TWI528622B - Substrate synthesis bandpass filter - Google Patents

Description

基板合成帶通濾波器

本發明是有關於一種濾波器，特別是指一種差模訊號濾波及共模訊號拒斥的基板合成帶通濾波器。

近年隨著無線通訊技術的蓬勃發展，通訊產品的高訊號品值以及低耗電量一直是技術發展的重點，而通訊產品中之濾波器的品質因素若能提高，不但能因為減少傳輸時的訊號能量損失而提高訊號強度，更能因此降低耗電量。

習知文獻(Y.Wang,W.Hong,Y.Dong,B.Liu,H.J.Tang,J.Chen,X.Yin,and K.Wu,“Half mode substrate integrated waveguide(HMSIW)bandpass filter,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,vol.17,no.4,pp.265-267,Apr.2007.)揭露一種半模基板合成波導(half-mode substrate integrated waveguide,HMSIW)帶通濾波器，該種HMSIW帶通濾波器雖然可以達到高品質因素(quality factor,Q)的優點，但仍具有以下缺點：

1.需要一整排的導通貫孔(thru-via array)才能形成具高品質因素波導結構，因此增加製造複雜度。

2.為非平衡式架構，無法達到讓差模訊號通過且抑制共模訊號的效果。

因此，本發明之目的，即在提供一種可解決上述至少一個缺點的基板合成帶通濾波器。

於是，本發明基板合成帶通濾波器包含一多層組合體，該多層組合體包含上下間隔設置之一傳輸層、一諧振層，及一介於該傳輸層與該諧振層之間的槽縫耦合層。

該傳輸層包括一輸入線及一輸出線，該輸入線具有沿著一第一方向間隔相對的兩輸入埠，及一電連接於該兩個輸入埠之間的耦合段，該輸出線具有沿著該第一方向間隔相對的兩輸出埠，及一電連接於該兩個輸出埠之間的耦合段，且該等輸入埠用以接收一對差模輸入訊號，該等輸出埠用以輸出相關於該對差模輸入訊號的一對差模輸出訊號。

該槽縫耦合層為一導體平板製成，並形成彼此沿著一垂直於該第一方向之第二方向相間隔排列的兩槽縫，每一槽縫具有兩相對於一鏡像平面互相鏡像對稱的半槽部，該鏡像平面垂直於該第一方向。

該諧振層包括沿著該第二方向排列且彼此電連接的兩耦合諧振板，且從一垂直於該第一方向及該第二方向的第三方向看過去，每一耦合諧振板覆蓋相對應的該槽縫及該耦合段，且每一槽縫與相對應的該耦合段相交越， 藉此，該等耦合諧振板分別透過該等槽縫與該等耦合段磁耦合地交換該對差模輸入訊號及該對差模輸出訊號。

1‧‧‧傳輸層

11‧‧‧輸入線

111‧‧‧輸入埠

112‧‧‧輸入埠

12‧‧‧輸出線

121‧‧‧輸出埠

122‧‧‧輸出埠

113‧‧‧耦合段

1131‧‧‧半耦合段部

114‧‧‧延伸段

2‧‧‧槽縫耦合層

21‧‧‧槽縫

22‧‧‧槽縫

211‧‧‧半槽部

3‧‧‧諧振層

31‧‧‧耦合諧振板

311‧‧‧半諧振板部

32‧‧‧第一隔離縫

321‧‧‧開口

33‧‧‧連接諧振板

331‧‧‧半連接諧振板部

34‧‧‧第二隔離縫

341‧‧‧開口

35‧‧‧第三隔離縫

351‧‧‧開口

4‧‧‧第一基底

5‧‧‧第二基底

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明基板合成帶通濾波器之第一較佳實施例；圖2是該第一較佳實施例接收一對差模訊號時之邊界條件的局部示意圖；圖3是該第一較佳實施例接收一對共模訊號時之邊界條件的局部示意圖；圖4是一示意圖，說明本發明基板合成帶通濾波器之第二較佳實施例；圖5是第二較佳實施例於差模操作時的一S參數圖；圖6是第二較佳實施例於共模操作時的一S參數圖；及圖7是本發明基板合成帶通濾波器之第三較佳實施例的一示意圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明基板合成帶通濾波器之第一較佳實施例為一多層組合體，並包含一傳輸層1、一槽縫耦合層2、一諧振層3、一第一基底4及一第二基底5。

該傳輸層1及該諧振層3上下間隔設置，該槽縫耦合層2介於該傳輸層1與該諧振層3之間。該第一基底4由非導體製成，並位於該諧振層3及該槽縫耦合層2之間以支撐該諧振層3。該第二基底5由非導體製成，並位於該槽縫耦合層2及該傳輸層1之間，以支撐該槽縫耦合層2及該傳輸層1。於本較佳實施例，該第一基底4及該第二基底5均是型號為RT/Duriod 6010.2的材質，於Z方向的厚度是25毫英吋，介電常數為10.2，損號正切是0.0023。

該傳輸層1包括一輸入線11及一輸出線12，該輸入線11具有沿著一第一方向X間隔相對的兩輸入埠111、112，及一電連接於該兩個輸入埠111、112之間的耦合段113，該輸出線12具有沿著該第一方向X間隔相對的兩輸出埠121、122，及一電連接於該兩個輸出埠121、122之間的耦合段113，其中，該輸入線11及該輸出線12為50歐姆微帶線，且該等輸入埠111、112用以接收一對差模輸入訊號，該等輸出埠121、122用以輸出相關於該對差模輸入訊號的一對差模輸出訊號，每一耦合段113具有兩相對於一鏡像平面Y-Z互為鏡像對稱的半耦合段部1131。而為了實際應用時與接頭焊接方便考量，該傳入線11還包括兩從該耦合段113的兩相反端互相遠離延伸且分別電連接到該等輸入埠111、112的延伸段114，該輸出線12也還包括兩從該耦合段113的兩相反端互相遠離延伸且分別電連接到該等輸出埠121、122的延伸段114，且 該四條延伸段114具有相同的電長度。

該槽縫耦合層2由一導體平板製成，並形成兩彼此沿著一第二方向Y相間隔排列的槽縫21、22，每一槽縫21、22具有兩相對於該鏡像平面Y-Z互為鏡像對稱的半槽部211，該鏡像平面垂直於該第一方向X，且從第三方向Z看過去，每一槽縫21、22與相對應的該耦合段113垂直交越，該輸入線11將所接收到的該對差模輸入訊號透過磁耦合的方式傳輸至該槽縫21，再進而耦合至該諧振層3。此外，該槽縫耦合層2也作為該較佳實施例的接地面。

該諧振層3包括兩沿著該第二方向Y排列且彼此電連接的耦合諧振板31，每一耦合諧振板31具有兩互相鏡像對稱於該鏡像平面Y-Z的半諧振板部311。該等耦合諧振板31部分地實體連接且共同界定出兩各自具有一開口321的第一隔離縫32，且該等第一隔離縫32的開口321互為反向，該等第一隔離縫32的用處在於分隔出該兩個耦合諧振板31，此外，從第三方向Z看過去，每一耦合諧振板31覆蓋相對應的該槽縫21及該耦合段113，藉此，該等耦合諧振板31分別透過該等槽縫21、22與該等耦合段113磁耦合地交換該對差模輸入訊號及該對差模輸出訊號而產生諧振。

更詳細地說明，每一耦合諧振板31具有平行於該第一方向X的一長度L，及一垂直於該第一方向X的一寬度W，且該耦合諧振板31的長度L實質地等於每一耦合 段113平行於該第一方向X的一長度，該耦合諧振板31的寬度W實質地等於每一槽縫21垂直於該第一方向X的一延伸長度，其中，本較佳實施例的每一耦合諧振板31完全覆蓋相對應的該槽縫21、22及該耦合段113的用意在於：每一耦合諧振板31能較完整的耦合到來自該等槽縫21、22的電磁能量，而減少來自該槽縫21、22的電磁能量溢散到該耦合諧振板31之外的地方，而該耦合諧振板31的長度L主要決定該耦合諧振板31的一諧振頻率，且該長度L反比於該諧振頻率，於本較佳實施例，長度L=0.5 λ，參數λ是該諧振頻率所對應的一個全波長。

由於每一槽縫21、22的該等半槽部211相對該鏡像平面Y-Z互為鏡像對稱，所以本較佳實施例會對應該對差模輸入訊號及一對共模輸入訊號分別產生兩種不同的邊界條件(boundary conditions)，進而產生差模訊號帶通或共模訊號拒斥的效果。

參閱圖1及圖2，圖2顯示的是該較佳實施例於差模操作(接收該對差模訊號)時，該鏡像平面Y-Z等效為一完美電牆(perfect electric wall,PEC)，該完美電牆可視為與該槽縫耦合層2及每一半耦合段部1131虛擬短路的導體牆，且在此種狀況下，該輸入線11及該輸出線12與該等槽縫21、22之間發生最強的能量耦合，使得該四個半槽部211分別與該四個半諧振板部311耦合地交換電磁能量。

當該四個半諧振板部311進行能量交換時，每 一半諧振板部311、該Y-Z平面的完美電牆及該槽縫耦合層2三者共同形成一波導(wave guide)，該四個波導的每一者都產生一中心頻率為該諧振頻率的諧振，且每一波導的諧振方向平行於該第一方向X，該等諧振使該第一較佳實施例的帶通濾波器產生一差模通帶，且在不考量傳輸損號的情形下，該對差模輸出訊號實質地為該對差模輸入訊號通過該差模通帶後的部分，此外，由於該第一較佳實施例有兩個耦合諧振板31，所以該第一較佳實施例是具有兩極點(two-pole)的帶通濾波器。

參閱圖1及圖3，圖3顯示該較佳實施例於共模操作(接收該對共模訊號)時，該鏡像平面Y-Z等效為一完美磁牆(perfect magnetic wall,PMC)，該完美磁牆可視為將該槽縫耦合層2沿著該鏡像平面Y-Z虛擬剖開，等同中斷該輸入線11與相對應的該耦合諧振板31之間的訊號傳遞路徑，且也中斷另一該耦合諧振板31與該輸出線12之間的訊號傳遞路徑，因此每兩相鄰之半槽部211的封閉狀態被破壞而不再具有前述交換電磁能量的功效，而具有共模訊號拒斥的功效。

參閱圖4，本發明基板合成帶通濾波器之第二較佳實施例與該第一較佳實施例近似，差異在於：該諧振層3還包括一電連接於該等耦合諧振板31之間的連接諧振板33，該連接諧振板33具有兩個鏡像對稱於該鏡像平面Y-Z的半連接諧振板部331，且於差模操作時，每一半連接諧振板部331、該完美電牆Y-Z及該槽縫耦合層2三 者共同形成一波導，每一波導都產生一中心頻率為該諧振頻率的諧振，並且，每一耦合諧振板31與鄰近相電連接的該連接諧振板33共同界定出兩各自具有一開口341的第二隔離縫34，該第二隔離縫34的功用在於分隔出相鄰的該耦合諧振板31及該連接諧振板33，且由於該第二較佳實施例有兩個耦合諧振板31及一個連接諧振板33一共三個，所以該第二較佳實施例是三極點(three-pole)的濾波器。

參閱圖5，是該第二較佳實施例接收該對差模訊號的S參數圖，其顯示該差模通帶的頻寬範圍是從4.9GHz到5.5GHz，確實具有差模訊號帶通濾波的功效。

參閱圖6，是該第二較佳實施例接收一對共模訊號的S參數圖，其顯示該第二較佳實施例之共模訊號拒斥的效果超過40dB以上，確實具有共模訊號拒斥的功效。

參閱圖7，本發明基板合成帶通濾波器之第三較佳實施例與該第二較佳實施例近似，差異在於：該諧振層3包括多個電連接成一串的連接諧振板33，且該等相鄰電連接的連接諧振板33共同界定出兩開口351互為反向的第三隔離縫35，該等連接諧振板33電連接於該等耦合諧振板31之間，且每一半連接諧振板部331接收來自該等耦合諧振板31的該對差模輸入訊號進而產生諧振。而為了便於示圖，該第三較佳實施例是以兩個連接諧振板33示意，但不以此為限，也可以是超過兩個，並且，由於該第三較佳實施例具有兩個耦合諧振板31及兩個連接諧振板33總共四 個，所以該第三較佳實施例是四極點(four-pole)的帶通濾波器。

綜上所述，該等較佳實施例具有以下優點：

1.接收該對差模訊號時所產生的邊界條件會使該鏡像平面X-Y等效成完美電牆，而接收該對共模訊號時所產生的邊界條件則會使該鏡像平面X-Y等效成完美磁牆，因此相較先前技術無需採用製造複雜度高的實體貫孔就可達到差模帶通濾波的功效，並且還具有共模訊號拒斥的功效。

2.上述該等較佳實施例均為平衡式架構，在系統應用時不但可滿足濾波的需求，更無需如非平衡式架構在配合周遭電路時還需另外在濾波器的前後分別加上一個平衡器(balun)，因而能精簡電路並降低成本。

綜上所述，上述較佳實施例確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧傳輸層

11‧‧‧輸入線

111‧‧‧輸入埠

112‧‧‧輸入埠

12‧‧‧輸出線

121‧‧‧輸出埠

122‧‧‧輸出埠

113‧‧‧耦合段

1131‧‧‧半耦合段部

114‧‧‧延伸段

2‧‧‧槽縫耦合層

21‧‧‧槽縫

22‧‧‧槽縫

211‧‧‧半槽部

3‧‧‧諧振層

31‧‧‧耦合諧振板

311‧‧‧半諧振板部

33‧‧‧連接諧振板

331‧‧‧半連接諧振板部

34‧‧‧第二隔離縫

341‧‧‧開口

4‧‧‧第一基底

5‧‧‧第二基底

Claims (10)

1. 一種基板合成帶通濾波器，包含：多層組合體，包括上下間隔設置的一傳輸層、一諧振層，及一介於該傳輸層與該諧振層之間的槽縫耦合層；該傳輸層包括一輸入線及一輸出線，該輸入線具有沿著一第一方向間隔相對的兩輸入埠，及一電連接於該兩個輸入埠之間的耦合段，該輸出線具有沿著該第一方向間隔相對的兩輸出埠，及一電連接於該兩個輸出埠之間的耦合段，且該等輸入埠用以接收一對差模輸入訊號，該等輸出埠用以輸出相關於該對差模輸入訊號的一對差模輸出訊號；該槽縫耦合層為一導體平板製成，並形成彼此沿著一垂直於該第一方向之第二方向相間隔排列的兩槽縫，每一槽縫具有兩相對於一鏡像平面互為鏡像對稱的半槽部，該鏡像平面垂直於該第一方向；該諧振層包括沿著該第二方向排列且彼此電連接的兩耦合諧振板，每一耦合諧振板具有兩個半耦合諧振板部，且從一垂直於該第一方向及該第二方向的第三方向看過去，每一耦合諧振板覆蓋相對應的該槽縫及該耦合段，且每一槽縫與相對應的該耦合段相交越，藉此，該等耦合諧振板分別透過該等槽縫與該等耦合段磁耦合地交換該對差模輸入訊號及該對差模輸出訊號。
2. 如請求項1所述的基板合成帶通濾波器，其中，每一輸出線的耦合段具有兩個半耦合段部，每一耦合諧振板具有兩個半耦合諧振板部，且每一耦合段的該兩個半耦合段部互相鏡像對稱於該鏡像平面，每一耦合諧振板的該兩個半耦合諧振板部也互相鏡像對稱於該鏡像平面。
3. 如請求項2所述的基板合成帶通濾波器，其中，該等耦合諧振板部分地實體連接且共同界定出兩各自具有一開口的第一隔離縫，且該等第一隔離縫的開口互為反向。
4. 如請求項2所述的基板合成帶通濾波器，其中，每一耦合諧振板具有一平行於該第一方向的長度，且該耦合諧振板的長度實質地等於每一耦合段平行於該第一方向的一長度，且該耦合諧振板的長度反比於該耦合諧振板的一諧振頻率。
5. 如請求項4所述的基板合成帶通濾波器，其中，每一耦合諧振板具有一垂直於該第一方向的寬度，且每一耦合諧振板的寬度實質地等於每一槽縫垂直於該第一方向的一延伸長度。
6. 如請求項2所述的基板合成帶通濾波器，其中，該諧振層還包括一連接諧振板，該連接諧振板電連接於該等耦合諧振板之間，並具有兩個互相鏡像對稱於該鏡像平面的半連接諧振板部，且每一半連接諧振板部接收來自該等耦合諧振板的該對差模輸入訊號以產生諧振。
7. 如請求項6所述的基板合成帶通濾波器，其中，每一耦 合諧振板與鄰近相電連接的該連接諧振板共同界定出兩各自具有一開口的第二隔離縫，且該等第二隔離縫的開口互為反向。
8. 如請求項2所述的基板合成帶通濾波器，其中，該諧振層還包括多個電連接成一串的連接諧振板，且該等連接諧振板電連接於該等耦合諧振板之間，每一連接諧振板具有兩個互相鏡像對稱於該鏡像平面的半連接諧振板部，且每一半連接諧振板部接收來自該等耦合諧振板的該對差模輸入訊號以產生諧振。
9. 如請求項8所述的基板合成帶通濾波器，其中，每兩相鄰電連接的連接諧振板共同界定出兩各自具有一開口的第三隔離縫，且該等第三隔離縫的開口互為反向。
10. 如請求項1所述的基板合成帶通濾波器，其中，該多層組合體還包括：一第一基底，由非導體製成，並位於該諧振層及該槽縫耦合層之間以供支撐該諧振層；及一第二基底，由非導體製成，並位於該槽縫耦合層及該傳輸層之間，以供支撐該槽縫耦合層及該傳輸層。