TWM501003U - 微型化高q值濾波器 - Google Patents

Description

微型化高Q值濾波器

本新型是一種濾波器，尤指一種具備高Q值、低損耗、高帶外抑制能力的微型化濾波器。

在濾波器的設計上，重要的考量因素包括高品質係數(以下簡稱為高Q值)、儘量降低訊號通過濾波器的能量損耗及帶外抑制能力等等，若操作在數個GHz的頻率時，則對於電容值、電感值則有較大數值的需求。如圖8所示，係一種已知的低通濾波器70，其包括兩個電感L1、L2及兩個π型電容組71、72，兩π型電容組71、72分別具有一位於輸入端與輸出端之間且相互串接的串接電容C5、C6，前述的兩電感L1、L2又個別地與兩串接電容C5、C6並聯。前述低通濾波器並將其主體線路實施於多層元件中，並且不在前述電感L1、L2和各個電容之間設置任何接地或隔離金屬層，以便使低通濾波器達到較佳的通頻帶阻抗匹配，進而降低傳輸損耗。

前述的低通濾波器為一集總式濾波器，因操作在數GHz，需要較大的電容值、電感值，但在晶片製作程序上將增加佈局難度與面積，因此可採用半集總式設計加以改良，利用傳輸線取代前述低通濾波器的電感L1、L2作為等效電感，由於製程採用高介電係數材料，可有效縮短傳輸線之距離，加上多層板的設計，可調整各層板之厚度，製作較大電容值之電容器。如圖9所示，係一種進一步改良的半集總式低通濾波器，包括一等效電感、一串接電容組、至少一組等效電容及兩電容C1、C4所組成；其中： 該等效電感係由一傳輸線81所構成，其兩端分別構成濾波器的一輸入端I/P及一輸出端O/P；該串接電容組係由二電容C2、C3串接而成，且與上述傳輸線81並聯；該等效電容係由一電容C6串聯另一傳輸線82組成，該等效電容分別連接於上述兩電容C2、C3之串接節點與接地端之間；兩電容C1、C4係分別連接於輸入端I/P、輸出端O/P與接地端之間。

前述低通濾波器主要係以單一傳輸線81取代傳統半集總式低通濾波器中各別與二電容C2、C3並聯的複數傳輸線，其效果是當訊號由輸入端I/P送入時，將被以較短路徑傳送到輸出端O/P，以有效降低訊號通過濾波器時的能量損耗。

由上述可知，在已知的晶片式濾波器設計中，採行了各種改進措施，希望能提高電容值、電感值，並儘量降低訊號的能量損耗，然而由於晶片式濾波器目前多採用多層板方式製成，其中的電感線圈亦以平面方式形成在層板上，其磁通量將會通過接地層而感應出鏡向電流，因此抵銷磁通量並造成電感值下降，在許多需要大電感值的場合，無疑是一大問題。故有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案。

因此本新型主要目的在提供一種微型化高Q值濾波器，其可有效提高Q值，避免感應出鏡向電流造成磁通量抵銷，且可降低損耗、提高帶外抑制能力。

為達成前述目的採取的主要技術手段係令前述微型化高Q值濾波器包括有：一輸入端、一輸出端及一接地面； 一第一共振器，具有一第一端及一第二端，其第一端與輸入端連接，第二端與接地端連接；該第一共振器具有一第一電容及一第一電感線圈，該第一電感線圈主要由複數柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面；一第二共振器，與該第一共振器構成耦合，該第二共振器具有一第一端及一第二端，其第一端與輸出端連接，第二端與接地端連接；該第二共振器具有一第二電容及一第二電感線圈，該第二電感線圈主要由複數柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面；前述濾波器主要係由二個以上相互耦合的共振器所組成，其中共振器的電感線圈係由複數柱型電感連接組成，其本身具有高Q值，且由於柱型電感軸線與接地面垂直，使得磁通量不會通過接地面，因而不會感應出鏡向電流，也不會抵銷磁通量造成電感值下降；除此以外，由於各共振器間相互耦合而具有耦合線的特性，因此可以產生額外的傳輸零點，提高濾波器的帶外抑制能力，非常適合應用在4G通訊系統中。

10‧‧‧第一共振器

20‧‧‧第二共振器

30‧‧‧第三共振器

41‧‧‧第一基板

410‧‧‧接地金屬層

42‧‧‧第二基板

421~423、431、432‧‧‧電容金屬層

43‧‧‧第三基板

44‧‧‧第四基板

441‧‧‧第一下連接層

442‧‧‧第二下連接層

45‧‧‧第五基板

451、452‧‧‧柱型電感

46‧‧‧第六基板

461‧‧‧第一上連接層

462‧‧‧第二上連接層

70‧‧‧低通濾波器

71、72‧‧‧π型電容組

81、82‧‧‧傳輸線

圖1 係本新型一較佳實施例的電路圖。

圖2 係本新型一較佳實施例的封裝結構示意圖。

圖3A、3B 係本新型一較佳實施例的一特性曲線圖(插入/穿透損耗、回損)。

圖4 係本新型又一較佳實施例的電路圖。

圖5A、5B 係本新型一較佳實施例的一特性曲線圖(插入/穿透損耗、回損)。

圖6 係本新型再一較佳實施例的電路圖。

圖7A、7B 係本新型一較佳實施例的一特性曲線圖(插入/穿透損耗、回損)。

圖8 係一已知低通濾波器的電路圖。

圖9 係一已知半集總式低通濾波器的電路圖。

本新型係關於一種濾波器，其可應用在低通濾波器、帶通濾波器及高通濾波器，如圖1所示係本新型一較佳實施例的電路構造，其為一種低通濾波器，包括有一輸入端I/P、一輸出端O/P、一接地面GND、二個共振器(以下簡稱為第一共振器10、第二共振器20)和數個接地電容(以下依序簡稱第一至第三接地電容Cg1、Cg2、Cg3)；其中：該第一共振器10具有一第一電容C1及一第一電感線圈L1，在本實施例中，第一電容C1和第一電感線圈L1係相互並聯，其中一並聯節點構成一第一端，另一並聯節點構成一第二端，其第一端係與該輸入端I/P連接，其第二端透過該第二接地電容Cg2與接地端GND連接；該第一電感線圈L1主要係由複數的柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面GND；該第二共振器20與該第一共振器10構成耦合關係而具有一耦合係數K，該第二共振器20具有一第二電容C2及一第二電感線圈L2，該第二電容C2和第二電感線圈L2相互並聯，同樣的，以其中一並聯節點構成一第一端，另一並聯節點構成一第二端，其第一端係與該輸出端O/P連接，第二端仍透過該第二接地電容Cg2與接地面GND連接；與前述第一電感線圈L1相同，該第二電感線圈L2主要係由複數柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面GND； 該第一接地電容Cg1係連接於輸入端I/P與接地面GND之間，該第三接地電容Cg3則連接於輸出端O/P與接地面GND之間。

關於前述低通濾波器進一步係由多層板製程所構成，其一較佳實施例係如圖2所示，係包括第一基板41至第六基板46，該第一基板41上形成有一接地金屬層410，以構成前述的接地面GND；該第二基板42上形成有三個電容金屬層421、422、423，其相對於第一基板41上的接地金屬層410，並分別與該接地金屬層410構成前述的第一至第三接地電容Cg1、Cg2、Cg3；該第三基板43上形成兩電容金屬層431、432且相互連接，該兩電容金屬層431、432分別相對於第二基板42上的其中兩個電容金屬層421、423，以分別構成前述第一、第二共振器10、20中的第一電容C1與第二電容C2；該第四基板44上形成有多個第一下連接層441和多個第二下連接層442，該第五基板45上形成有多數穿孔(圖中未示)，每一穿孔內分供設置一柱型電感451、452，各個柱型電感451、452分別垂直於第一基板41上的接地金屬層410，其中各柱型電感451的底端分別與第一下連接層441電性連接，各個柱型電感452的底端則分別與第二下連接層442電性連接；該第六基板46上形成有多個第一上連接層461和多個第二上連接層462，各個第一上連接層461分別與各柱型電感451頂端電性連接，各個第二上連接層462分別與各柱型電感452頂端電性連接；藉此，各個柱型電感451之兩端分別透過第一上連接層461、第一下連接層441連接以構成一繞匝，進而構成前述第一共振器10的第一電感線圈L1；各個柱型電感452之兩端則分別透過第二上連接層462、第二下連接層442連接以構成一繞匝，進而構成前述第二共振器20的第二電感線圈L2；前述第四基板44上位於中央的一第一下連接層441、一第二下連接層442除以一端相互連接外(構成T字形部分)，亦透過導通孔與第三基板43上 的兩電容金屬層431、432連接處和第二基板42上對應位置的電容金屬層422電連接，藉以使第一、第二電感線圈L1、L2分別與第一、第二電容C1、C2並聯，且透過第二接地電容Cg2連接地面GND。

除上述實施方式外，前述低通濾波器可進一步包括一第七基板(圖中未示)，並令第一上連接層、第二上連接層分別位在第七基板、第六基板上，而部分第二下連接層亦可形成在第五基板上，第四、第五基板上的第一、第二下連接層則透過層間導通孔相互連接。

利用上述具有共振結構的低通濾波器因採用柱型電感，得具有高Q值，其第一、第二電感線圈L1、L2的連接方式使得磁通量不會通過接地面GND，因而不會感應出鏡向電流，也不會抵銷磁通量而造成電感值下降，除此以外，由於第一、第二電感線圈L1、L2之間的耦合關係使其具有耦合線的特性，可以產生額外的傳輸零點及提高帶外抑制能力。請參閱圖3A、圖3B之特性曲線圖，根據模擬實驗的結果，該低通濾波器的截止頻率為2.17GHz，在該截止頻率下其具有較低的穿透損耗與回損。

上述的低通濾波器並適於微型化設計，其可以實現的元件尺寸包括2012(2.0mm×1.2mm)、1608(1.6mm×0.8mm)、1005(1.0mm×0.5mm)等。

本新型除適用於低通濾波器外，亦適用於帶通濾波器及高通濾波器，如圖4係本新型應用於帶通濾波器的電路構造，其包括一輸入端I/P、一輸出端O/P、一接地面GND、三個共振器(以下簡稱為第一至第三共振器10、20、30)和二個連接電容Cc；其中：該第一、第二共振器10、20之構造與前一實施例相同，分別由第一電容C1、第一電感線圈L1及第二電容C2、第二電感線圈L2並聯構成，其兩端的並聯節點分別構成一第一端及一第二端，其中第一共振器10的第一端連 接輸入端I/P，第二端連接接地面GND，第二共振器20的第一端連接輸出端O/P，第二端仍連接接地面GND。該第三共振器30與第一、第二共振器10、20構成耦合關係，其亦由並聯的一第三電容C3和一第三電感線圈L3組成，其兩端的並聯節點分別構成一第一端及一第二端，其第二端連接接地面GND，其第一端透過兩連接電容Cc分別與第一、第二共振器10、20的第一端連接。

請參閱圖5A、5B所示，根據模擬實驗的結果，前述帶通濾波器的中心頻率為575MHz，頻寬為200MHz，在該操作頻率下其具有較低的穿透損耗與回損。

如圖6係本新型應用於高通濾波器的電路構造，其包括一輸入端I/P、一輸出端O/P、一接地面GND、三個共振器(以下簡稱為第一至第三共振器10、20、30)和數個串接電容，本實施例中，該串接電容有四個，以下依序簡稱為第一至第四串接電容Cs1~Cs4；其中：與前一實施例不同的是：該第一至第三共振器10、20、30主要係由第一至第三電容C1~C3、第一至第三電感線圈L1~L3分別串接構成，並於電容與電感線圈串接節點的相對另端分別構成一第一端和一第二端，該第一至第三共振器10、20、30的第二端共同連接至接地面GND；其中，第一共振器10的第一端係透過第一串接電容Cs1與輸入端I/P連接，又透過第二串接電容Cs2與第三共振器30的第一端連接，該第二共振器20的第一端係透過第四串接電容Cs4與輸出端O/P連接，又透過第三串接電容Cs3與第三共振器30的第一端連接。

請參閱圖7A、7B所示，根據模擬實驗的結果，前述帶通濾波器的截止頻率為1002MHz，在該截止頻率下其具有較低的穿透損耗與回損。

10‧‧‧第一共振器

20‧‧‧第二共振器

Claims (6)

1. 一種微型化高Q值濾波器，包括有：一輸入端、一輸出端及一接地面；一第一共振器，具有一第一端及一第二端，其第一端與輸入端連接，第二端與接地端連接；該第一共振器具有一第一電容及一第一電感線圈，該第一電感線圈主要由複數柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面；一第二共振器，與該第一共振器構成耦合，該第二共振器具有一第一端及一第二端，其第一端與輸出端連接，第二端與接地端連接；該第二共振器具有一第二電容及一第二電感線圈，該第二電感線圈主要由複數柱型電感相互連接所構成，該柱型電感之軸線垂直於該接地面。
2. 如請求項1所述之微型化高Q值濾波器，進一步包括一第一接地電容、一第二接地電容及一第三接地電容；該第一共振器的第一電容和第一電感線圈係相互並聯，其中一並聯節點構成第一端，另一並聯節點構成第二端，其第一端係與該輸入端連接，其第二端透過該第二接地電容與接地端連接；該第二共振器的第二電容和第二電感線圈相互並聯，以其中一並聯節點構成第一端，另一並聯節點構成第二端，該第二共振器第一端係與該輸出端連接，第二端透過該第二接地電容與接地面連接；該第一接地電容係連接於輸入端與接地面之間，該第三接地電容連接於輸出端與接地面之間。
3. 如請求項1所述之微型化高Q值濾波器，進一步包括二個連接電容及一第三共振器，該第三共振器具有一第一端及一第二端； 該第一至第三共振器分別由一電容和一電感線圈相互並聯構成，其中一並聯節點構成第一端，另一並聯節點構成第二端；其中，該第三共振器的第一端透過兩連接電容分別與該第一、第二共振器的第一端連接。
4. 如請求項1所述之微型化高Q值濾波器，進一步包括第一至第四四串接電容及一第三共振器，該第三共振器具有一第一端及一第二端；該第一至第三共振器分別由一電容和一電感線圈相互串接構成，該電容和電感線圈相對於串接節點的另端分別構成第一端及第二端；該第一共振器的第一端係透過第一串接電容與輸入端連接，又透過該第二串接電容與第三共振器的第一端連接，該第二共振器的第一端透過該第四串接電容與輸出端連接，又透過該第三串接電容與第三共振器的第一端連接。
5. 如請求項2所述之微型化高Q值濾波器，包括第一基板至第六基板，該第一基板上形成有一接地金屬層，以構成前述的接地面；該第二基板上形成有三個電容金屬層(421、422、423)，其相對於第一基板上的接地金屬層，並分別與該接地金屬層構成前述的第一至第三接地電容；該第三基板上形成兩電容金屬層(431、432)且相互連接，該兩電容金屬層(431、432)分別相對於第二基板上的其中兩個電容金屬層(421、423)，以分別構成前述第一、第二共振器中的第一電容與第二電容；該第四基板上形成有多個第一下連接層和多個第二下連接層，該第五基板上形成有多數穿孔，每一穿孔內分供設置一柱型電感(451、452)，各個柱型電感(451、452)分別垂直於第一基板上的接地金屬層，其中各柱型電感(451)的底端分別與第一下連接層電性連接，各個柱型電感(452)的底端則分別與第二下連接層電性連接； 該第六基板上形成有多個第一上連接層和多個第二上連接層，各個第一上連接層分別與各柱型電感(451)頂端電性連接，各個第二上連接層分別與各柱型電感(452)頂端電性連接；前述第四基板(44)上位於中央的一第一下連接層、第二下連接層以一端相互連接外，又與第三基板上的兩電容金屬層(431、432)連接處和第二基板上對應位置的電容金屬層(422)電連接。
6. 如請求項2所述之微型化高Q值濾波器，包括第一基板至第七基板，該第一基板上形成有一接地金屬層，以構成前述的接地面；該第二基板上形成有三個電容金屬層(421、422、423)，其相對於第一基板上的接地金屬層，並分別與該接地金屬層構成前述的第一至第三接地電容；該第三基板上形成兩電容金屬層(431、432)且相互連接，該兩電容金屬層(431、432)分別相對於第二基板上的其中兩個電容金屬層(421、423)，以分別構成前述第一、第二共振器中的第一電容與第二電容；該第四基板上形成有多個第一下連接層和多個第二下連接層，該第五基板上形成有多數穿孔及一個第二下連接層，每一穿孔內分供設置一柱型電感(451、452)，各個柱型電感(451、452)分別垂直於第一基板上的接地金屬層，其中各柱型電感(451)的底端分別與第一下連接層電性連接，各個柱型電感(452)的底端則分別與各個第二下連接層電性連接；該第六基板上形成有多個第二上連接層，各個第二上連接層分別與各柱型電感(452)頂端電性連接；該第七基板上形成有多個第一上連接層，各個第一上連接層分別與各柱型電感(451)頂端電性連接； 前述第四基板上位於中央的一第一下連接層和位於該第五基板上的第二下連接層相互連接，又與第三基板上的兩電容金屬層(431、432)連接處和第二基板上對應位置的電容金屬層(422)電連接。