TWI523416B

TWI523416B - 埋藏式多頻帶通濾波器

Info

Publication number: TWI523416B
Application number: TW103110648A
Authority: TW
Inventors: 吳宏偉; 陳冠勳
Original assignee: 崑山科技大學
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2016-02-21
Also published as: TW201537892A

Description

埋藏式多頻帶通濾波器

【0001】

本發明是有關於一種埋藏式多頻帶通濾波器，特別是有關於一種以緊湊結構達到多頻帶通濾波功能之埋藏式多頻帶通濾波器。

【0002】

在無線通訊技術發展蓬勃的現在，許多方便的無線通訊系統陸續被發展出來，例如無線區域網路(wireless LAN)、個人無線通訊系統(personal communication system)及行動衛星通信系統(mobile satellite communication system)等。因此，個人行動裝置能對應不同通訊系統已成為行動裝置的必備功能。由於通信元件中的射頻元件、天線或濾波器皆要根據所應用的頻率範圍做設計，而各通訊系統皆有自己使用的頻率範圍，故隨所使用的頻率變多，個人行動裝置勢必也要包含越來越多的通訊元件。然而，行動裝置的體積及輸出功能都是有限的，因此，如何在此限制下達到上述多功/多頻通信功能已成為目前重要的研究課題之一。

【0003】

在濾波器方面，平面式帶通濾波器(planar bandpass filter)是用於前端系統的重要元件之一，而其中步階式阻抗共振器(stepped impedance resonator, SIR)技術已廣泛地用於使平面式帶通濾波器有效地縮小尺寸並同時具有多頻帶帶通功能。目前，已有許多研究提出使用步階式阻抗共振器於雙頻或三頻帶通濾波器中。然而，大部分研究所提出的結構中，不同頻率各需要二或多個共振器達到多頻帶通功能，總體來看，此類多頻帶通濾波器的尺寸過大而不敷實際使用需要。

【0004】

最近，對於三通濾波器，存根負載共振器(stub-loaded resonator)之結構被提出。然而，當在選擇所對應頻帶時，其設計自由度限制較多，且其電路尺寸還是過大，其較寬的阻帶(stopband)也是個問題。使用於雙通濾波器之開路環狀共振器雖可藉由不使用外在阻抗變壓器而縮小尺寸，但犧牲了良好的帶通選擇性。

【0005】

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種埋藏式多頻帶通濾波器，以解決進行不同頻率濾波時濾波器所佔空間過大之問題。

【0006】

根據本發明之一目的，提出一種埋藏式多頻帶通濾波器，埋藏式多頻帶通濾波器包含基板、配置於基板上之第一共振器以及配置於基板上第二共振器。第一共振器包含結構上結合於彼此之複數個第一步階式阻抗共振器。第二共振器包含結構上結合於彼此之複數個第二步階式阻抗共振器。第一共振器與第二共振器分別藉由複數個第一步階式阻抗共振器及複數個第二步階式阻抗共振器在彼此之間形成複數個共振路徑，各共振路徑對應不同之共振模態頻率，且複數個共振路徑共用第一共振器與第二共振器之部份結構。

【0007】

較佳者，其中第一共振器與第二共振器之末端可互相結合，且其結合處可具有通孔結構。

【0008】

較佳者，其中埋藏式多頻帶通濾波器可進一步包含設置於基板上之第一共振器側並為環繞該第一共振器之形狀以輸入與輸出電磁信號之第一信號饋入端，以及設置於基板上之第二共振器側並為環繞第二共振器之形狀以輸入與輸出電磁信號之第二信號饋入端。

【0009】

較佳者，其中第一共振器與第二共振器可為分枝結構，且部分之複數個第一步階式阻抗共振器及複數個第二步階式阻抗共振器連接於分枝結構之分支上。

【0010】

較佳者，其中埋藏式多頻帶通濾波器可具有1.575GHz、2.45GHz及3.5GHz之共振模態頻率之共振路徑。

【0011】

較佳者，其中基板可選用介電常數為2.2、基板高度為0.787mm與損失正切為0.0009之基板。

【0012】

承上所述，依本發明之埋藏式多頻帶通濾波器，其可具有一或多個下述優點：

【0013】

（1）此埋藏式多頻帶通濾波器可藉由共用共振器結構之共振通道，藉此可使整體埋藏式多頻帶通濾波器之結構緊湊化並減少設置所需面積。

【0014】

（2）此埋藏式多頻帶通濾波器可藉由包含通孔結構，藉此可使低頻共振模態所需的結構長度進一步減少。

【0015】

（3）此埋藏式多頻帶通濾波器可藉由共振器之分枝結構及前述通孔結構，藉此增加設計濾波器時可調變之獨立參數而使埋藏式多頻帶通濾波器之設計與應用更有彈性。

【0034】

100、200‧‧‧基板
110、210‧‧‧第一共振器
120、220‧‧‧第二共振器
130、230‧‧‧第一訊號饋入端
140、240‧‧‧第二訊號饋入端
250‧‧‧通孔結構
112、113、114、212、213、214‧‧‧第一步階式阻抗共振器
122、123、124、222、223、224‧‧‧第二步階式阻抗共振器
10、30‧‧‧第一共振路徑
20、40‧‧‧第二共振路徑
50‧‧‧第三共振路徑
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8‧‧‧長度
W1、W2、W3‧‧‧寬度
S1、S2、S3、S4‧‧‧間隙尺寸
S11、S12‧‧‧S參數

【0016】

第1A圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第一實施例之結構示意圖。
第1B圖及第1C圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第一實施例之個別共振通道示意圖。
第2A圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之結構示意圖。
第2B圖至第2D圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之個別共振通道示意圖。
第3圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之模擬及實踐結果之頻率響應圖。
第4A圖、第4B圖及第4C圖係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之個別改變頻率位置之頻率響應圖。

【0017】

為利　貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係侷限本發明於實際實施上的專利範圍，合先敘明。

【0018】

以下將參照相關圖式，說明依本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

【0019】

請參閱第1A圖、第1B圖及第1C圖，其係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第一實施例之結構示意圖及個別共振通道示意圖。第1A圖中，埋藏式多頻帶通濾波器包含基板100、配置於基板100上之第一共振器110以及配置於基板100上第二共振器120。第一共振器110包含結構上結合於彼此之複數個第一步階式阻抗共振器112、113及114。第二共振器120包含結構上結合於彼此之複數個第二步階式阻抗共振器122、123及124。第一共振器110與第二共振器120分別藉由複數個第一步階式阻抗共振器112、113及114及複數個第二步階式阻抗共振器122、123及124在彼此之間形成如第1B圖及第1C圖中所示之複數個共振路徑10及20，共振路徑10及20和對應不同之共振模態頻率，且複數個共振路徑10及20共用第一共振器110與第二共振器120之部份結構。第一實施例之結構為左右對稱，如對於第1A圖中之虛線部分對稱，各部位之長度L1、L2、L3、L5、L6、L7及L8；寬度W1、W2及W3以及間隙尺寸S1、S2及S3同時標示於第1A圖中。

【0020】

大致上，本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之主要特徵即是藉由使不同共振模態之共振路徑共用結構而達到結構緊湊化的效果。具體來說，如第1A圖所示，本發明之第一實施例之埋藏式多頻帶通濾波器包含分別於圖示左右側之第一共振器110及第二共振器120。其中第一共振器110之第一步階式阻抗共振器112及114與第一共振器110之長度L2及L3部分與第二共振器120之第二步階式阻抗共振器122及124以及第一共振器110之長度L2及L3部分可形成第一共振路徑10，如第1B圖中所示；而第一共振器110之第一步階式阻抗共振器112及113以及第一共振器110之長度L2部分與第二共振器120之第二步階式阻抗共振器122及123以及第二耦合線120之長度L2部分可形成第二共振路徑20，如第1C圖中所示。由說明可知，第一共振路徑10與第二共振路徑20共用了第一步階式阻抗共振器112及第二步階式阻抗共振器122以及第一共振器110及第二共振器120之長度L2部份。傳統多通帶埋藏式多頻帶通濾波器對個別共振模態之通帶需要個別之共振路徑，一般而言要形成兩個共振模態之共振路徑就需要兩個共振器，相較之下，本發明之第一實施例之埋藏式多頻帶通濾波器有四個共振模態，卻只用到了約兩個一般共振器所需之面積而非四個，更精確的說，本發明之第一實施例之埋藏式多頻帶通濾波器將原先四個共振器之結構合併為兩個，故實質上有四個共振器之功效，卻只佔用了約兩個共振器之所需面積，從而達到具有緊湊結構的埋藏式多頻帶通濾波器之功能。

【0021】

請參閱第2A圖至第2D圖，其係為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之結構示意圖及個別共振通道示意圖。第2A圖中，埋藏式多頻帶通濾波器具有第1A圖中的埋藏式多頻帶通濾波器結構，如第一共振器210及第二共振器220，各包含複數個第一步階式阻抗共振器212、213及214以及複數個第二步階式阻抗共振器222、223及224。與第1A圖中結構不同之處在於，第一共振器210與第二共振器220之末端可互相結合，且其結合處可具有通孔結構250。第二實施例之結構也為左右對稱，如對於第2A圖中之虛線部分對稱，各部位之長度L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7及L8；寬度W1、W2及W3以及間隙尺寸S1、S2及S3標示於第2A圖中，其中比第1A圖多出了第一共振器210與第二共振器220之末端部分之長度L4。第2B圖及第2C圖之第一及第二共振路徑30及40類似於第1B圖及第1C圖之第一及第二共振路徑10及20，而第2D圖為藉由通孔結構250造成的第三共振路徑50。

【0022】

此實施例之第一及第二共振路徑30及40之形成類似於第一實施例之第一及第二共振路徑10及20，故不在此贅述。而第三共振路徑50是藉由第一及第二共振器210及220之部份結構與結合處之接地之通孔結構250形成，其還包含第一共振器210之第一步階式阻抗共振器212與第一共振器210之長度L2、L3及L4部分，以及第二共振器220之第二步階式阻抗共振器222與第二共振器220之長度L2、L3及L4部分。一般而言，步階式阻抗共振器(SIR)之共振路徑結構如第一共振路徑30及第二共振路徑40，其尺寸大致由所傳播之電磁之半波長決定，然而，例如第三共振路徑50之利用接地通孔結構250之共振結構其尺寸可大約為所傳播之電磁波之四分之一波長而已。因此，利用通孔結構250之埋藏式多頻帶通濾波器可進一步微縮尺寸，或是在一定的尺寸下產生更低頻之共振路徑。此外，第三共振路徑50也與第一共振路徑30共用第一步階式阻抗共振器212及第二步階式阻抗共振器222以及第一及第二共振器210及220之長度L2及L3部份，而與第二共振路徑40共用第一步階式阻抗共振器212及第二步階式阻抗共振器222以及第一及第二共振器210及220之長度L2部分。另一方面，此種藉由通孔結構250結合第一及第二共振器212及222之方式也具有增加設計濾波器之自由度之優點，將於之後詳細敘述。

【0023】

請再參閱第1A或第2A圖。圖中，埋藏式多頻帶通濾波器可進一步包含設置於基板100或200上之第一共振器110或210側並為環繞該第一共振器110或210之形狀以輸入與輸出電磁信號之第一信號饋入端130或230，以及設置於基板100或200上之第二共振器120或220側並為環繞第二共振器120或220之形狀以輸入與輸出電磁信號之第二信號饋入端140或240。

【0024】

具體而言，埋藏式多頻帶通濾波器必定要具有信號饋入之結構，以使預定之電磁信號能進入或輸出濾波器結構以達到濾波功能。而此種信號饋入之結構可採用耦合饋入之方式，而環繞第一及第二共振器110及120或210及220而設置，如第1A圖中所示之第一及第二信號饋入端130及140或第2A圖所示之第一及第二信號饋入端230及240，如此一來，可使整體埋藏式多頻帶通濾波器之結構更緊湊。此外信號饋入端與共振器間之間隙如S3也為設計濾波器時可調變之參數之一，可藉由調變測試此參數以達到濾波器之最佳化。

【0025】

請再參閱第1A或第2A圖。圖中，第一共振器110或210與第二共振器120或220可具有分枝結構，且部分之複數個第一步階式阻抗共振器113及114或213及214與複數個第二步階式阻抗共振器123及124或223及224連接於分枝結構之分支上。

【0026】

上述分枝結構與結合處之通孔結構都可以增加設計濾波器時的自由度，以下就第2A圖中之第二實施例之結構作詳細說明，在此先假設所使用微帶線僅有兩種，其阻抗分別為Z1及Z2，且兩種微帶線之寬度皆固定。而各共振路徑之共振模態可由計算以下輸入導納之零點得知：
第一共振路徑輸入導納：

第二共振路徑輸入導納：

第三共振路徑輸入導納：

【0027】

其中Y₁ 為信號饋入導納，θ₁ 為第一步階式阻抗共振器212及214之電子長度，其取決於第一步階式阻抗共振器212及214之長度L1；θ₂ 為第一步階式阻抗共振器212到通孔結構250所經第一共振器210之電子長度，其取決第一共振器210之長度L2、L3及L4部分；θ₃ 為第一步階式阻抗共振器212至第一步階式阻抗共振器214所經第一共振器210之電子長度，其取決於第一共振器210之長度L2、L3及L5部分；θ₄ 為第一步階式阻抗共振器212至第一步階式阻抗共振器213所經第一共振器210之電子長度，其取決於第一共振器210之長度L2及L7部分；以及θ₅ 第一步階式阻抗共振器213之電子長度，其取決於第一步階式阻抗共振器213之長度L8。觀察各共振路徑輸入導納表示式之分子部分，可知各共振路徑皆有獨立可調變變數存在，如第一共振路徑輸入導納之θ₃ 中之L5部分、第二共振路徑輸入導納之θ₄ 中之L7部分以及第三共振路徑輸入導納之θ₂ 中之L4部分。如此一來，藉由分枝結構與延伸至通孔結構250之第一共振器210之L4部份，在設計時便可針對所需的共振模態頻率簡單地改變相對應之導線長度而不會影響到其他通帶之共振模態頻率，從而增加了設計埋藏式多頻帶通濾波器時的自由度與便利性。第二共振器220結構上與第一共振器210對稱，故不在此贅述。

【0028】

一般來說，共振器的結構尺寸以共振模態頻率之波長決定，而波長與頻率成倒數關係，故越低頻之共振路徑所需之共振器結構尺寸越大。考慮到本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之特點即是共用結構，亦即埋藏的步階式阻抗共振器與第一共振器部分共振路徑是共用結構。如此一來，則其他較高共振模態頻率之步階式阻抗共振器的共振路徑應皆可利用其他共振模態頻率之共振路徑之結構，而整體共振器所需面積即可大幅縮減。具體來說，請參考第二實施例之第2A至2D圖，其中最低頻率之共振路徑可為第三共振路徑50，例如其共振模態頻率可為1.575GHz，而整體埋藏式多頻帶通濾波器之尺寸即會和使用通孔結構之頻率為1.575GHz之單通濾波器加上頻率為2.45GHz與3.5GHz之單頻濾波器之尺寸小上許多。

【0029】

具體來說，埋藏式多頻帶通濾波器可具有1.575GHz、2.45GHz及3.5GHz之共振模態頻率之共振路徑。

【0030】

更具體來說，基板可選用介電常數為2.2、基板高度為0.787mm與損失正切為0.0009之基板。

【0031】

請參閱第3圖，其為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之模擬及實踐結果之頻率響應圖，縱軸為以分貝(dB)表示之S參數之量值，橫軸為0~6GHz之頻率。圖中共振路徑之共振模態頻率即為上述之1.575GHz、2.45GHz及3.5GHz，而基板200則採用介電常數為2.2、基板高度為0.787mm與損失正切為0.0009之基板，埋藏式多頻帶通濾波器之詳細尺寸之長度為L1=L6=8mm、L2=9mm、L3=2mm、L5=7mm、L7=5.5mm、L8=4mm，寬度為W1=W2=W3=2.5mm，間隙尺寸S1=0.5mm、S2=1.5mm、S3=0.1及S4=4mm。圖中S11為S參數中代表信號反射程度，而S21代表信號通過程度，模擬方面則是採用HP8510C之網路分析儀(HP8510C Network Analyzer)。從圖中可見，實際實驗結果與模擬結果相去不遠，在1.575GHz、2.45GHz及3.5GHz位置皆出現明顯帶通情況，信號反射程度在上述頻率下降至約-20dB，而信號通過程度大約為0dB，也就是信號幾乎完全通過，且S21峰值之寬度很窄，在1.575GHz位置僅有約15.87%之3dB部份帶寬(fractional passband)，而在2.45GHz即3.5GHz位置更僅有約3.87%及2.57%之3dB部份帶寬，顯示本發明之埋藏式多頻帶通濾波器在預定頻帶具有良好選擇性的濾波功能。

【0032】

請參閱第4A圖、第4B圖與第4C圖，其為本發明之埋藏式多頻帶通濾波器之第二實施例之個別改變頻率位置之頻率響應圖，縱軸為以分貝(dB)表示之S參數之S₂₁ 之量值，橫軸為0~6GHz之頻率。第4A圖為相對應第二實施例中第一共振路徑之頻率響應圖，圖中唯一改變參數僅為第一共振器與第二共振器210與220之長度L5部份，而可以看出隨長度L5從3mm變化到7mm，第一共振路徑之S₂₁ 參數之一峰值即共振模態發生位置可有約0.7GHz的改變。第4B圖為相對應第二實施例中第二共振路徑之頻率響應圖，圖中唯一改變參數僅為第一共振器與第二共振器210與220之長度L7部份，而可以看出隨長度L7從3mm變化到7mm，第二共振路徑之S21參數之一峰值即共振模態發生位置可有約1.0GHz的改變。第4C圖為相對應第二實施例中第三共振路徑之頻率響應圖，圖中唯一改變參數僅為第一共振器與第二共振器210與220之長度L4部份，而可以看出隨長度L4從3mm變化到7mm，第三共振路徑之S₂₁ 參數之一峰值即共振模態發生位置可有約0.5GHz的改變。因此，可以看出本發明之埋藏式多頻帶通濾波器可藉由變更單一結構參數而達到輕易地調整所對應共振模態之頻率之效果，藉此大幅增加濾波器應用之彈性。

【0033】

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

無

200‧‧‧基板

210‧‧‧第一共振器

220‧‧‧第二共振器

230‧‧‧第一訊號饋入端

240‧‧‧第二訊號饋入端

250‧‧‧通孔結構

212、213、214‧‧‧第一步階式阻抗共振器

222、223、224‧‧‧第二步階式阻抗共振器

Claims

【第1項】

一種埋藏式多頻帶通濾波器，其包含：
一基板；
一第一共振器，係配置於該基板上，其中該第一共振器包含：
複數個第一步階式阻抗共振器，其結構上結合於彼此；以及
一第二共振器，係配置於該基板上，其中該第二共振器包含：
複數個第二步階式阻抗共振器，其結構上結合於彼此；
其中該第一共振器與該第二共振器分別藉由該複數個第一步階式阻抗共振器及該複數個第二步階式阻抗共振器形成複數個共振路徑，各該共振路徑對應不同之共振模態頻率，且該複數個共振路徑共用部份結構。
【第2項】

如專利申請範圍第1項所述之埋藏式多頻帶通濾波器，其中該第一共振器與該第二共振器之一末端互相結合，且其結合處具有一通孔結構。
【第3項】

如專利申請範圍第2項所述之埋藏式多頻帶通濾波器，其進一步包含：
一第一信號饋入端，其設置於該基板上之該第一共振器側，係環繞該第一共振器之形狀以輸入與輸出電磁信號；以及
一第二信號饋入端，其設置於該基板上之該第二共振器側，係環繞該第二共振器之形狀以輸入與輸出電磁信號。
【第4項】

如專利申請範圍第2項所述之埋藏式多頻帶通濾波器，其中該第一共振器與該第二共振器具有分枝結構，且該複數個第一步階式阻抗共振器及該複數個第二步階式阻抗共振器連接於分枝結構之分支上。
【第5項】

如專利申請範圍第2項所述之埋藏式多頻帶通濾波器，其中該埋藏式多頻帶通濾波器具有1.575GHz、2.45GHz及3.5GHz之共振模態頻率之該共振路徑。
【第6項】

如專利申請範圍第2項所述之埋藏式多頻帶通濾波器，其中該基板係選用介電常數為2.2、基板高度為0.787mm與損失正切為0.0009之一基板。