通孔谐振腔。这个位于中心的谐振腔增加了所期望通带之外的衰减。

所述芯和金属化区还一起限定了一个在第一和第二输入/输出耦合区之间的退耦器。退耦器优选地是多个具有金属化侧壁的通孔中的一个，金属化侧壁被导电地连接到顶面和底面处的较宽区。

在一个优选实施例中，通信滤波器包括四个陷波谐振腔。第一和第二陷波谐振腔被提供在退耦器的相对面上以及第一和第二输入/输出耦合区之间。第三陷波谐振腔被提供相邻于第三输入/输出耦合区，在第三耦合区和陶瓷块的第一端之间。第四陷波谐振腔同样地被提供相邻于第四输入/输出耦合区；在第四耦合区和陶瓷块的第二端之间。

附图说明

在附图中，图1是根据本发明的双工滤波器的放大透视图；

图2是图1滤波器的放大俯视图。

图3是双工滤波器的另一个实施例的放大透视图；

图4是图3滤波器的放大俯视图。

图5是图1的双工滤波器的发射通带的插入损耗与频率之比的一个图案。

图6是图1的双工滤波器的接收通带的插入损耗与频率之比的一个图案。

具体实施方式

虽然本发明容易受到许多不同形式的实施例的影响，但是说明书和附图只是公开了本发明例子的优选形式。然而，本发明不意味着受限于所述的这些实施例。本发明的范围在附加的权利要求中被确定。

参考图1和2，天线双工器或射频滤波器10包括一个细长的、平行六面体的(或″盒形的″)陶瓷电介质材料12的芯。芯12具有三组相对面：顶面14和底面16，相对的长侧面18和20，以及相对的窄端或窄面22和24。芯12具有一个中央部21。侧面18、20、22和24之间的接口限定了平行边26。图中指出，芯12长、宽、高分别为C、B、A。

芯12限定了一组通孔通路30A、30B、30C、30D、30E、30F、30G、30H、30I和33，每个通孔通路都在上表面14和下表面16之间延伸。通孔30A和30I位于侧面22和24。通孔30D、30E和33位于中央部21。

芯12是刚性的并且优选地为了机械强度、介电性质、电镀适合性和成本而被选择由陶瓷材料构成。适当的电介质陶瓷的准备在Jacquin等人的美国专利号6,107,227和美国专利号6,242,376中被描述，其与本教导不同的公开内容在此结合作为参考。通过用加热步骤来混合微粒形式的独立成分(例如Al2O3、TiO2、Zr2O3)，紧接着压模，然后用点火步骤来使那些独立成分起反应并且互相结合，芯12这样被优选地制造。

滤波器10包括金属化和非金属化区(或区域)的图案40。图案40包括金属化区42和非金属化区44的一个宽阔的、相对较宽的区域。图案40还包括多个输入/输出耦合金属化区34、35、36和37。特别地，图案40具有发射机耦合区34、接收机金属化耦合区37、第一天线输入/输出耦合区35以及第二天线输入/输出耦合区36。耦合区34和37在侧面18上具有对应的表面安装垫片34A和37A，并且在上表面14上有对应的各自的扩展34B和37B。

第一和第二天线耦合区35和36被优选地相互导电链接，并且还通过金属化互连区39连接到表面安装垫片38。耦合区35和36具有对应的扩展35B和36B。

垫片34A、37A和38被提供来在表面安装结构中把滤波器10连接到电子装置的其它电路元件。因此，在图中用图标″A″识别的尺度是表面安装高度，即滤波器的板高。

宽阔的金属化区42覆盖了一部分顶面14和侧面18，并且基本上覆盖了底面16、侧面20、22、24和通孔30的侧壁32的全部。宽阔的金属化区42连续地从谐振腔孔30里面延伸向顶面14和底面16。区42充当一个局部接地。

芯12和图案40一起形成一组通孔谐振腔31A、31B、31C、31D、31E、31F、31G、31H和31I。谐振腔垫片60A、60B、60C、60D、60F、60G、60H和60I被置于顶面14上而形成金属化区42的一部分，并且在侧壁32上被连接到金属化部分。

本发明的一个关键特征在于，至少存在一个定位于中央的陷波谐振腔。滤波器10包括两个被置于中央的陷波谐振腔31D和31E。谐振腔31D和31E都被置于第一和第二天线耦合区35和36之间。在此用来描述通孔、谐振腔和金属化区的相对位置的术语″之间″参考的是在端22和端24之间的块的长度C上的滤波器的基本对准的特征。例如，即使垫片34A(在侧面18上)从一组通孔30偏移，通孔30A的位置也在表面安装垫片34A和侧面22之间。此外，用术语″之间″描述的对准特征可以包括一个合理的覆盖量。

退耦器47被提供在通孔30D和30E之间以降低谐振腔31D和31E之间的电感及其它电磁耦合。退耦器47用通孔33的形式来提供，通孔33具有一个在底面16和顶面14处被连接到宽广区42的金属化侧壁。金属化通孔33在顶面14通过金属化扩展62被连接到宽区42。换言之，双连接的金属化通孔33产生一个贯穿芯12的中央部的宽区42的频带。

陷波谐振腔31D和31E被调谐来提供所期望滤波器通带外的频率的谐振响应。通过把陷波谐振腔放置在所关心的频率通带之外，额外的衰减″零极″或磁极被创造，从而提供了更大的设计灵活性和宽容度以及所希望的频率响应。

滤波器10还优选地包括一个朝向端面22和24的陷波谐振腔。通孔30A和30I形成陷波零点或陷波谐振腔31A和31I。陷波谐振腔31A被置于发射机耦合区34和芯端面22之间并与之邻近。陷波谐振腔31I同样地被置于接收机耦合区37和芯端面24之间而且与之邻近。

谐振腔31B和31C被电磁耦合并被置于发射机耦合区34和第一天线耦合区35之间。谐振腔31F、31G和31H被电磁耦合并置于接收机耦合区37和第二天线耦合区36之间。

图案40还包括一个在顶面14上的隔离的金属化区61，其以带状或条状形状在芯12的长度上邻近谐振腔垫片60F、60G和60H延伸。

非金属化区44位于顶面14和侧面18的部分上。非金属化区44基本上环绕(或围绕)谐振腔垫片60A、60B、60C、60D、60E、60F、60G、60H和60I。非金属化区44还环绕着发射机耦合区34、第一和第二天线耦合区域35和36、接收机耦合区37以及条状区域61。

为了便于说明，双工滤波器10可以在通孔33处分离成谐振腔31的两个部分，即发射机部分72和接收机部分74。发射机部分72在第一天线耦合区域35和端22之间延伸，而接收机部分74以相反的方向在第二天线耦合区域36和端24之间延伸。每个部分都包括多个谐振腔31和各自的输入/输出耦合区。更确切地说，发射机部分72包括发射机耦合区34，而接收机部分74包括接收机耦合区37。

图案40的金属化区优选地包括了一个一层或多层的导电金属涂层。含银的导电层目前是优选的。适当的含银的厚膜导电膏可以从Dupont公司的微电路材料分公司买到。

芯12上的金属化和非金属化区40的表面层图案优选地通过提供一个预定尺寸的包括通孔在内的电介质材料的刚性芯来准备。外表面和通孔侧壁通过浸泡、喷镀或电镀而包上一层或多层金属薄膜。

然后优选地通过计算机自动化激光烧蚀芯12上指明的区域而完成金属化和非金属化区的图案。激光烧蚀方法产生非金属化区，该非金属化区不仅仅没有金属化而且还凹进芯12表面，这是因为激光烧蚀除去了金属层和一小部分电介质材料。

替换地，所选择的全金属化芯前体的表面通过诸如颗粒喷砂法之类的磨削力而被除去，从而产生了一个或多个非金属化的表面。金属化和非金属化区的图案然后通过用厚膜金属膏来进行图案印刷而完成。

根据本发明的滤波器选择性地配备了一个横跨顶面14的金属罩。对于金属罩构造的论述请参见Vangala的美国专利号5,745,018。例如在移动电话中，滤波器一般被后焊接到包括射频发射机、接收机和天线在内的印刷电路板上。

天线双工器或射频滤波器200的一个替换实施例在图3和4中被示出。射频滤波器200类似于射频滤波器10，其不同之处在于第一和第二天线耦合区域235和236没有通过芯212表面上的金属化而被导电连接。第一天线耦合区域235在侧面218上具有一个表面安装垫片235A并且其扩展235B延伸到顶面214上。第二天线耦合区域236同样地具有一个表面安装垫片236A和一个扩展到顶面214上的扩展236B。在主机电子装置的电路板或其它基片上，表面安装垫片235A和236A被优选地电互连并且连接到天线。替换地，垫片235A并且236A可以被分别地连接到独立的天线。滤波器200的其它特征基本上与在此上述的滤波器10相同。

例子

根据图1和2中所示的实施例用下表1中规定的设计参数模拟一滤波器。

表1

滤波器长度(侧面24到侧面22)    13.50mm

滤波器板高(侧面18到20)        2.00mm

滤波器宽度(侧面14到侧面16)    6.50mm

输出(发射)信号通带            1850到1910MHz

输入(接收)信号通带            1930到1990MHz

用微波局、应用波研究公司(EI Segundo，CA)来模拟示例滤波器。图5是由模拟发射部分而产生的S21类的散射参数。滤波器对于所期望的大约3.3dB的发射频带显示出一个最大插入损耗。图6是由模拟接收部分而产生的S21类型的散射参数。滤波器对于所期望的大约4.6dB的接收频带显示出一个最大插入损耗。

散射参数是在指定元件连接点测量的被反射和发射行波之比。在一个输入信号频率或一个输入信号频率范围内，S21数据点是所测量的插入损耗，即在输出连接处的输出信号与输入连接处的输入信号的比值。对于散射参数以及相关测试标准和设备的论述请查阅以下参考：Anderson，Richard W.″S-Parameter Techniques for Faster，MoreAccurate Network Design，″Hewlett-Packard Journal，vol.18，no.6，February 1967；Weinert，″Scattering Parameters Speed Designof High Frequency Transistor Circuits，″Electronics，vol.39，no.18，Sept.5，1986；or Bodway，″Twoport Power Flow Analysis UsingGeneralized Scattering Parameters，″Microwave Journal，vol.10，no.6，May 1967。

模拟的双工器显示出以目标频率的衰减中的重大改进以及发射和接收通带中微小的信号损失。它提供了一个超薄型的射频滤波器，其在通带中具有很低的最大插入损耗以及抑止频带的突变过渡。

在不脱离本发明新颖特征的精神和范围的前提下，可以对上述实施例进行大量的变化和变型。应当理解，没有对在此说明的特殊系统做出任何限制是有意或应该想到的。当然，应当由附加的权利要求来覆盖所有这类属于权利要求范围的变型。

Claims (6)

1.通信信号滤波器，包括：

电介质材料的芯，具有第一端、第二端、顶面、底面，并限定了分别在顶面开口和底面开口之间延伸的多个通孔；

所述芯的顶面上的多个金属化区包括：

接收机耦合区，

发射机耦合区，沿第一和第二端之间的芯的长度方向与接收机耦合区相间隔，

第一天线耦合区域，被置于接收机耦合区和发射机耦合区之间，

第二天线耦合区域，被置于接收机耦合区和发射机耦合区之间，

金属化的宽的区域，

其中，多个通孔中的至少一个被置于第一和第二天线耦合区域之间以限定一个陷波谐振腔；以及

第一和第二天线耦合区域之间的采用多个通孔中的一个通孔形式的退耦器。

2.权利要求1的滤波器，其中，限定退耦器的多个通孔中的该一个通孔具有一个在顶面和底面被导电连接到该金属化的宽的区域的金属化侧壁。

3.权利要求1的滤波器，其中，多个通孔中的至少一个被置于芯的第一端和发射机耦合区之间以限定一个陷波谐振腔。

4.权利要求1的滤波器，其中，多个通孔中的至少一个被置于芯的第二端和接收机耦合区之间以限定一个陷波谐振腔。

5.如权利要求1的滤波器，其限定四个陷波谐振腔。

6.包括多个同轴谐振腔的通信滤波器，所述同轴谐振腔形成于一个具有通孔和金属化图案的整体中，该整体具有第一和第二端和其间的中央部，其改进在于所述滤波器包括：

中央部中的第一和第二天线耦合金属化区；

第一和第二天线耦合区域之间的采用通孔中的一个通孔形式的退耦器；和

在中央部中的第一和第二天线耦合区域之一和退耦器之间的采用通孔中的另一个通孔形式的陷波谐振腔。

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