WO2018193318A2 - 一种悬置带线滤波器 - Google Patents

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    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
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    • H01P1/20327—Electromagnetic interstage coupling
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    • H01P1/20363—Linear resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of communications technologies, and in particular, to a suspended strip line filter. Background technique
  • a microstrip filter is widely used in wireless communication systems because of the use of a PCB process and easy integration with active circuits.
  • the loss of the microstrip filter is large, and the loss of the filter affects the power consumption and receiving sensitivity of the RF system, and for the UWB (UWB, Ultra Wide Band) system.
  • the metal mask on the PCB in the microstrip filter may need to make very small gaps to enhance the coupling. The difference between the physical and simulation caused by the manufacturing process error will affect the performance of the filter. .
  • the PCB uses Rogers RO4350 material, which has a dielectric loss angle of 0.004, if implementing a 5th-order passband at 3300-3700
  • the microstrip filter has an unloaded Q of approximately 100-150, while a tubular-based suspension strip filter has a Q of 260 and a maximum and minimum loss of 0.9dB and 1.48dB in the passband, respectively. See the curve m2) of Figure 8.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a suspension line filter in the prior art, the suspension line filter including an upper cavity 101 and a lower cavity 102 of a metal cavity, a PCB 103, and a resonator located on the bottom or top layer of the PCB (Metal patterns) 104-1, 104-2 and 104-3, however, there is an electric field distribution in the PCB 103 (it is to be noted that only part of the electric field distribution is shown in Fig.
  • a suspended strip line filter includes a metal cavity and a plurality of PCBs located in the metal cavity, wherein, for each PCB, respectively
  • the two metal patterns on the top and bottom layers of the PCB are the same, and the two metal patterns are connected through a series of vias.
  • the projected position of the resonant unit on each of the PCBs of the suspended strip line filter is hollowed out on other PCBs.
  • adjacent two resonant units are respectively located on two adjacent PCBs.
  • each resonant unit utilizes two layers of metal patterns of the bottom layer and the top layer of one PCB, respectively, and a series of vias for connecting the two layers of metal patterns
  • the suspended strip line filter of the present invention has a small dielectric loss and a high unloaded Q value
  • the resonance unit can be made by hollowing out the projection position of the resonance unit on each PCB on the other PCB. With metal cavity wall The electric field between them is completely distributed in the air, which can further reduce the influence of the dielectric loss and increase the Q value of the resonant unit.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a resonator distribution of a suspension line filter in the prior art
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a suspension line filter in the prior art
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a suspended strip line filter according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a basic resonant unit in the suspended strip line filter of FIG. 3
  • FIG. Top view with line filter
  • Figure 6 is a perspective view of the suspended belt line filter shown in Figure 3;
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a comparison of S-parameter curves of a conventional suspended strip line filter and a suspended strip line filter of the present invention.
  • Fig. 8 is a view showing the comparison of the in-band loss characteristics of the conventional suspended strip line filter and the suspended strip line filter of the present invention.
  • the present invention provides a novel suspended strip line filter, wherein the suspended strip line filter comprises a metal cavity and a plurality of PCBs located in the metal cavity, wherein, for each PCB, respectively The top and bottom layers of the PCB have the same two metal patterns, and the two metal patterns are connected by a series of vias.
  • each of the resonating units simultaneously utilizes two metal patterns of the bottom and top layers of one PCB and a series of vias for connecting the two metal patterns.
  • the suspended strip line filter of the present invention has a small dielectric loss and a high unloaded Q value. It should be noted that the suspended strip line filter of the present invention does not require a special manufacturing process, and is fully compatible with current PCB and processing/die casting processes, and thus has a low cost.
  • the vias have a pitch less than one-eighth of a wavelength.
  • the coupling strength between the resonant units is determined by the distance between adjacent PCBs and the position of adjacent resonant units. Specifically, the smaller the vertical distance between adjacent PCBs, the closer the adjacent resonant units are in the horizontal direction, the stronger the coupling strength between the adjacent resonant units.
  • a predetermined range (such as not less than 1 mm) may be preset, and any value in the predetermined range may be selected as a vertical distance between adjacent PCBs, and a value may be selected from the predetermined range based on actual demand.
  • the vertical distance between adjacent PCBs It should be noted that the vertical distance between adjacent PCBs affects the distance of adjacent I-type resonant units, and the smaller the vertical distance, the farther the distance between adjacent I-shaped resonant units.
  • a predetermined range (for example, not less than 1 mm) may be preset, and any value in the predetermined range may be selected as a vertical distance between any PCB and the metal cavity, and may be within the predetermined range based on actual needs. Choose a value as the vertical distance between the PCB and the metal cavity. It should be noted that the size of the vertical distance between the PCB and the metal cavity affects the size of the adjacent I-shaped resonance unit, and the smaller the vertical distance, the thinner the thick line on both sides of the I-shaped resonance unit/ The shorter, the thinner/longer the thin line in the middle.
  • the suspended strip line filter further includes a support structure for supporting the plurality of PCBs and for precisely controlling a vertical distance between adjacent PCBs.
  • the position of the support structure is adjustable to adjust the vertical distance between adjacent PCBs.
  • the support structure may be one or more independent structures, or the support structure is integral with the metal cavity.
  • the metal cavity has two PCBs, and two adjacent resonant units are respectively located on the two PCBs.
  • the projected position of the resonant unit on each PCB of the suspended strip line filter is hollowed out on other PCBs. The preferred solution allows the electric field between the resonant unit and the wall of the metal chamber to be completely distributed in the air, thereby further reducing the influence of the dielectric loss and increasing the Q value of the resonant unit.
  • two adjacent resonant units are respectively located on two adjacent PCBs. Based on the preferred scheme, adjacent resonant units are coupled by air (that is, the electric field between adjacent resonant units is completely Distributed in the air).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a suspended strip line filter including a metal cavity 301 and two PCBs, which are respectively recorded as: 302-1, 302-, in accordance with a preferred embodiment of the present invention. 2.
  • the two metal patterns respectively located on the top layer and the bottom layer of each PCB are the same, and the two metal patterns are connected through a series of vias 303, that is, each of the suspension line filters is simultaneously utilized.
  • adjacent resonant units are located on 302-1 and 302-2, respectively, and the projected positions of the two resonant units on 302-1 on 302-2 are hollowed out, and one resonant unit on 302-2 is at 302. - The projected position on 1 is hollowed out. It should be noted here that a small part of the adjacent resonant unit may be directly opposite, and the projected position of the facing portion is not to be dug.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the basic resonant unit in the suspended strip line filter of Figure 3.
  • one end of the thin wire on the PCB (in this example, the thin line width is 20mil) forms a series inductance
  • a thick line on the PCB in this example, the thick line width is 512mil
  • a basic resonant unit has a high unloaded Q value.
  • the unloaded Q value of the suspended strip line filter shown in Figure 3 is increased by at least 60%, so the loss is also greatly reduced.
  • Fig. 5 is a plan view of the suspended strip line filter shown in Fig. 3.
  • the filter in Fig. 5 includes five I-shaped resonance units.
  • Figure 6 is a perspective view of the suspended strip line filter of the suspended strip line filter of Figure 3, with the projected position of each I-shaped resonant unit on other PCB boards being hollowed out.
  • Figure ⁇ is a schematic diagram comparing the S-parameter curves of the suspension-line filter based on the tubular structure of the prior art and the suspended strip line filter of the present invention. As can be seen from Fig. 7, the out-of-band response of the suspended strip line filter based on the tubular structure and the suspended strip line filter of the present invention is almost identical.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing comparison of in-band loss characteristics of a suspension-type line filter based on a tubular structure and a suspended strip line filter of the present invention, wherein ml is a suspension line filter of the present invention.
  • In-band loss characteristic curve, m2 is the in-band loss characteristic curve of the prior art tubular line-based suspension strip line filter.
  • the minimum in-band loss of the suspended strip line filter of the present invention is about 0.54 dB when using a sheet of Rogers RO4350, and the in-band of a suspended strip line filter based on a tubular structure The minimum value of the loss is about 0.9 dB.
  • the in-band loss of the suspended strip line filter of the present invention is superior to the prior art suspended strip line filter based on the tubul ar structure. It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the details of the above-described exemplary embodiments, and can be used without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. His specific form implements the invention. Therefore, the present embodiments are to be considered as illustrative and not restrictive, and the scope of the invention is defined by the appended claims All changes in the meaning and scope of equivalent elements are included in the present invention. Any reference signs in the claims should not be construed as limiting the claim.

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Abstract

本发明提供一种悬置带线滤波器，其中，所述悬置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个PCB，其中，对于每个PCB，分别位于该PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一系列过孔相连。与现有技术相比，本发明的悬置带线滤波器的介质损耗较小，无载Q值较高。

Description

一种悬置带线滤波器 技术领域
本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种悬置带线滤波器。 背景技术
现有技术中， 因为使用了 PCB工艺， 易于与有源电路相集成， 微 带滤波器 （Microstrip Filter) 在无线通信系统中被广泛应用。 但是， 由于 PCB 材料的介质损耗较大， 使得微带滤波器损耗较大， 而滤波 器的损耗会影响射频系统的功耗和接收灵敏度， 同时对于超宽带 (UWB , Ultra Wide Band) 系统而言， 微带滤波器中 PCB上的金属 图案 （metal mask) 之间可能需要做出非常小的间隙来增强耦合， 制 造工艺的误差所带来的实物与仿真之间的差异会影响滤波器的性能。
yu bin等人在 2015年 IEEE计算解决方案国际会议 （ICCP) 上发 表 了 名 为 "High-Performance Ultra- Wideband Tubular Suspended Stripline Bandpass Filter" 的 论 文 （ 见 第 11-13 页 ， DOI: 10.1109/ICCPS.2015.7454077), 其中提出了一种基于 tubular结构的悬 置带线滤波器，该方案利用悬置带线结构优化了滤波器的损耗，其中， 该悬置带线滤波器中仅包含一个 PCB，且相邻的谐振器分别位于 PCB 的顶层和底层 （也即一个谐振器仅利用 PCB 的顶层或者底层） ， 能 够通过改变谐振器之间的距离来控制耦合系数， 如图 1所示为现有技 术中的悬置带线滤波器的谐振器分布示意图， 其中， /,· ( =1,2,3,4,5 ) ， /7.(/=1,3,5,7)， gk
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用于表示与谐振器相关的各种尺寸， 在 此不作详细描述。 相比现有技术中的微带滤波器， 该悬置带线滤波器 中的谐振器在 PCB 的两侧是两两相对的， 因此耦合较强， 所以非常 适用于超宽带应用。 作为一个示例， PCB使用 Rogers RO4350材料， 该材料的介质损耗角是 0.004， 如果实现一个 5 阶通带在 3300-3700 的微带滤波器， 无载 Q值大约在 100- 150， 而基于 tubular结构的悬置 带线滤波器的 Q 值可以达到 260， 通带内的最大和最小损耗分别为 0.9dB和 1.48dB (可见图 8的曲线 m2) 。
然而， 该悬置带线滤波器的损耗仍然不够好。 图 2为现有技术中 的悬置带线滤波器的剖面示意图， 该悬置带线滤波器包括金属腔的上 腔体 101和下腔体 102， PCB 103 ,位于 PCB底层或顶层的谐振器（金 属图案） 104-1、 104- 2和 104-3， 然而， PCB 103中存在电场分布 （需 要说明的是， 图 2中仅示出了部分电场分布） ， 如谐振器 104- 1与底 部的金属腔壁之间的电场会穿过 PCB 103(见图 2中左侧穿过 PCB 103 的电场），谐振器 104- 2与 104-3相对的部分之间的电场也会穿过 PCB 103 (见图 2中右侧穿过 PCB 103的电场） 。 由此可知， 上述悬置带 线滤波器并未实现真正的"悬置"， 对于谐振器而言， 介质中仍然存在 电场分布， 因而某种程度上介质损耗仍然影响了滤波器的损耗。 发明内容
本发明的目的是提供一种新型的悬置带线滤波器。
根据本发明的一个方面， 提供一种悬置带线滤波器， 其中， 所述悬 置带线滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个 PCB， 其中， 对 于每个 PCB， 分别位于该 PCB 的顶层和底层的两层金属图案相同， 且 所述两层金属图案通过一系列过孔相连。
根据本发明的另一方面，所述悬置带线滤波器的每个 PCB上的谐 振单元在其他 PCB上的投影位置被挖空。
根据本发明的另一方面， 相邻的两个谐振单元分别位于相邻的两 个 PCB上。
与现有技术相比， 本发明具有以下优点： 每一个谐振单元同时利 用了分别一个 PCB 的底层和顶层的两层金属图案以及用于连接该两 层金属图案的一系列过孔， 与现有技术相比， 本发明的悬置带线滤波 器的介质损耗较小， 无载 Q值较高； 此外， 通过挖空每个 PCB上的 谐振单元在其他 PCB 上的投影位置， 能够使得谐振单元与金属腔壁 之间的电场完全分布在空气中， 从而能够进一步降低介质损耗的影 响， 提升谐振单元的 Q值。 附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
图 1为现有技术中的悬置带线滤波器的谐振器分布示意图； 图 2为现有技术中的悬置带线滤波器的剖面示意图；
图 3为本发明一个优选实施例的悬置带线滤波器的剖面示意图； 图 4为图 3所示悬置带线滤波器中的基本谐振单元的示意图； 图 5为图 3所示悬置带线滤波器的俯视图；
图 6为图 3所示悬置带线滤波器的斜视图；
图 7为现有悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的 S参数 曲线的比较示意图；
图 8为现有悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的带内损 耗特性的比较示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。 具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种新型的悬置带线滤波器， 其中， 所述悬置带线 滤波器包括金属腔以及位于所述金属腔内的多个 PCB， 其中， 对于每 个 PCB， 分别位于该 PCB 的顶层和底层的两层金属图案相同， 且所 述两层金属图案通过一系列过孔相连。 根据本发明的悬置带线滤波 器， 每一个谐振单元同时利用了分别一个 PCB 的底层和顶层的两层 金属图案以及用于连接该两层金属图案的一系列过孔。
需要说明的是， 对于每个 PCB， 由于分别位于该 PCB 的顶层和 底层的两层金属图案相同， 且该两层金属图案通过一系列过孔相连， 因此， 该两层金属图案等电位， 从而使得该两层金属图案之间不存在 电场。
与现有技术相比， 本发明的悬置带线滤波器的介质损耗较小， 无 载 Q值较高。 需要说明的是， 本发明的悬置带线滤波器并不需要特殊 的制造过程， 其可以完全兼容目前的 PCB和加工 /压铸过程， 因此成 本较低。
优选地， 所述过孔的间距小于八分之一波长。
优选地， 谐振单元之间的耦合强度由相邻 PCB 之间的距离和相 邻谐振单元的位置来决定。 具体地， 相邻 PCB之间的垂直距离越小， 相邻谐振单元在水平方向上越接近， 则所述相邻谐振单元之间的耦合 强度越强。
其中， 可预先设定一个预定范围 （如不小于 lmm) ， 该预定范围 中的任意数值均可被选择为相邻 PCB 之间的垂直距离， 可基于实际 需求来从该预定范围内选择一个数值作为相邻 PCB之间的垂直距离。 需要说明的是， 相邻 PCB 之间的垂直距离的大小会影响相邻工字型 谐振单元的距离， 且所述垂直距离越小， 相邻工字型谐振单元的距离 越远。
其中， 可预先设定一个预定范围 （如不小于 lmm) ， 该预定范围 中的任意数值均可被选择为任一 PCB 与金属腔之间的垂直距离， 可 基于实际需求来从该预定范围内选择一个数值作为 PCB 与金属腔之 间的垂直距离。 需要说明的是， PCB与金属腔之间的垂直距离的大小 会影响相邻工字型谐振单元的尺寸， 且所述垂直距离越小， 工字型谐 振单元的两侧粗线部分越细 /越短， 中间的细线部分越细 /越长。
优选地， 所述悬置带线滤波器还包括支撑结构， 所述支撑结构用 于对所述多个 PCB起支撑作用， 且用于精确控制相邻 PCB之间的垂 直距离。 优选地， 所述支撑结构的位置可调整， 以调整相邻 PCB 之 间的垂直距离。 需要说明的是， 所述支撑结构可为一个或多个独立结 构， 或者， 所述支撑结构与所述金属腔为一体的。
作为一种优选方案， 所述金属腔内具有两个 PCB， 相邻的两个谐 振单元分别位于该两个 PCB上。 作为一种优选方案， 所述悬置带线滤波器的每个 PCB 上的谐振 单元在其他 PCB 上的投影位置被挖空。 该优选方案使得谐振单元与 金属腔壁之间的电场完全分布在空气中， 从而能够进一步降低介质损 耗的影响， 提升谐振单元的 Q值。
作为一种优选方案， 相邻的两个谐振单元分别位于相邻的两个 PCB上， 基于该优选方案， 相邻谐振单元之间通过空气耦合 （也即， 相邻谐振单元之间的电场完全分布在空气中） 。
需要说明的是， 当相邻的两个谐振单元分别位于不相邻的两个 PCB上时 （此时悬置带线滤波器中包括至少 3个 PCB) ， 若仅挖空每 个谐振单元在其他 PCB 上的投影位置， 则相邻的两个谐振单元之间 的部分电场会分布在该两个不相邻的 PCB之间的其他 PCB 中， 该情 形下， 优选地， 可通过挖空所述其他 PCB 中可能存在电场分布的部 分位置， 以使所述相邻的两个谐振单元之间的电场完全分布在空气 中， 以将介质损耗的影响降到最低。
图 3为本发明一个优选实施例的悬置带线滤波器的剖面示意图， 该悬置带线滤波器包括金属腔 301 以及两个 PCB， 该两个 PCB分别 记为： 302-1、 302-2。 其中， 分别位于每个 PCB的顶层和底层的两层 金属图案相同， 且该两层金属图案通过一系列过孔 303相连， 也即， 该悬置带线滤波器中的每一个谐振单元同时利用了分别位于一个 PCB 的底层和顶层的两层金属图案以及用于连接该两层金属图案的 一系列过孔。 其中， 相邻的谐振单元分别位于 302- 1和 302- 2上， 且 302-1上的两个谐振单元在 302- 2上的投影位置被挖空， 302- 2上的一 个谐振单元在 302- 1上的投影位置被挖空。 此处需要说明的是， 相邻 谐振单元有小部分可能是正对的， 该正对部分的投影位置并不会被挖 工 o
由图 3可看出， 每个谐振单元与金属腔壁 （也即图 3中最外围的 灰色部分） 之间的电场完全分布在空气中， 相邻谐振单元之间的电场 同样完全分布在空气中， 也即， 两个 PCB 中并不存在电场分布， 相 比基于 tubular结构的悬置带线滤波器， 图 3 的悬置带线滤波器中完 全消除了 PCB 中能量耦合造成的损耗， 也即， 介质损耗的影响被降 到最低。
图 4为图 3所示悬置带线滤波器中的基本谐振单元的示意图。其 中， PCB上的一端细线 （本例中细线宽度为 20mil) 形成了一个串联 电感， PCB上的一段粗线 （本例中粗线宽度为 512mil) 形成了两端的 一对并联电容。 由图 4可知， 由于半集总电感和电容的金属信号层与 他们的参考地之间几乎完全由空气填充， 并无介质， 所以这样的基本 谐振单元拥有较高的无载 Q值。
相比基于 tubular结构的悬置带线滤波器， 图 3所示的悬置带线 滤波器的无载 Q值提升了至少 60%， 因此损耗也大大降低。
图 5为图 3所示悬置带线滤波器的俯视图， 图 5中的滤波器包含 5个工字型谐振单元。 图 6为图 3所示悬置带线滤波器的悬置带线滤 波器的斜视图， 每一个工字型谐振单元在其他 PCB 板上的投影位置 已挖空。
图 Ί 为现有技术中基于 tubular结构的悬置带线滤波器和本发明 的悬置带线滤波器的 S参数曲线的比较示意图。 由图 7可看出， 基于 tubular 结构的悬置带线滤波器和本发明的悬置带线滤波器的带外响 应几乎一致。
图 8 为现有技术中基于 tubular结构的悬置带线滤波器和本发明 的悬置带线滤波器的带内损耗特性的比较示意图， 其中， ml 为本发 明的悬置带线滤波器的带内损耗特性曲线， m2 为现有技术中基于 tubular结构的悬置带线滤波器的带内损耗特性曲线。 由图 8可看出， 在使用 Rogers RO4350的板材时， 本发明的悬置带线滤波器的带内损 耗的最小值约为 0.54dB， 而基于 tubular结构的悬置带线滤波器的带 内损耗的最小值约为 0.9 dB， 很明显地， 本发明的悬置带线滤波器的 带内损耗优于现有技术中基于 tub ul ar结构的悬置带线滤波器。 对于本领域技术人员而言， 显然本发明不限于上述示范性实施例 的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下， 能够以其 他的具体形式实现本发明。 因此， 无论从哪一点来看， 均应将实施例 看作是示范性的， 而且是非限制性的， 本发明的范围由所附权利要求 而不是上述说明限定， 因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和 范围内的所有变化涵括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标 记视为限制所涉及的权利要求。 此外， 显然"包括"一词不排除其他单 元或步骤， 单数不排除复数。 系统权利要求中陈述的多个单元或装置 也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。 第一， 第二等词 语用来表示名称， 而并不表示任何特定的顺序。

Claims

权 利 要 求 书
1. 一种悬置带线滤波器， 其中， 所述悬置带线滤波器包括金属腔以 及位于所述金属腔内的多个 PCB， 其中， 对于每个 PCB， 分别位于该 PCB的顶层和底层的两层金属图案相同，且所述两层金属图案通过一 系列过孔相连。
2. 根据权利要求 1所述的悬置带线滤波器， 其中， 一个 PCB上的 谐振单元在其他 PCB上的投影位置被挖空。
3. 根据权利要求 1所述的悬置带线滤波器， 其中， 过孔的间距小于 八分之一波长。
4. 根据权利要求 1所述的悬置带线滤波器， 其中， 相邻的两个谐 振单元分别位于相邻的两个 PCB上。
5. 根据权利要求 1所述的悬置带线滤波器， 其中， 谐振单元之间 的耦合强度由相邻 PCB之间的距离和相邻谐振单元的位置来决定。
6. 根据权利要求 1所述的悬置带线滤波器， 其中， 所述金属腔内 具有两个 PCB。
PCT/IB2018/000571 2017-04-21 2018-04-20 一种悬置带线滤波器 Ceased WO2018193318A2 (zh)

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