CN218275015U

CN218275015U - 一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器

Info

Publication number: CN218275015U
Application number: CN202222697531.3U
Authority: CN
Inventors: 张志悦; 魏家贵; 范佰杰; 史向龙; 曹玉; 任秀娟
Original assignee: Beijing Aerospace Micro Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Aerospace Micro Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2022-10-13
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2032-10-13

Abstract

本实用新型提供了一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，包括陶瓷基板，所述陶瓷基板的下一层为金属接地层，所述陶瓷基板的上一层包括九个终端短路的交指谐振器形成的电路，所述基板周围设置有多个贯通的接地通孔；对于每个所述交指谐振器，所述交指谐振器包括短路端和开路端，九个所述交指谐振器的短路端相互连接。通过本方案，由于是基于陶瓷基板形成的交指结构，其结构紧凑，体积小，另外，通过多个贯通的接地通孔可实现交指谐振器的终端短路，与传统交指谐振器在一端刻蚀接地通孔实现短路的方法相比，滤波器的陡降度进一步得到提升。

Description

一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器

技术领域

本实用新型涉及无线通信系统射频微波滤波技术领域，具体为一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器。

背景技术

在现代无线通信系统中，射频微波滤波器作为必不可少的无源器件，其性能关系到整个通信系统的质量。随着人们对于通信带宽的需求日益增长，射频微波滤波器正朝着宽带化、小型化、高性能和低成本等方向快速发展，所以开发新型、紧凑结构和性能更加卓越射频微波滤波器引起了研发人员的重视。在实际无线通信环境下，要求滤波器具有高的陡降度，具有高陡降度的滤波器已成为实际需求，是当前射频微波滤波器设计研究的热点之一。由此，现有技术中缺少一种紧凑结构、性能更加卓越、具有高的陡降度的射频微波滤波器。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，包括陶瓷基板，陶瓷基板的下一层为金属接地层，陶瓷基板的上一层包括九个终端短路的交指谐振器形成的电路，基板周围设置有多个贯通的接地通孔；

对于每个交指谐振器，交指谐振器包括短路端和开路端，九个交指谐振器的短路端相互连接。

技术效果：本实用新型提供的基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，由于是基于陶瓷基板形成的交指结构，其结构紧凑，体积小，另外，通过多个贯通的接地通孔可实现交指谐振器的终端短路，与传统交指谐振器在一端刻蚀接地通孔实现短路的方法相比，滤波器的陡降度进一步得到提升。

进一步地，上述九个交指谐振器中包括一个左交指谐振器、一个右交指谐振器和七个中间交指谐振器，左交指谐振器与第一共面波导馈线连接，右交指谐振器与第二共面波导馈线连接。

采用该方案，通过第一共面波导馈线和第二共面波导馈线可起到阻抗变化的作用，用于与外电路连接。

进一步地，上述左交指谐振器的开路端连接第一微带线，右交指谐振器的开路端连接第二微带线，第一微带线与左交指谐振器的开路端之间的夹角为90度，第二微带线与右交指谐振器的开路端之间的夹角为90度。

采用该方案，左交指谐振器的开路端和右交指谐振器的开路端分别连接一条与其成90度的微带线，可用于改善驻波。

进一步地，上述九个交指谐振器均为长度相同和宽度相同的交指谐振器，每两个中间交指谐振器之间的间距不相同。

采用该方案，电路可以通过九个终端短路的交指谐振器的长度对滤波器的工作频带进行调整，改变九个终端短路的交指谐振器之间的间距可对滤波器的驻波进行调整，改变九个终端短路的交指谐振器的宽度以及谐振器之间的间距可以对滤波器的带宽进行调整，具有很高的设计灵活度，满足不同的需求。

进一步地，上述第一共面波导馈线与第二共面波导馈线结构相同，第一共面波导馈线包括输入输出端共面波导、主共面波导馈线、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导和微带面，所述输入输出端共面波导包括第一中间微带线段和第一边缘槽线，所述第一中间微带线段的长度和所述第一边缘槽线的长度相同，所述主共面波导馈线包括第二中间微带线段和第二边缘槽线，所述第二中间微带线段的长度和所述第二边缘槽线的长度相同，所述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导包括第三中间微带线段和第三边缘槽线，所述第三中间微带线段的宽度渐变，所述共面波导与所述输入输出端共面波导之间存在夹角，所述微带面与所述左和右交指谐振器相互耦合。

采用该方案，采用上述结构的第一共面波导馈线与第二共面波导馈线，可使得电路结构更加紧凑。

进一步地，上述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导与所述输入输出端共面波导之间的夹角为120度。

采用该方案，120度角可以使信号流向平缓，电磁辐射和损耗较少。

进一步地，上述电路的长度为8.13mm，宽度为3.58mm，陶瓷基板的厚度为0.381mm，整个电路厚度为0.389。

采用该方案，通过上述参数可知，滤波器中的电路结构紧凑，滤波器体积小。

进一步地，上述陶瓷基板为Al₂O₃陶瓷基板。

采用该方案，氧化铝陶瓷材料具有较好的耐磨性，常温及高温的绝缘性,抗热冲击性，耐化学侵蚀性等。

进一步地，上述多个贯通的接地通孔的总数为54个。

采用该方案，选用54个接地通孔，其对应的通孔接地效果更好。

附图说明

图1为本实用新型中一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器的立体结构示意图；

图2为本实用新型中一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器的俯视图；

图3为本实用新型中基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器的高陡降度薄膜滤波器S参数(回波损耗S11和插入损耗S21)的仿真结果；

图4为本实用新型中几何长度对频率的影响示意图；

图5为本实用新型中馈线位置对驻波的影响示意图；

图6为本实用新型中九个终端短路的交指谐振器之间的间距对滤波器的驻波的影响示意图；

图7为本实用新型中交指谐振器宽度w1对带宽的影响示意图；

图8为本实用新型中交指谐振器间距S1对带宽的影响示意图；

图9为本实用新型中通孔数对滤波器性能的影响示意图。

附图1-2中，各标号所代表的结构列表如下：

1、第一共面波导馈线和第二共面波导馈线；2、九个终端短路的交指谐振器；3、多个贯通的接地通孔；101、输入输出端共面波导；102、主共面波导馈线；103、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导；104、微带面；201、左交指谐振器和右交指谐振器；202、7个中间交指谐振器。

具体实施方式

以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

需要说明的是，当一个零件或组件被认为是“连接”、“位于”、“装配”在另一个零件或组件上时，它可以是直接设置在另一个零件和组件上或者可能同时存在居中零件和组件。本文所使用的术语“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在一个具体实施方式中，如图1-2所示，一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，包括陶瓷基板，陶瓷基板的下一层为金属接地层，陶瓷基板的上一层包括九个终端短路的交指谐振器2形成的电路，基板周围设置有多个贯通的接地通孔3；

对于每个交指谐振器，交指谐振器包括短路端和开路端，九个交指谐振器2的短路端相互连接。

本实用新型提供的基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，由于是基于陶瓷基板形成的交指结构，其结构紧凑，体积小，另外，通过多个贯通的接地通孔可实现交指谐振器的终端短路，与传统交指谐振器在一端刻蚀接地通孔实现短路的方法相比，滤波器的陡降度进一步得到提升。

其中，如图1所示，上述电路为单层结构，且左右对称。陶瓷基板的上一层为微带结构，陶瓷基板的下一层为金属接地层。可选的，上述陶瓷基板为Al₂O₃陶瓷基板。氧化铝陶瓷材料具有较好的耐磨性，常温及高温的绝缘性，抗热冲击性，耐化学侵蚀性等。

可选的，上述九个交指谐振器2中包括一个左交指谐振器、一个右交指谐振器和七个中间交指谐振器202，左交指谐振器与第一共面波导馈线连接，右交指谐振器与第二共面波导馈线连接。

其中，如图1所示，上述电路主要包括2个部分：第一部分为用于与外电路连接的微带敷设的共面波导(CPW)馈线1，包括第一共面波导馈线和第二共面波导馈线；第二部分为用于产生滤波器通带特性的九个终端短路的交指谐振器2；陶瓷基板上刻蚀了用于实现交指谐振器终端短路的五十四个接地通孔3。

可选的，上述第一共面波导馈线与第二共面波导馈线结构相同，第一共面波导馈线包括输入输出端共面波导101、主共面波导馈线102、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导103和微带面104，上述输入输出端共面波导101包括第一中间微带线段和第一边缘槽线，上述第一中间微带线段的长度和第一边缘槽线的长度相同，上述主共面波导馈线102包括第二中间微带线段和第二边缘槽线，上述第二中间微带线段的长度和所述第二边缘槽线的长度相同，上述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导103包括第三中间微带线段和第三边缘槽线，上述第三中间微带线段的宽度渐变，上述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导103与所述输入输出端共面波导101之间存在夹角，微带面104与左右交指谐振器相互耦合。

采用上述结构的第一共面波导馈线与第二共面波导馈线，可使得电路结构更加紧凑。具体可参见图2所示的电路结构示意图，1为共面波导(第一共面波导馈线)，1包含输入输出端共面波导101、主共面波导(CPW)馈线102、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导103、微带面104。101为输入输出端的共面波导(CPW)，101包含101对应的中间微带线(第一中间微带线段)的长度为l₂，宽度为w₂，101的边缘槽线(第一边缘槽线)的宽度为s₆，长度与中间微带线(第一中间微带线段)的长度相同，102为主共面波导(CPW)馈线，102包含102的中间微带线(第二中间微带线段)的长度为l₄，宽度为w₄，102的边缘槽线(第二边缘槽线)的长度与中间微带线(第二中间微带线段)的长度相同，宽度与101边缘槽线的宽度相同；103包含103对应的中间微带线(第三中间微带线段)宽度渐变，103的边缘槽线(第三边缘槽线)，103与101成120度夹角，104为微带面，为图2中顶层边缘的整个金属面，微带面104用于接地，还用于与101、102、103共同组成CPW馈线(第一共面波导馈线)。

微带面104与九个终端短路的交指谐振器中左右两端的谐振器(左交指谐振器和右交指谐振器)相互耦合，耦合间距为s₅。图2中201表示九个终端短路的交指谐振器的左右谐振器，谐振器长度为p₁，宽度为w₁，可选的，上述左交指谐振器的开路端连接第一微带线，右交指谐振器的开路端连接第二微带线，第一微带线与左交指谐振器的开路端之间的夹角为90度，第二微带线与右交指谐振器的开路端之间的夹角为90度。左交指谐振器的开路端和右交指谐振器的开路端分别连接一条与其成90度的微带线，可用于改善驻波。第一微带线和第二微带线的长度均为l₃，宽度均为w₃；第一微带线和第二微带线分别与微带面104的耦合间距分别为x₆，s₇，x₉。

可选的，上述九个交指谐振器均为长度相同和宽度相同的交指谐振器，每两个中间交指谐振器之间的间距不相同，分别为s1、s2、s3、s4。

电路可以通过九个终端短路的交指谐振器的长度对滤波器的工作频带进行调整，改变九个终端短路的交指谐振器之间的间距可对滤波器的驻波进行调整，改变九个终端短路的交指谐振器的宽度以及谐振器之间的间距可以对滤波器的带宽进行调整，具有很高的设计灵活度，满足不同的需求。

具体可参见图2所示的电路图，其中，202为7个长度、宽度相同的终端短路的交指谐振器，即7个中间交指谐振器，每个交指谐振器的长度为p₁，宽度为w₁；九个终端短路的交指谐振器2之间的耦合间距分别为s₁、s₂、s₃、s₄。图2中3为五十四个尺寸相同的接地通孔，用于实现交指谐振器的终端短路，提高上边带陡降度，每个通孔直径为d₁，高度为H；通孔中心与陶瓷基板长边边缘的距离为x₁，通孔中心与微带面104边缘的距离为x₅，通孔中心与陶瓷基板的短边边缘的距离为y₃，通孔中心与第一中间微带线段101的边缘槽线的距离为x₃。

可选的，上述电路的长度为8.13mm，宽度为3.58mm，陶瓷基板的厚度为0.381mm，整体电路的厚度为0.389mm。通过上述参数可知，滤波器中的电路结构紧凑，滤波器体积小。

为了更好的理解本实用新型的方案，下面结合图1至图7对上述一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器进行更详细的说明。

在本示例中，基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器包括陶瓷基板，基板的材料为Al2O3陶瓷基板，其厚度为0.381mm，介电常数为9.8；陶瓷基板的下一层为金属接地层，其厚度为0.004mm，陶瓷基板的上一层包括九个终端短路的交指谐振器形成的电路，上一层的厚度为0.004mm；基板周围设置有54个贯通的接地通孔；整体电路的长度为L＝8.13mm，宽度为W＝3.58mm。

对于每个交指谐振器，交指谐振器包括短路端和开路端，九个交指谐振器的短路端相互连接，九个终端短路的交指谐振器用于产生滤波器的通带特性，贯通上下层的五十四个接地通孔实现交指谐振器的终端短路，九个终端短路的交指谐振器的左右两端的谐振器(左交指谐振器和右交指谐振器)分别与输入、输出共面波导(CPW)馈线相连，即左交指谐振器与第一共面波导馈线连接，右交指谐振器与第二共面波导馈线连接，九个短路的交指谐振器均为一端短路、一端开路、长度为中心频率处对应的波长的1/4：波长＝波速/中心频率，波长减小，中心频率增大。

上述左交指谐振器的开路端连接第一微带线，右交指谐振器的开路端连接第二微带线，第一微带线与左交指谐振器的开路端之间的夹角为90度，第二微带线与右交指谐振器的开路端之间的夹角为90度。九个终端短路的交指谐振器的短路端相互连接，用于改善滤波器的陡降度。

具体可参见图2，202为7个长度、宽度相同的终端短路的交指谐振器，即7个中间交指谐振器，每个交指谐振器的长度为p₁，宽度为w₁；九个终端短路的交指谐振器2之间的耦合间距分别为s₁、s₂、s₃、s₄。图2中3为五十四个尺寸相同的接地通孔，用于实现交指谐振器的终端短路，提高上边带陡降度，每个通孔直径为d₁，高度为H；通孔中心与陶瓷基板长边边缘的距离为x₁，通孔中心与微带面104边缘的距离为x₅，通孔中心与陶瓷基板的短边边缘的距离为y₃，通孔中心与第一中间微带线段101的边缘槽线的距离为x₃。

其中，对于常规的交指结构，终端短路是通过在交指微带线的一端打接地通孔，从而使交指微带线的此端接地，实现短路。本方案是在具有用微带敷设的共面波导(CPW)馈线的基板边缘打54个接地通孔，实现CPW边缘微带的接地，并且交指微带线的一端交替与CPW馈线边缘微带连接，从而实现交指微带线的一端接地。

1为共面波导(第一共面波导馈线)，1包含输入输出端共面波导101、主共面波导(CPW)馈线102、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导103、微带面104。101为输入输出端的共面波导(CPW)，101包含101对应的中间微带线(第一中间微带线段)的长度为l₂，宽度为w₂，101的边缘槽线(第一边缘槽线)的宽度为s₆，长度与中间微带线(第一中间微带线段)的长度相同，102为主共面波导(CPW)馈线，102包含102的中间微带线(第二中间微带线段)的长度为l₄，宽度为w₄，102的边缘槽线(第二边缘槽线)的长度与中间微带线(第二中间微带线段)的长度相同，宽度与101边缘槽线的宽度相同；103包含103对应的中间微带线(第三中间微带线段)宽度渐变，103的边缘槽线(第三边缘槽线)，103与101成120度夹角，104为微带面，用于与101、102、103共同组成CPW馈线(第一共面波导馈线)。

本示例中，以上几何参数的具体数值如下：w₁＝0.55mm，w₂＝0.12mm，w₃＝0.13mm，w₄＝0.4mm；l₁＝1.0mm，l₂＝0.5mm，l₃＝0.48，l₄＝0.3mm；s₁＝0.08mm，s₂＝0.15mm，s₃＝0.18mm，s₄＝0.18mm，s₅＝0.08mm，s₆＝0.05mm，s₇＝0.05mm；p₁＝2.55mm，p₂＝1mm；x₁＝0.1mm，x₃＝0.25mm，x₅＝0.35mm，x₆＝0.13mm，x₉＝0.25mm；y₃＝0.05mm；d₁＝0.25mm；H＝0.389。

基于本示例中的滤波器进行工作，可参见图3所示的回波损耗S₁₁和插入损耗S₂₁仿真结果，如图3所示，横轴为频率，单位为GHz，纵坐标为S参数(损耗)，滤波器的工作频段为8.0-12.5GHz，相对带宽45％，通带内回波损耗S11优于-15dB，插入损耗S21优于-0.6dB；带内有9个传输极点；上阻带产生了一个传输零点，位于13.3GHz，达到了-48dB；带外抑制优于-40dB，上边带陡降度较好，体现了良好的电路性能。本实用新型设计的基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，可应用于8.0-12.5GHz频段，分数带宽为45％，属于宽带范畴；中心插损0.6，损耗较小；滤波器上边带陡降度好。

综上，通过本实用新型的方案的显著优点是：可以实现8.0-12.5GHz频段的宽带滤波特性，滤波器上边带陡降度好，可以实现好的滤波特性。进一步地，电路的输入输出端口的特性阻抗均为标准的50Ω，电路可以通过九个终端短路的交指谐振器的几何长度对滤波器的工作频带进行调整，其中，交指谐振器的几何长度为：中心频率处对应的波长的1/4；而波长＝波速/中心频率，则波速固定，几何长度增加，波长增加，频率减小，因此，基于几何长度可对滤波器的工作频带进行调整。

改变九个终端短路的交指谐振器之间的间距以及输入输出馈线的位置对滤波器的驻波进行调整，改变九个终端短路的交指谐振器的几何宽度以及谐振器之间的间距对滤波器的带宽进行调整，具有很高的设计灵活度。电路总体尺寸为8.13mm×3.58mm×0.389mm，相比其它微波滤波器，结构更加紧凑。在滤波器结构参数设置相同时，本实用新型在上边带的陡降度比传统结构滤波器的上边带陡降度性能更好。

作为一个示例，参见附图4至附图9，图4示出了几何长度对频率的影响，图4的横轴为频率，纵轴为S21(插入损耗)，由图4可知，随着交指谐振器的几何长度的增加，频率降低，由此，可以通过调节交指结构的几何长度来调节来调节滤波器的工作频率。图5示出了馈线位置对驻波的影响，图5的横轴为频率，纵轴为VSWR(驻波)，由图5可知，通过调节输入输出馈线的位置可以对滤波器的驻波进行调整，馈线位置为1时驻波较好。图6示出了交指谐振器间距S1对驻波的影响，图6的横轴为频率，纵轴为VSWR(驻波)，由图6可知，通过调节九个终端短路的交指谐振器之间的间距可以对滤波器的驻波进行调整，间距为0.08时驻波较好。图7示出了交指谐振器宽度w1对带宽的影响，图7的横轴为频率，纵轴为S21(插入损耗)，由图7可知，通过调节九个终端短路的交指谐振器的宽度可以对滤波器的带宽进行调整。图8示出了交指谐振器间距S1对带宽的影响，图8的横轴频率，纵轴为S21(插入损耗)，由图8可知，九个终端短路的交指谐振器之间的间距增加，下阻带曲线向通带内侧收，导致带宽减小。由此可知，谐振器间距增加，带宽减小。图9示出了通孔数对滤波器性能的影响，图9的横轴频率，纵轴为S参数，由图9可知，通孔数为54时，上阻带陡降度更好。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本实用新型；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种基于交指结构的高陡降度薄膜滤波器，其特征在于，包括：陶瓷基板，所述陶瓷基板的下一层为金属接地层，所述陶瓷基板的上一层包括九个终端短路的交指谐振器形成的电路，所述陶瓷基板周围设置有多个贯通的接地通孔；

对于每个所述交指谐振器，所述交指谐振器包括短路端和开路端，九个所述交指谐振器的短路端相互连接。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，九个所述交指谐振器中包括一个左交指谐振器、一个右交指谐振器和七个中间交指谐振器，所述左交指谐振器与第一共面波导馈线连接，所述右交指谐振器与第二共面波导馈线连接。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述左交指谐振器的开路端连接第一微带线，所述右交指谐振器的开路端连接第二微带线，所述第一微带线与所述左交指谐振器的开路端之间的夹角为90度，所述第二微带线与所述右交指谐振器的开路端之间的夹角为90度。

4.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，九个所述交指谐振器均为长度相同和宽度相同的交指谐振器，每两个所述中间交指谐振器之间的间距不相同。

5.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，所述第一共面波导馈线与所述第二共面波导馈线结构相同，所述第一共面波导馈线包括输入输出端共面波导、主共面波导馈线、用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导和微带面，所述输入输出端共面波导包括第一中间微带线段和第一边缘槽线，所述第一中间微带线段的长度和所述第一边缘槽线的长度相同，所述主共面波导馈线包括第二中间微带线段和第二边缘槽线，所述第二中间微带线段的长度和所述第二边缘槽线的长度相同，所述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导包括第三中间微带线段和第三边缘槽线，所述第三中间微带线段的宽度渐变，所述共面波导与所述输入输出端共面波导之间存在夹角，所述微带面与所述左交指谐振器和右交指谐振器相互耦合。

6.根据权利要求5所述的滤波器，其特征在于，所述用于连接输入输出端共面波导和主共面波导馈线的渐变共面波导与所述输入输出端共面波导之间的夹角为120度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述电路的长度为8.13mm，宽度为3.58mm，所述陶瓷基板的厚度为0.381mm，所述电路的整体厚度为0.389。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述陶瓷基板为Al2O3陶瓷基板。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的滤波器，其特征在于，多个所述贯通的接地通孔的总数为54个。