CN206628568U - 一种带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种频率为2.45GHz的带通滤波器，该带通滤波器包括六层结构，其中，第一层包括地、输入接口和输出接口，第二层包括第一对地电容和第四对地电容，第三层包括第一微波传输线、第四微波传输线和地，第四层包括第二微波传输线和第三微波传输线，第五层包括第二对地电容和第三对地电容，第六层包括用于连接第二微波传输线与第三微波传输线的传输连接线，其中，四根微波传输线均为带状线谐振器，分别依次与四个电容相连接，输入接口和输出接口分别依次与第一微波传输线和第四微波传输线相连接，六层结构中层与层通过小孔连接。根据本实用新型的带通滤波器，可以解决现有技术中传统滤波器体积大、功耗高的技术问题。

Description

一种带通滤波器

技术领域

本实用新型涉及微波电路及射频通信相关领域，特别是涉及一种频率为2.45GHz的带通滤波器。

背景技术

在发射器和接收器系统的射频电路中，有一个非常重要的元器件，那就是滤波器。滤波器是一种对频率具有选择性的二端口网络，它对某一频率范围内的信号给予很小的衰减，使这部分信号能够顺利通过，对其他频道的信号给予很大的衰减，从而尽可能的阻止这部分信号通过。滤波器是由电路元件相互连接构成的一种选频网络，可利用它来分开或组合不同的频率，如在变频器、倍频器以及多路通信中。

在电子线路中，滤波器的作用就是从具有各种不同频率成分的信号中过滤出具有特定频率成分的信号。从电信发展的早期，滤波器在电路中就扮演着重要的角色，并且随着通信技术的发展而不断的有所进展。与此同时，微波频率范围内的滤波器的需求量大大增加。当工作频率超过1GHz时，由于工作波长与滤波器元件的物理尺寸可相比拟，若仍采用分立元件来实现，就会因为存在多方面的损耗而使电路性能恶化。

中心频率在2.45GHz属于ISM(Industrial Scientific Medical)频段，此频段(2.4～2.4835GHz)主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用。该频段是美国联邦通讯委员会(FCC)定义出来的，属于Free License，并没有使用授权的限制。因此中心频率为2.45GHz的带通滤波器大量使用在无线网卡、蓝牙、ZigBee元件上。

对所有手持式电子设备，微型化是一个重要问题，尺寸和重量的减小会使随身携带的电子设备变得特别轻巧。因此，滤波器尺寸的缩小和性能的提高是滤波器设计的两大重要课题。

综上所述，设计一种滤波器性能好、体积小、功耗低的2.45GHz带通滤波器，成为业内急需要解决的一个技术问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种频率为2.45GHz的带通滤波器，此带通滤波器既能保证滤波器性能，而且能够解决现有技术中传统滤波器体积大、功耗高的技术问题。

为解决上述技术问题，作为本实用新型的一个方面，提供了一种2.45GHz带通滤波器。

此2.45GHz带通滤波器包括六层结构，其中，第一层包括地、输入接口和输出接口，第二层包括第一对地电容和第四对地电容，第三层包括第一微波传输线、第四微波传输线和地，第四层包括第二微波传输线和第三微波传输线和地，第五层包括第二对地电容和第三对地电容，第六层包括用于连接第二微波传输线和第三微波传输线的传输连接线，其中，第一微波传输线、第二微波传输线、第三微波传输线和第四微波传输线均为带状线谐振器，且分别依次与第一对地电容、第二对地电容、第三对地电容和第四对地电容相连接，输入接口和输出接口分别依次与第一微波传输线和第四微波传输线相连接，六层结构中层与层通过小孔连接。

进一步地，带状线谐振器的厚度为0.01mm至0.02mm，宽度为0.12mm至0.3mm，长度为1.2mm至1.6mm。

进一步地，带状线谐振器是由相对设置的两个接地板和位于两个接地板中心的导带组成。

进一步地，第一层与第二层的间距为0.171mm至0.19mm，第二层和第三层的间距为0.023mm至0.04mm，第三层和第四层的间距为0.38mm至0.4mm，第四层和第五层的间距为0.02mm至0.043mm，第五层和第六层间距为0.075至0.09mm。

进一步地，输入端口和输出接口的阻抗均为50欧。

进一步地，六层结构的介质材料均为银。

进一步地，2.45GHz带通滤波器采用低温共烧陶瓷技术制成，2.45GHz带通滤波器大小为2.0mm×1.25mm×0.763mm。

附图说明

图1示意性示出本实用新型实施例的2.45GHz带通滤波器的结构立体图；

图2示意性示出本实用新型实施例的2.45GHz带通滤波器的结构侧视图；

图3示意性示出本实用新型实施例的2.45GHz带通滤波器的等效电路图；

图4示意性示出本实用新型实施例的2.45GHz带通滤波器的仿真结果曲线图；

图5示意性示出本实用新型实施例的2.45GHz带通滤波器的测试结果曲线图；

图6和图7示意性示出本实用新型实施例的2阶归一化巴特沃思低通滤波器电路图；

图8示意性示出本实用新型实施例的低通滤波器到带通滤波器的变换电路图；

图9示意性示出本实用新型实施例的2阶2.45GHz带通滤波器电路图；

图10示意性示出本实用新型实施例的2阶2.45GHz带通滤波器的电路仿真图；

图11示意性示出本实用新型实施例的使用J变换器的带通滤波器电路图；

图12示意性示出本实用新型实施例的J变换器示意图；

图13示意性示出本实用新型实施例的带状线模型图；

图14示意性示出本实用新型实施例的耦合带状线示意图；

图15示意性示出本实用新型实施例的折叠型UIR带状线及其等效模型图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

适当参考图1至图3，本实用新型提供的2.45GHz带通滤波器包括阻抗均为50欧的输入接口P1输出接口P2，还包括均为带状线谐振器的第一微波传输线L1、第二微波传输线L2、第三微波传输线L3和第四微波传输线L4，以及第一对地电容C1、第二对地电容C2、第三对地电容C3和第四对地电容C4，其中，四根微波传输线L1至L4分别依次与4个电容C1至C4相连接，输入接口P1和输出接口P2分别依次与第一微波传输线L1和第四微波传输线L4相连接。

各部分共分布于从下至上共包括六层结构上，且六层结构的介质材料均为银。具体地，第一层包括地D、输入接口P1和输出接口P2，第二层包括第一对地电容C1和第四对地电容C4，第三层包括第一微波传输线L1和第四微波传输线L4和地D，第四层包括第二微波传输线L2、第三微波传输线L3和地D，第五层包括第二对地电容出和第三对地电容此，第六层包括用于连接第二微波传输线L2与第三微波传输线L3的传输连接线S，各层之间通过小孔(via)连接。

采用该实施例提供的2.45GHz带通滤波器，运用了耦合微带线滤波原理，在滤波器中加入了带外零点增加带外抑制，以增强滤波器性能，并且具有体积小、功耗低、集成度高等优点。

优选地，2.45GHz带通滤波器采用低温共烧陶瓷技术制成，可实现2.45GHz带通滤波器大小为2.0mm×1.25mm×0.763mm，进一步基于低温共烧陶瓷带通技术缩小带通滤波器的尺寸。

更优选地，带状线的厚度优选为0.01mm至0.02mm，宽度为0.12mm至0.3mm，长度为1.2mm至1.6mm；第一层与第二层的间距为0.171mm至0.19mm，第二层和第三层的间距为0.023mm至0.04mm，第三层和第四层的间距为0.38mm至0.4mm，第四层和第五层的间距为0.02mm至0.043mm，第五层和第六层间距为0.075至0.09mm。

对于该实施例提供的2.45GHz带通滤波器，利用HFSS软件进行模型仿真，从图4中可以看出，仿真结果基本实现通带带宽2.31GHz and 2.72GHz(<-3dB)，带内插损小于等于2dB，且无通带纹波，对成型后的产品利用矢量分析仪进行测试，测试结果如图5所示，从测试结果中可以看出，带内衰减基本可以达到小于等于2dB，意味着插入损耗更小，不会引起过度的能量损耗，滤波器的性能较好。通过增加对地电容，引入了两对传输零点，这两对传输零点将过渡带宽变窄，阻带衰减迅速，而且在阻带内加深了阻带抑制。在靠近中频频率的第一零点位置，阻带抑制可以达到30dB，在第二零点位置更是可以达到50dB的抑制深度。

对于本实施例提供的2.45GHz带通滤波器，设计方法具体说明如下。

对于集总电路部分的设计，以巴特沃思(Butterworth)滤波器为原型，再通过电路变换得到带通滤波器。巴特沃思滤波器提供平滑的通频带的频率响应曲线，但缺点在于带外抑制曲线下降过于缓慢。图6和图7示出了2阶归一化巴特沃思低通滤波器电路图，根据相关公式计算可以得出电容、电感值。在设计巴特沃思低通滤波器的时候，是以归一化巴特沃思低通滤波器的设计数据为基准滤波器的参数，并将其截止频率和特征阻抗的值变换成待设计滤波器的截止频率和特征阻抗的值。

低通滤波器设计完毕后，就要将低通滤波器变换为带通滤波器，即将LPF转为BPF。图8是LPF与BPF的电路元件对应关系。经过一系列的变换，最终得到待设计的带通滤波器，如图9所示。图10是设计好的带通滤波器的在仿真软件ADS中进行电路仿真后得到的S曲线图。从图中可以看出其中心频率在2.45GHz，带宽为400M。

应用倒置变换器，将谐振元件并联，可以实现利用微波传输线来实现带通滤波器。采用导纳J变换器缩小带状线的体积。图11是使用J变换器的带通滤波器电路，其中，Ji、Ji+1是导纳变换器参数。采用的J变换器形式具体如图12所示。

对于LTCC带状线滤波器设计，采用带状线的微波传输线设计形式。带状线是由距离为b的两个接地板和中心导带(厚度为t，宽度为w)所组成，如图13所示。带状线谐振器具有小尺寸、通过光刻技术易于加工、与其他有源电路元件易于兼容等优点。带状线谐振器有很多种结构，优选采用均匀阻抗谐振器(Uniformity Impedance Resonator，UIR)。这种谐振器的结构可用电学长度为π弧长且具有均匀特性阻抗的传输线来表达，特点是结构简单，易于设计。

在实际设计UIR型滤波器的时候，由于LTCC滤波器尺寸较小，为了避免采用单层带状线做谐振单元时对电感和电容的限制，本申请采用叠层结构来设计，即使用内连技术将一个微带线分布在不同的平面内，如图14所示。宽边耦合的带状线需要注意的是上下两条带状线电流须相反，这样才可以保证上下平板间存在电位差，以产生互电容和互电感。图15是折叠线型UIR谐振器模型和它的等效电路图，上层板和下层板的电流也是反向的，两层板的重叠部分形成了耦合。

除此之外，当谐振器级联时，由于彼此之间存在着电磁耦合，对谐振器的特性会产生影响。因为谐振器间的电磁耦合不确定因素多，可利用HFSS仿真软件对已设计好的滤波器做微调，以确保谐振频率达到指标。

带状线采用UIR结构，由图10可以看出，其阻带衰减缓慢，为了提高其阻带衰减，引入增加对地电容，增加传输零点。带通滤波器采用两级折叠线UIR结构，在HFSS中建模如图1所示。由于采用了UIR折叠设计，体积得以缩小。

综上所述，本实用新型提供的2.45GHz带通滤波器可应用于微波电路及射频通信中的滤波。采用了耦合传输线技术，并增加对地电容，从而增加传输零点来提高滤波器的性能，且体积小、功耗低、集成度高。

以上仅包括本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种频率为2.45GHz的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器包括六层结构，其中，第一层包括地(D)、输入接口(P1)和输出接口(P2)，第二层包括第一对地电容(C1)和第四对地电容(C4)，第三层包括第一微波传输线(L1)、第四微波传输线(L4)和地(D)，第四层包括第二微波传输线(L2)和第三微波传输线(L3)和地(D)，第五层包括第二对地电容(C2)和第三对地电容(C3)，第六层包括用于连接所述第二微波传输线(L2)与第三微波传输线(L3)的传输连接线(S)，其中，所述第一微波传输线(L1)、所述第二微波传输线(L2)、所述第三微波传输线(L3)和所述第四微波传输线(L4)均为带状线谐振器，且分别依次与所述第一对地电容(C1)、所述第二对地电容(C2)、所述第三对地电容(C3)和所述第四对地电容(C4)相连接，所述输入接口(P1)和所述输出接口(P2)分别依次与所述第一微波传输线(L1)和所述第四微波传输线(L4)相连接，所述六层结构中层与层通过小孔连接。

2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述带状线谐振器的厚度为0.01mm至0.02mm，宽度为0.12mm至0.3mm，长度为1.2mm至1.6mm。

3.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于，所述带状线谐振器是由相对设置的两个接地板和位于所述两个接地板中心的导带组成。

4.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一层与所述第二层的间距为0.171mm至0.19mm，所述第二层和所述第三层的间距为0.023mm至0.04mm，所述第三层和所述第四层的间距为0.38mm至0.4mm，所述第四层和所述第五层的间距为0.02mm至0.043mm，所述第五层和所述第六层间距为0.075至0.09mm。

5.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述输入接口(P1)和所述输出接口(P2)的阻抗均为50欧。

6.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述六层结构的介质材料均为银。

7.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器采用低温共烧陶瓷技术制成，所述带通滤波器大小为2.0mm×1.25mm×0.763mm。