TWI528623B - Folding waveguide bandpass filter - Google Patents

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TWI528623B TW102101369A TW102101369A TWI528623B TW I528623 B TWI528623 B TW I528623B TW 102101369 A TW102101369 A TW 102101369A TW 102101369 A TW102101369 A TW 102101369A TW I528623 B TWI528623 B TW I528623B
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Chong-Yi Xu
Cheng-Xiu Li
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Univ Nat Changhua Education
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Description

折疊波導帶通濾波器
本發明是有關於一種濾波器，特別是指一種平衡式的折疊波導帶通濾波器。
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，但缺點在於：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。。
而本發明的其一目的，即在提供一種平衡式架構的折疊波導帶通濾波器。
於是，本發明折疊波導帶通濾波器包含一多層組合體，該多層組合體包括上下間隔設置的一頂板層、一接地層、一介於該頂板層及該接地層之間的中間層，以及多個貫孔。
該頂板層具有一個頂板，該頂板具有兩分別位於一第一直線的兩相反側的半頂板部。
該中間層具有兩傳輸諧振單元，該等傳輸諧振單元分別位於一第二直線的兩反側並互相間隔，且該第一直線及該第二直線位於同一平面上，每一傳輸諧振單元具有一輸入線、一輸出線及一個諧振板。
該輸入線具有分別作為一輸入埠及一連接端部的兩相反端部。
該輸出線具有分別作為一輸出埠及一連接端部的兩相反端部。
該諧振板對應該頂板，並位於該輸入線及該輸出線之間，且該輸入線及該輸出線的該兩個連接端部電連接於該諧振板，且該諧振板經由至少一個相對應的該貫孔與該接地層電連接。
該等輸入埠接收一對差模訊號時，該第一直線及該第二直線所位於的該平面等效為一短路的完美電牆，每一傳輸諧振單元的該諧振板、該諧振板所對應的每一貫 孔、該接地層、該完美電牆及對應該諧振板的半頂板部共同形成一折疊狀的差模諧振波導。
該等輸入埠接收一對共模訊號時，該平面等效為一開路的完美磁牆，每一傳輸諧振單元的該諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔及該接地層共同形成一共模諧振波導。
而本發明之另一目的，即在提供一種平衡式架構的折疊波導帶通濾波器。
於是，本發明折疊波導帶通濾波器包含一多層組合體，該多層組合體包括上下間隔設置的一頂板層、一接地層、一介於該頂板層及該接地層之間的中間層，以及多個貫孔。
該頂板層具有多個頂板，且該等頂板沿著一第一直線間隔排列，每一頂板具有兩分別位於該第一直線的兩相反側的半頂板部。
該中間層具有兩傳輸諧振單元，該等傳輸諧振單元分別位於一第二直線的兩反側並互相間隔，且該第一直線及該第二直線位於同一平面上，每一傳輸諧振單元具有一輸入線、一輸出線及多個諧振板。
該輸入線具有分別作為一輸入埠及一連接端部的兩相反端部。
該輸出線具有分別作為一輸出埠及一連接端部的兩相反端部。
該等諧振板分別對應該等頂板，並位於該輸入 線及該輸出線之間，且沿著平行於該第二直線的方向間隔排列，且該輸入線及該輸出線的該兩個連接端部分別電連接於兩個相鄰的諧振板，且每一諧振板經由至少一個相對應的該貫孔與該接地層電連接。
該等輸入埠接收一對差模訊號時，該第一直線及該第二直線所位於的該平面等效為一短路的完美電牆，每一諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔、該接地層、該完美電牆及對應該諧振板的半頂板部共同形成一折疊狀的差模諧振波導。
1‧‧‧頂板層
11‧‧‧頂板
111‧‧‧半頂板部
2‧‧‧接地層
3‧‧‧中間層
31‧‧‧傳輸諧振單元
311‧‧‧輸入線
312‧‧‧輸出線
313‧‧‧諧振板
314‧‧‧輸入埠
315‧‧‧連接端部
316‧‧‧輸出埠
317‧‧‧連接端部
318‧‧‧自由邊
319‧‧‧接地邊
POS‧‧‧平面
4‧‧‧貫孔
5‧‧‧第一基底
6‧‧‧第二基底
71‧‧‧槽縫
711‧‧‧開口
72‧‧‧槽縫
721‧‧‧開口
20‧‧‧差模波導
201‧‧‧開口
30‧‧‧共模波導
301‧‧‧開口
L1‧‧‧第一直線
L2‧‧‧第二直線
LDM‧‧‧差模諧振長度
LCM‧‧‧共模諧振長度
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，說明本發明折疊波導帶通濾波器之第一較佳實施例；圖2是本發明折疊波導帶通濾波器之第一較佳實施例的另一示意圖；圖3是該第一較佳實施例的一差模諧振波導的示意圖；圖4是該第一較佳實施例的一共模諧振波導的示意圖；圖5是第一較佳實施例於差模操作時的一S參數圖；圖6是第一較佳實施例於共模操作時的一S參數圖；圖7是一示意圖，說明本發明折疊波導帶通濾波器之第二較佳實施例；及 圖8是一示意圖，說明本發明折疊波導帶通濾波器之第三較佳實施例。
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及圖2，本發明折疊波導帶通濾波器之第一較佳實施例包含一多層組合體10，該多層組合體10包括上下間隔設置的一頂板層1、一接地層2、一的中間層3、多個貫孔4、一第一基底5及一第二基底6。
該頂板層1具有多個由導體製成的頂板11，且該等頂板11沿著一第一直線L1間隔排列。每一頂板11實質地為矩形並具有兩分別位於該第一直線L1的兩相反側的半頂板部111，且該兩個半頂板部111互相鏡像對稱於該第一直線L1。
該接地層2為一導體平板，用以作為一參考接地面。
該中間層3介於該頂板層1及該接地層2之間，並具有兩互相鏡像對稱於該平面POS的傳輸諧振單元31。
該等傳輸諧振單元31由導體製成，並分別位於一第二直線L2的兩反側並互相間隔，且該第一直線L1及該第二直線L2互相平行且位於同一平面POS上。該平面POS位在如圖2所示的Y-Z平面。
每一傳輸諧振單元31具有一輸入線311、一輸 出線312及多個諧振板313。
該輸入線311具有分別作為一輸入埠314及一連接端部315的兩相反端部314、315。
該輸出線312具有分別作為一輸出埠316及一連接端部317的兩相反端部316、317。
該等諧振板313分別對應該等頂板11，並位於該輸入線311及該輸出線312之間，並沿著平行於該第二直線L2的方向間隔排列，且該輸入線311及該輸出線312的該兩個連接端部315、317分別電連接於兩個相鄰的諧振板313，且每一諧振板313經由至少一個相對應的該貫孔4與該接地層2電連接。
於該第一較佳實施例，每一傳輸諧振單元31具有有三個諧振板，因此該第一較佳實施例是三極點(three-pole)的帶通濾波器。
更詳細地說明，該第一較佳實施例的每一輸入線311實質地呈L形並與相電連接的該諧振板313定義出一開口711朝向遠離該第二直線L2的方向的槽縫71，並且，每一輸出線312也實質地呈L形並與相電連接的該諧振板313定義出另一開口721朝向遠離該第二直線L2的方向的槽縫72。
較佳地，每一諧振板313實質地為一矩形並具有一沿著平行於該第二直線L2的方向延伸的自由邊318，及一與該自由邊318間隔相對的接地邊319，且該接地邊319相較於該自由邊318遠離該第二直線L2，每一貫 孔4是電連接於相對應的該諧振板313的該接地邊319。
每一半頂板部111垂直於該平面POS的一長度實質地等於每一接地邊319到該平面POS的一直線距離，且每一頂板11平行於該平面POS的一寬度實質地等於每一諧振板313平行於該平面POS的一寬度，所以從圖1所示的一Z方向看過去，每一頂板部11完全地覆蓋相對應的兩個該諧振板313。
該第一基底5由非導體製成，例如玻璃纖維或陶瓷，並位於該頂板層1及該中間層3之間以支撐該頂板層1。
該第二基底6由非導體製成，並位於該中間層3及該接地層2之間以支撐該中間層3及該接地層2。
參閱圖1及圖3，如圖1所示的該等輸入埠314接收一對差模訊號(相位相差180度的兩個訊號)時，該對差模訊號於該第一較佳實施例上所形成的邊界條件(boundary conditions)會使該第一直線L1及該第二直線L2所位於的該平面POS等效為一完美電牆(perfect electric wall,PEC)，該完美電牆可視為一導體牆，使得如圖3所示的每一諧振板313所對應的每一貫孔4、該接地層2、該完美電牆(POS)及對應該諧振板313的該半頂板部111共同形成一折疊狀的差模諧振波導(waveguide)20。從圖2所示的+Y方向看過去，每一差模波導20的諧振路徑折疊成一U形，且每一差模波導20的一開口201朝向遠離該平面POS的方向。
其中，每一差模波導20是以一個四分之一波長的整數倍產生諧振，也就是說，如圖3所示的一差模諧振長度LDM等於該差模波導20的一諧振頻率所對應的一個四分之一波長。
參閱圖1及圖4，該等輸入埠314接收一對共模訊號時，該對共模訊號於該第一較佳實施例上所形成的邊界條件會使該平面POS等效為一完美磁牆(perfect magnetic wall,PMC)，使得如圖4所示的每一諧振板313、該諧振板313所對應的每一貫孔4及該接地層2共同形成一共模諧振波導30，且由於每一半頂板部111及該完美磁牆(POS)不屬於該共模波導30的一部分，所以每一共模波導30是呈一直線形延伸，且每一共模波導30的一開口301是朝向該平面POS。
其中，每一共模波導30是以一個四分之一波長的整數倍產生諧振，換句話說，如圖4所示的一共模諧振長度LCM等於該共模波導30的一諧振頻率所對應的一個四分之一波長，且該共模波導30的該諧振頻率fCM約是該差模波導20的該諧振頻率fDM的兩倍。
參閱圖5，是該第一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中心頻率約為4.6 GHz，確實具有差模訊號帶通濾波的功效，並且，由於該共模波導30(參閱圖4)的該諧振頻率fCM約是該差模波導20(參閱圖3)的該諧振頻率fDM的兩倍，所以可讓該對共模訊號帶通的一共模通帶會位於該差模通帶的兩倍頻 的位置，因此該差模通帶及該共模通帶不相重疊，使得該對共模訊號無法從該差模通帶通過，而達到共模訊號拒斥的功效。
參閱圖6，是該第一較佳實施例接收該對共模訊號的S參數圖，其顯示於該差模通帶(約4.4 GHz到4.9 GHz)，該第一較佳實施例之共模訊號拒斥的效果超過50 dB以上，確實具有共模訊號拒斥的功效。
參閱圖2及圖7，本發明折疊波導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：該第二較佳實施例的每一傳輸諧振單元31具有兩個該諧振板313，所以本較佳實施例是兩極點(two-pole)的帶通濾波器。
參閱圖2及圖8，本發明折疊波導帶通濾波器之第三較佳實施例與該第一較佳實施例近似，差異在於：該第三較佳實施例的每一傳輸諧振單元31具有單一該諧振板313，所以本較佳實施例是單極點(single-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.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邊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。
2.上述該等較佳實施例接收該對差模訊號時所產生的邊界條件會使該平面POS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等該平面POS等效成完美磁牆，因此可達到差模訊號帶通濾波且共模訊號拒斥(不通過)的功效，故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‧‧‧頂板層
11‧‧‧頂板
111‧‧‧半頂板部
2‧‧‧接地層
3‧‧‧中間層
31‧‧‧傳輸諧振單元
311‧‧‧輸入線
312‧‧‧輸出線
313‧‧‧諧振板
314‧‧‧輸入埠
315‧‧‧連接端部
316‧‧‧輸出埠
317‧‧‧連接端部
318‧‧‧自由邊
319‧‧‧接地邊
4‧‧‧貫孔
71‧‧‧槽縫
711‧‧‧開口
72‧‧‧槽縫
721‧‧‧開口
POS‧‧‧平面
L1‧‧‧第一直線
L2‧‧‧第二直線

Claims (10)

  1. 一種折疊波導帶通濾波器，包含：一多層組合體，包括上下間隔設置的一頂板層、一接地層、一介於該頂板層及該接地層之間的中間層，及多個貫孔；該頂板層具有一頂板，且該頂板具有兩分別位於一第一直線的兩相反側的半頂板部；該中間層具有兩傳輸諧振單元，該等傳輸諧振單元分別位於一第二直線的兩反側並互相間隔，且該第一直線及該第二直線位於同一平面上，每一傳輸諧振單元具有：一輸入線，具有分別作為一輸入埠及一連接端部的兩相反端部；一輸出線，具有分別作為一輸出埠及一連接端部的兩相反端部；及一諧振板，位於該輸入線及該輸出線之間，且該輸入線及該輸出線的該兩個連接端部電連接於該諧振板，且該諧振板經由至少一個相對應的貫孔與該接地層電連接，並且，該等輸入埠接收一對差模訊號時，該第一直線及該第二直線所位於的該平面等效為一完美電牆，每一傳輸諧振單元的該諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔、該接地層、該完美電牆及對應該諧振板的半頂板部共同形成一折疊狀的差模諧振波導， 而該等輸入埠接收一對共模訊號時，該平面等效為一開路的完美磁牆，每一傳輸諧振單元的該諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔及該接地層共同形成一共模諧振波導。
  2. 一種折疊波導帶通濾波器，包含：一多層組合體，包括上下間隔設置的一頂板層、一接地層、一介於該頂板層及該接地層之間的中間層，以及多個貫孔；該頂板層具有多個頂板，且該等頂板沿著一第一直線間隔排列，每一頂板具有兩分別位於該第一直線的兩相反側的半頂板部；該中間層具有兩傳輸諧振單元，該等傳輸諧振單元分別位於一第二直線的兩反側並互相間隔，且該第一直線及該第二直線位於同一平面上，每一傳輸諧振單元具有：一輸入線，具有分別作為一輸入埠及一連接端部的兩相反端部；一輸出線，具有分別作為一輸出埠及一連接端部的兩相反端部；及多個諧振板，分別對應該等頂板，並位於該輸入線及該輸出線之間，且沿著平行於該第二直線的方向間隔排列，且該輸入線及該輸出線的該兩個連接端部分別電連接於兩個相鄰的諧振板，且每一諧振板經由至少一個相對應的貫孔與該接地層電連接， 並且，該等輸入埠接收一對差模訊號時，該第一直線及該第二直線所位於的該平面等效為一短路的完美電牆，每一諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔、該接地層、該完美電牆及對應該諧振板的半頂板部共同形成一折疊狀的差模諧振波導，而該等輸入埠接收一對共模訊號時，該平面等效為一開路的完美磁牆，每一諧振板、該諧振板所對應的每一貫孔及該接地層共同形成一共模諧振波導。
  3. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，每一諧振板具有一沿著平行於該第二直線的方向延伸的自由邊，及一與該自由邊間隔相對的接地邊，且該接地邊相較於該自由邊遠離該第二直線，每一貫孔是電連接於相對應的該諧振板的該接地邊。
  4. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，每一差模波導的諧振路徑折疊成U形，且每一差模波導的一開口朝向遠離該平面的方向，每一共模波導呈直線形延伸，且每一共模波導的一開口朝向該平面。
  5. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，每一頂板的該兩個半頂板部互相鏡像對稱於該第一直線。
  6. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，該兩個傳輸諧振單元互相鏡像對稱於該第一直線及該第二直線所位於的該平面。
  7. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其 中，每一半頂板部垂直於該平面的一長度實質地等於每一接地邊到該平面的一直線距離，且每一頂板平行於該平面的一寬度實質地等於每一諧振板平行於該平面的一寬度。
  8. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，每一差模波導是以一個四分之一波長的整數倍產生諧振。
  9. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，每一輸入線及每一輸出線實質地呈L形，且每一輸入線與相電連接的該諧振板定義出一開口朝向遠離該第二直線的方向的槽縫，且每一輸出線也與相電連接的該諧振板定義出另一開口朝向遠離該第二直線的方向的槽縫。
  10. 如請求項1或請求項2所述的折疊波導帶通濾波器，其中，該多層組合體還包括：一第一基底，由非導體製成，並位於該頂板層及該中間層之間；及一第二基底，由非導體製成，並位於該中間層及該接地層之間。
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