TW201414194A - 帶通濾波器 - Google Patents

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Abstract

一種帶通濾波器，其包括一雙層電路板、一輸入端、一輸出端以及多個共振單元。其中，雙層電路板具有第一導線層與第二導線層，其中第一導線層包括接地金屬層。此接地金屬層具有一或多個貫孔以連接至第二導線層的接地層。輸入端設置於第一導線層，用以接收訊號。輸出端設置於第一導線層，用以輸出進行濾波處理後的訊號。多個共振單元分別設置於第一導線層與第二導線層，其中共振單元的個數為N個，且N為大於或等於3的正整數。

Description

帶通濾波器
本發明是有關於一種電磁輻射防制技術，且特別是有關於一種帶通濾波技術。
近年來，隨著行動通訊技術地快速發展，微波通訊產業也相對地蓬勃發展，所以在高頻電路設計的重要性也不容忽視。對於無線射頻末端電路和通訊系統來說，帶通濾波器為行動通訊產品中必備的高頻元件之一。圖1繪示為現有一種平行耦合微帶線帶通濾波器(Parallel Coupled Microstrip Band-pass Filter)的示意圖。請參照圖1，帶通濾波器10係設置於基板12上，其包括輸入端110、輸出端120以及多個共振器(Resonator)130。
圖1所示之帶通濾波器10為一種常見之帶通濾波器設計，其應用原理簡單，成本較低，但須耗費較大的電路尺寸面積。因此，改良的設計是將輸入端110及輸出端120之間的共振器130彎折成髮夾型(Hairpin)。圖2繪示為現有一種髮夾型帶通濾波器的示意圖。請參照圖2，帶通濾波器20設置於基板22上，其包括輸入端210、輸出端220以及多個共振器230。帶通濾波器20既保有原來帶通濾波器10的功能，又可以有效降低電路板的面積。
平行耦合微帶線帶通濾波器和髮夾型帶通濾波器在輸入端及輸出端有許多互相平行的共振器，透過這些共振 器相互地耦合，而使得整個濾波器具有帶通的功能。然而，上述兩種帶通濾波器的共同問題是具有諧波(harmonics)的雜訊問題。圖3繪示為一種經電磁模擬所得之髮夾型帶通濾波器的頻率響應示意圖。請參照圖3，由於倍數諧波的頻率(i.e. 2f0、3f0、4f0、5f0、6f0)都高於原來帶通濾波的頻率(i.e. f0)，習知為了去除諧波雜訊的干擾，通常須再串接低通濾波器(low-pass filter)，以去除帶通濾波器在高頻產生之雜訊。如此一來，設計與製造成本將大幅提升。
有鑑於此，本發明提供一種帶通濾波器，在原有電路尺寸面積不更動的前提下，保有良好的帶通濾波功能，並且能有效抑制高頻的諧波雜訊問題。
本發明提出一種帶通濾波器，其包括一雙層電路板、一輸入端、一輸出端以及多個共振單元。其中，雙層電路板具有第一導線層與第二導線層，其中第一導線層包括接地金屬層，此接地金屬層具有一或多個貫孔以連接至第二導線層的接地層。輸入端設置於第一導線層，用以接收訊號。輸出端設置於第一導線層，用以輸出進行濾波處理後的訊號。多個共振單元分別設置於第一導線層與第二導線層，其中共振單元的個數為N個，且N為大於或等於3的正整數。
在本發明之一實施例中，上述之共振單元當中的第一 共振單元直接連接至輸入端；上述之共振單元當中的第二共振單元直接連接至該輸出端，且第一共振單元與第二共振單元皆設置於第一導線層。
在本發明之一實施例中，上述之未直接連接於輸入端或輸出端的每一共振單元係交錯設置於第一導線層與第二導線層。
在本發明之一實施例中，上述之共振單元包括一第一導線、一第二導線以及一接合導線，其第一導線平行於第二導線，且接合導線垂直相連於第一導線及第二導線。
在本發明之一實施例中，上述之設置於第一導線層且未直接連接於輸入端或輸出端的每一共振單元更包括設置於接合導線上的一貫孔，用以連接至第二導線層的接地層。
在本發明之一實施例中，上述之設置於第一導線層的每一共振單元的貫孔更設置於接合導線的中心位置處。
在本發明之一實施例中，上述之設置於第二導線層的每一共振單元更包括設置於接合導線上的一貫孔，用以連接至第一導線層的接地金屬層。
在本發明之一實施例中，上述之設置於第二導線層的每一共振單元的貫孔更設置於接合導線的中心位置處。
基於上述，本發明所提供之帶通濾波器在輸入端及輸出端之間的共振單元係於雙面板的不同導線層之間形成耦合結構，透過貫孔位置之設計，使其仍然保有微帶線的結構而具有帶通濾波功能，並且能有效抑制高頻的諧波雜訊問題。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖4是依照本發明一實施例所繪示之帶通濾波器的立體示意圖。請參照圖4，帶通濾波器40包括雙層電路板42、輸入端410、輸出端420以及多個共振單元431~435。其中，雙層電路板(或稱為雙面板)42具有第一導線層421與第二導線層422，其分別位於雙層電路板42的上層及下層。在本實施例中，共振單元431~435分別設置於第一導線層421與第二導線層422。須說明的是，本發明之共振單元的個數可為N個，且N為大於或等於3的正整數即可。
為了仔細說明第一導線層421與第二導線層422的電路設計，以下將分別以圖5A及圖5B進行詳細說明。圖5A是依照本發明一實施例所繪示之第一導線層421的示意圖。請參照圖5A，第一導線層421包括輸入端410、輸出端420、共振單元431、433、435以及接地金屬層ML。詳細地說，輸入端410直接連接於共振單元431，用以接收訊號；輸出端420則直接連接於共振單元435，用以輸出進行濾波處理後的訊號。共振單元431、433、435皆具有相同或類似的結構，故以下以共振單元433為代表來詳細說明其結構。
共振單元433包括第一導線L1、第二導線L2以及接合導線L3。其中，第一導線L1、第二導線L2以及接合導 線L3例如是微帶線(Microstrip)傳輸線。第一導線L1平行於第二導線L2，且接合導線L3垂直相連於第一導線L1及第二導線L2，而形成如髮夾型之電路結構，且開口朝向y軸正向之方向。須注意的是，共振單元433與共振單元431、435不同的地方在於共振單元433的接合導線L3上還具有貫孔VA3。其中，貫孔VA3可設置於接合導線L3上的任一位置，在本實施例中，貫孔VA3係設置於接合導線L3的中心位置處。
第一導線層421具有接地金屬層ML，且接地金屬層ML至少包括一貫孔VA1以連接至第二導線層422，本發明並不限定貫孔VA1的位置。在本實施例中，接地金屬層ML還包括貫孔VA2、VA4。須說明的是，本發明並不限定接地金屬層ML的貫孔個數，其可由本領域具通常知識者依據實際應用情況設定之。貫孔係為充滿或塗上金屬的小洞，它可以讓雙面電路板上兩面的導線互相連接。換句話說，貫孔即為電路間的橋樑，使得導線可以在雙面電路板不同的兩面互相交錯，適合用在複雜的電路佈線設計上。
圖5B是依照本發明一實施例所繪示之第二導線層422的示意圖。以下請配合參照圖5B與圖5A。第二導線層422包括共振單元432、434以及接地層GL。
詳細地說，共振單元432、434與共振單元433具有相同或類似的結構，在此不贅述，其差別僅在於共振單元432、434係為開口朝向y軸負向之方向的髮夾型電路設計。並且，在第二導線層422中的每一共振單元皆具有貫 孔，以連接至第一導線層421中的接地金屬層ML。舉例來說，本實施例之共振單元432在其接合導線的中心位置處具有貫孔VB2，貫孔VB2與第一導線層421中的貫孔VA2相連而可連接至接地金屬層ML。共振單元434在其接合導線的中心位置處具有貫孔VB4，貫孔VB4與第一導線層421中的貫孔VA4相連而可連接至接地金屬層ML。
本實施例之接地層GL還包括貫孔VB1、VB3。其中，貫孔VB1係與第一導線層421的貫孔VA1相連，使得接地層GL與接地金屬層ML可互相連接。貫孔VB3係與共振單元433的貫孔VA3相連，使得共振單元433可連接至接地層GL。
為了更清楚說明第一導線層421與第二導線層422之電路佈局的對應關係，圖6繪示為依照圖4之A-A’線的剖面示意圖。請配合參照圖4至圖6，雙層電路板42的上層即為第一導線層421；雙層電路板42的下層即為第二導線層422。如圖6所示，共振單元431~435交錯設置於第一導線層421與第二導線層422。且第一導線層421具有接地金屬層ML；第二導線層422具有接地層GL。
圖4至圖6所示之帶通濾波器40具有單數個共振單元，以下則另舉具有雙數個共振單元的帶通濾波器之實施例，作為本發明確實可據以實施的範例。
圖7是依照本發明另一實施例所繪示之帶通濾波器的立體示意圖。請參照圖7，帶通濾波器70包括雙層電路板72、輸入端710、輸出端720以及多個共振單元731~734。 其中，雙層電路板72具有第一導線層721與第二導線層722，其分別位於雙層電路板72的上層及下層。在本實施例中，共振單元731~734分別設置於第一導線層421與第二導線層422。
圖8A是依照本發明另一實施例所繪示之第一導線層721的示意圖。請參照圖8A，第一導線層721包括輸入端710、輸出端720、共振單元731、733、734以及接地金屬層ML。詳細地說，輸入端710直接連接於共振單元731，用以接收訊號；輸出端720則直接連接於共振單元734，用以輸出進行濾波處理後的訊號。共振單元731、733、734皆具有相同或類似的結構，故以下將以共振單元733為代表來詳細說明其結構。
共振單元733包括第一導線L4、第二導線L5以及接合導線L6。其中，第一導線L4、第二導線L5以及接合導線L6例如是微帶傳輸線。第一導線L4平行於第二導線L5，且接合導線L3垂直相連於第一導線L4及第二導線L5，而形成如髮夾型之電路結構，且開口朝向y軸正向之方向。在本實施例中，共振單元733與共振單元731、734不同的地方在於共振單元733的接合導線L6上還具有貫孔VA7。其中，貫孔VA7可設置於接合導線L3上的任一位置，在本實施例中，貫孔VA3例如是設置於接合導線L6的中心位置處。分別與輸入端710、輸出端720連接的共振單元731、734則不具有貫孔。在本實施例中，共振單元731的開口方向與共振單元733相同；共振單元734的 開口方向則與共振單元733相反。
第一導線層721包括接地金屬層ML，且接地金屬層ML至少包括一貫孔VA5以連接至第二導線層722，本發明並不限定貫孔VA5的位置。在本實施例中，接地金屬層ML還包括貫孔VA6。
圖8B是依照本發明另一實施例所繪示之第二導線層722的示意圖。以下請配合參照圖8B與圖7A。第二導線層722包括共振單元7327以及接地層GL。
詳細地說，共振單元732與共振單元733具有相同或類似的結構，在此不贅述，其差別僅在於共振單元732係為開口朝向y軸負向之方向的髮夾型電路設計。並且，共振單元732在其接合導線的中心位置處具有貫孔VB6，貫孔VB6與第一導線層721中的貫孔VA6相連而可連接至接地金屬層ML。本實施例之接地層GL還包括貫孔VB5、VB7。其中，貫孔VB5係與第一導線層721的貫孔VA5相連，使得接地層GL與接地金屬層ML可互相連接。貫孔VB7係與共振單元733的貫孔VA7相連，使得共振單元733可連接至接地層GL。
為了更清楚說明第一導線層721與第二導線層722之電路佈局的對應關係，圖9繪示為依照圖7之B-B’線的剖面示意圖。請配合參照圖7至圖9，雙層電路板72的上層即為第一導線層721；雙層電路板72的下層即為第二導線層722。如圖9所示，未與輸入端710、輸出端720直接連接的共振單元732~733交錯設置於第一導線層721與第二 導線層722。且第一導線層721具有接地金屬層ML；第二導線層722具有接地層GL。
圖10繪示為依據圖2之帶通濾波器20與圖4之帶通濾波器40經電磁模擬所得的頻率響應比較示意圖。請參照圖10，圖中橫軸代表通過本實施例之帶通濾波器20、40的訊號的頻率(單位：GHz)；縱軸代表幅度(單位：dB)。曲線CurA繪示為本發明圖4之帶通濾波器40的順向傳輸係數的幅度(|S21|)。曲線CurB繪示為圖2之帶通濾波器20的順向傳輸係數的幅度(|S21|)。
如圖10所示，本發明之帶通濾波器40具有良好的帶通濾波器性能，此外，由虛線d所圈選的部份可看出：帶通濾波器20的|S21|受到二次諧波的干擾嚴重；相反地，帶通濾波器40的|S21|在二次諧波處的雜訊大幅度下降。藉由本發明之帶通濾波器40的雙層電路板以及貫孔的設計，可有效減少帶通濾波器在高頻所產生諧波雜訊的干擾問題。
綜上所述，本發明之帶通濾波器在輸入端與輸出端之間的共振單元係於雙面板的不同導線層之間形成耦合結構，但共振單元的相鄰電路皆可連接至接地層，使其仍然保有微帶線的結構。據此，本發明之帶通濾波器相較於平行耦合微帶線帶通濾波器，不僅能有效降低電路板的尺寸面積，還能保有良好的帶通濾波功能。除此之外，本發明之帶通濾波器還能有效抑制高頻的諧波雜訊問題，不須再串接低通濾波器來濾除諧波雜訊，因此可降低設計與製造成本。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20、40、70‧‧‧帶通濾波器
12、22‧‧‧基板
110、210、410、710‧‧‧輸入端
120、220、420、720‧‧‧輸出端
130、230‧‧‧共振器
42、72‧‧‧雙層電路板
421、721‧‧‧第一導線層
422、722‧‧‧第二導線層
431~435、731~734‧‧‧共振單元
d‧‧‧虛線
A-A’、B-B’‧‧‧剖面線
CurA、CurB‧‧‧曲線
GL‧‧‧接地層
L1‧‧‧第一導線
L2‧‧‧第二導線
L3‧‧‧接合導線
ML‧‧‧接地金屬層
VA1~VA7、VB1~VB7‧‧‧貫孔
圖1繪示為現有一種平行耦合微帶線帶通濾波器的示意圖。
圖2繪示為現有一種髮夾型帶通濾波器的示意圖。
圖3繪示為一種經電磁模擬所得之髮夾型帶通濾波器的頻率響應示意圖。
圖4是依照本發明一實施例所繪示之帶通濾波器的立體示意圖。
圖5A是依照本發明一實施例所繪示之第一導線層421的示意圖。
圖5B是依照本發明一實施例所繪示之第二導線層422的示意圖。
圖6繪示為依照圖4之A-A’線的剖面示意圖。
圖7是依照本發明另一實施例所繪示之帶通濾波器的立體示意圖。
圖8A是依照本發明另一實施例所繪示之第一導線層721的示意圖。
圖8B是依照本發明另一實施例所繪示之第二導線層722的示意圖。
圖9繪示為依照圖7之B-B’線的剖面示意圖。
圖10繪示為依據圖2之帶通濾波器20與圖4之帶通濾波器40經電磁模擬所得的頻率響應比較示意圖。
40‧‧‧帶通濾波器
42‧‧‧雙層電路板
410‧‧‧輸入端
420‧‧‧輸出端
421‧‧‧第一導線層
422‧‧‧第二導線層
431~435‧‧‧共振單元
A-A’‧‧‧剖面線

Claims (8)

  1. 一種帶通濾波器，包括：一雙層電路板，具有一第一導線層與一第二導線層，其中該第一導線層包括一接地金屬層，該接地金屬層具有至少一貫孔以連接至該第二導線層的一接地層；一輸入端，設置於該第一導線層，用以接收一訊號；一輸出端，設置於該第一導線層，用以輸出進行濾波後的該訊號；以及多個共振單元，分別設置於該第一導線層與該第二導線層，該些共振單元的個數為N個，其中N為大於或等於3的正整數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之帶通濾波器，其中該些共振單元中的一第一共振單元直接連接至該輸入端，該些共振單元中的一第二共振單元直接連接至該輸出端，且該第一共振單元與該第二共振單元設置於該第一導線層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之帶通濾波器，其中未直接連接於該輸入端或該輸出端的各該共振單元交錯設置於該第一導線層與該第二導線層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之帶通濾波器，其中各該共振單元包括一第一導線、一第二導線以及一接合導線，其中該第一導線平行於該第二導線，且該接合導線垂直相連於該第一導線及該第二導線。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之帶通濾波器，其中設置於該第一導線層且未直接連接於該輸入端或該輸出端的 各該共振單元更包括：一貫孔，設置於該接合導線，用以連接至該第二導線層的該接地層。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之帶通濾波器，其中設置於該第一導線層的各該共振單元的該貫孔更設置於該接合導線的中心位置處。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之帶通濾波器，其中設置於該第二導線層的各該共振單元更包括：一貫孔，設置於該接合導線，用以連接至該第一導線層的該接地金屬層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之帶通濾波器，其中設置於該第二導線層的各該共振單元的該貫孔更設置於該接合導線的中心位置處。
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