專利名稱：低損耗射頻平面集成帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于通信系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種具有寬帶外抑制功能、低損耗、平面集成、小型化帶通濾波器。
背景技術(shù)：
射頻/微波帶通濾波器是現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其基本特性是允許特定頻帶內(nèi)信號(hào)通過(guò)，同時(shí)將其他頻帶的信號(hào)進(jìn)行衰減抑制。根據(jù)射頻/微波帶通濾波器在通信系統(tǒng)中收發(fā)通道的位置，其功能可以分為如下在接收通道中，此類濾波器常位于天線后級(jí)或低噪放后級(jí)，用于選取通信系統(tǒng)頻帶內(nèi)的信號(hào)，濾除帶外的噪聲和干擾信號(hào)；在發(fā)射通道中，濾波器常位于放大器或功放后級(jí)，用于消除在系統(tǒng)通信頻帶之外的雜散信號(hào)，避免對(duì)臨近系統(tǒng)的干擾。此外，射頻/微波濾波器在不同的場(chǎng)合還有一些特殊的用 途。高度集成是現(xiàn)代通信系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，能夠有效減小系統(tǒng)的體積，降低因分立模塊間轉(zhuǎn)接引入的額外損耗和系統(tǒng)功耗。尤其在移動(dòng)通信設(shè)備的研制中，集成化和小型化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。除了必須支持大功率容量的波導(dǎo)腔體或同軸腔體濾波器之外，通信系統(tǒng)中的其它濾波器均可采用平面化設(shè)計(jì)方式來(lái)提高集成度。常用的、能夠在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)的平面集成射頻/微波濾波器形式包括微帶濾波器，共面波導(dǎo)濾波器和基片集成波導(dǎo)濾波器等。其中，基片集成波導(dǎo)濾波器是基于波導(dǎo)腔體諧振模式工作的，在射頻和微波低頻段(<10 GHz)往往具有較大的體積(面積)?；谖Ь€和共面波導(dǎo)的濾波器可以實(shí)現(xiàn)較小的體積(面積)，但均為開放結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)集成時(shí)需要考慮與其他單元間留有一定的保護(hù)距離，同時(shí)在高頻時(shí)輻射損耗明顯。因此，對(duì)于低損耗、平面集成、小型化帶通濾波器的設(shè)計(jì)仍有明顯的提升空間。另一方面，常用的射頻/微波帶通濾波器大多數(shù)是基于耦合諧振結(jié)構(gòu)的，因此，由諧振器固有的寄生諧振會(huì)帶來(lái)寄生通帶的問(wèn)題。根據(jù)濾波器中諧振器的類型不同，寄生通帶通常出現(xiàn)在濾波器工作頻率的整數(shù)倍或奇數(shù)倍頻率上，這就會(huì)導(dǎo)致在寄生通帶內(nèi)的噪聲或干擾信號(hào)進(jìn)入通信系統(tǒng)，使得系統(tǒng)靈敏度降低，影響通信效率或者形成嚴(yán)重干擾。因此，如何消除射頻/微波帶通濾波器的寄生通帶，保持寬帶外抑制響應(yīng)也就成為濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。本實(shí)用新型針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，提出了一種基于平面基片集成同軸線(SubstrateIntegrated Coaxial Line, SICL)結(jié)構(gòu)的小型化濾波器形式，同時(shí)采用部分稱合機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的寬帶外抑制響應(yīng)。基片集成同軸線結(jié)構(gòu)是利用印刷電路工藝實(shí)現(xiàn)的一種類似同軸線的平面?zhèn)鬏斁€結(jié)構(gòu)，它包含內(nèi)、外導(dǎo)體兩部分。內(nèi)導(dǎo)體是由加在兩層介質(zhì)中間的金屬層構(gòu)成的，外導(dǎo)體是由介質(zhì)基片頂、底面金屬層和連通頂、底面金屬層的金屬化通孔陣列構(gòu)成。在射頻和微波低頻段時(shí)，金屬化通孔之間的間距遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，使得電磁波傳輸截止。因此，電磁波只能沿傳輸線徑向傳播，該傳輸線結(jié)構(gòu)為近似封閉結(jié)構(gòu)。該傳輸線的主模為TEM模式，由于介質(zhì)基片很薄并且通過(guò)調(diào)節(jié)金屬化通孔，可以有效避免高次模式的產(chǎn)生，保證其工作在TEM模式。根據(jù)TEM傳輸線的性質(zhì)，采用基片集成同軸線實(shí)現(xiàn)的諧振單元僅在一個(gè)維度上與工作波長(zhǎng)相關(guān)；同時(shí)，由于采用介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)，傳輸線的內(nèi)導(dǎo)體完全被介質(zhì)封閉，其電尺寸會(huì)進(jìn)一步縮減。采用基片集成同軸線實(shí)現(xiàn)濾波器結(jié)構(gòu)，有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，滿足平面電路集成的優(yōu)勢(shì)，其分析設(shè)計(jì)方法可以參考其他TEM傳輸線濾 波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行。

實(shí)用新型內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型提供了一種適用于通信系統(tǒng)的、可采用介質(zhì)基片實(shí)現(xiàn)的、平面集成、小型化、低損耗射頻/微波帶通濾波器的技術(shù)方案本實(shí)用新型的低損耗射頻平面集成帶通濾波器，是基于平面基片集成同軸線結(jié)構(gòu)，采用四分之一波長(zhǎng)諧振器作為諧振單元，通過(guò)部分耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)具有寬帶外抑制特點(diǎn)的帶通濾波器。本實(shí)用新型的濾波器是基于耦合諧振結(jié)構(gòu)的，其中所有諧振器均為四分之一波長(zhǎng)型基片集成同軸線諧振器。采用四分之一波長(zhǎng)諧振器的濾波器，其第一個(gè)寄生通帶在工作頻率的三倍頻出現(xiàn)。結(jié)合部分耦合機(jī)理，可以將濾波器的第一個(gè)寄生通帶推遲到工作頻率的五倍頻以后出現(xiàn)，有效的增大了帶外抑制的范圍。本實(shí)用新型的低損耗射頻平面集成帶通濾波器，從上至下依次為頂面金屬層、上層介質(zhì)基片、中間金屬層、下層介質(zhì)基片和底面金屬層。頂面金屬層包括位于上層介質(zhì)基片上表面中心線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)微帶線和位于兩個(gè)微帶線之間的濾波器上表面外導(dǎo)體。中間金屬層包括位于下層介質(zhì)基片上表面的內(nèi)部諧振器、對(duì)稱設(shè)置于內(nèi)部諧振器左右兩側(cè)的兩個(gè)外部諧振器和位于外部諧振器外側(cè)的兩個(gè)基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體，基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體與外部諧振器垂直連接，構(gòu)成了濾波器的輸入輸出。內(nèi)部諧振器和外部諧振器均為四分之一波長(zhǎng)諧振器，且均沿短路端向開路段實(shí)現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內(nèi)部諧振器同時(shí)向兩個(gè)外部諧振器方向階梯變寬，兩個(gè)外部諧振器僅在面向內(nèi)部諧振器一側(cè)階梯變寬。頂面金屬層與中間金屬層之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片的金屬化盲孔，金屬化盲孔將微帶線的內(nèi)側(cè)端與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外側(cè)端相連。頂面金屬層與底面金屬層之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片、下層介質(zhì)基片的金屬化通孔，金屬化通孔組成了圍繞微帶線內(nèi)側(cè)一端的保護(hù)通孔陣列、位于內(nèi)部諧振器窄段與兩個(gè)外部諧振器窄段之間的隔離通孔陣列、合圍濾波器內(nèi)部諧振器和外部諧振器的外圍通孔陣列。外圍通孔陣列上的臨近濾波器的輸入輸出端并與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體平行的一排金屬化通孔還與中間金屬層連通，形成短路。本實(shí)用新型中，隔離通孔陣列用于控制諧振器間的部分耦合，諧振器的電尺寸根據(jù)對(duì)基片集成同軸線的傳輸特性分析得到；諧振器間的耦合根據(jù)耦合諧振濾波器設(shè)計(jì)理論得到；部分耦合機(jī)制是采用傳輸線理論分析的。最終設(shè)計(jì)出的濾波器在帶通響應(yīng)之外，具有寬帶抑制特性。有益效果本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型的帶通濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，滿足平面電路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用。I.所設(shè)計(jì)濾波器實(shí)例可以滿足2. 4 GHz WLAN通信系統(tǒng)應(yīng)用需求。其中心頻率為2.35 GHz，對(duì)應(yīng)插入損耗為0. 96 dB ;在2. 3_2. 4GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于I. I dB。上述損耗包含了用于測(cè)試的一對(duì)接頭和轉(zhuǎn)接部分的損耗，因此，實(shí)際集成應(yīng)用中插入損耗更低。同時(shí)，濾波器具有較好的帶外衰減特性在頻率低于2 GHz時(shí)，衰減大于等于30 dB ;頻率在2.7-13.4 GHz時(shí)，衰減大于等于30 dB (8. 4±0. 01 GHz衰減大于等于27 dB)。2.所設(shè)計(jì)的濾波器外形尺寸僅為19. 8 mm X 24 mm X I. 13 mm。與商用表貼濾波器不同，該濾波器可在平面集成微波電路整體設(shè)計(jì)中集成，體積小，損耗小。3.該濾波器設(shè)計(jì)方法具有一般性，可以推廣至射頻和微波低頻段(〈8 GHz)，不需改變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)，僅調(diào)整諧振器的工作頻率就可滿足任意無(wú)線通信系統(tǒng)的需求，保持低損耗和寬帶外抑制的特性。4.所提出的濾波器結(jié)構(gòu)具有封閉特性，可以與其他電路和器件緊湊集成；同時(shí)，該濾波器結(jié)構(gòu)適用于在多層印刷電路板結(jié)構(gòu)中的夾層實(shí)現(xiàn)，為在多層印刷電路板表層布局布線節(jié)約了空間。5.整個(gè)濾波器自成一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，全部利用印刷電路板工藝生產(chǎn)，成本低、精度 高、重復(fù)性好，適合大批量生產(chǎn)。

圖I為本實(shí)用新型的基于平面基片集成同軸線的帶通濾波器剖面圖(沿微帶線-基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體中間剖開)。圖2為濾波器頂面金屬層示意圖。圖3為濾波器中間金屬層示意圖。圖4為濾波器底面金屬層示意圖。圖5為實(shí)施實(shí)例I的S參數(shù)測(cè)量結(jié)果。圖6為實(shí)施實(shí)例I的通帶內(nèi)的插入損耗測(cè)量結(jié)果。圖中有上層介質(zhì)基片1，下層介質(zhì)基片2,頂面金屬層3,中間金屬層4,底面金屬層5，微帶線31，濾波器上表面外導(dǎo)體32，內(nèi)部諧振器41，外部諧振器42，基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體43，金屬化盲孔11，金屬化通孔12，保護(hù)通孔陣列13，隔離通孔陣列14，外圍通孔陣列15。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型所提出的濾波器是基于基片集成同軸線結(jié)構(gòu)的?；赏S線通常采用三層金屬印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)。三層金屬印刷電路需要利用粘結(jié)層將兩個(gè)核心介質(zhì)層粘接而成，其中粘結(jié)層很薄，可以忽略不計(jì)?；赏S線的內(nèi)導(dǎo)體在中間層金屬實(shí)現(xiàn)，外導(dǎo)體由頂、底面金屬層和連接頂、底面金屬層的金屬化通孔陣列構(gòu)成。通過(guò)控制內(nèi)導(dǎo)體兩側(cè)的金屬化通孔陣列間距，可以保證該傳輸線為單一 TEM模式傳播，因此，傳播常數(shù)和阻抗特性均可由TEM傳輸線分析公式得到。所提出濾波器中采用的四分之一波長(zhǎng)諧振器可以根據(jù)基片集成同軸線的傳輸特性計(jì)算得到。諧振器間的部分耦合通過(guò)對(duì)耦合諧振器的分析得至IJ，通過(guò)在諧振器間添加金屬化通孔陣列的方式來(lái)控制耦合長(zhǎng)度。帶通濾波器的設(shè)計(jì)采用耦合矩陣進(jìn)行，依據(jù)耦合矩陣得到合適的諧振器間距和輸入輸出的位置。最終，需要將濾波器的接口從基片集成同軸線轉(zhuǎn)接到微帶線以方便測(cè)試。在實(shí)際生產(chǎn)和使用中，是無(wú)需此轉(zhuǎn)接的。[0026]本實(shí)用新型的低損耗射頻平面集成帶通濾波器，從上至下依次為頂面金屬層3、上層介質(zhì)基片I、中間金屬層4、下層介質(zhì)基片2、底面金屬層5。頂面金屬層3包括位于上層介質(zhì)基片I上表面中心線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)微帶線31和位于兩個(gè)微帶線31之間的濾波器上表面外導(dǎo)體32。中間金屬層4包括位于下層介質(zhì)基片2上表面的內(nèi)部諧振器41、對(duì)稱設(shè)置于內(nèi)部諧振器41左右兩側(cè)的兩個(gè)外部諧振器42和位于外部諧振器42外側(cè)的兩個(gè)基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體43，基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體43與外部諧振器42垂直連接，構(gòu)成了濾波器的輸入輸出。內(nèi)部諧振器41和外部諧振器42均為四分之一波長(zhǎng)諧振器，內(nèi)部諧振器41和外部諧振器42均在臨近濾波器的輸入輸出一端短路，且均沿短路端向開路段實(shí)現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內(nèi)部諧振器41同時(shí)向兩個(gè)外部諧振器42方向階梯變寬，兩個(gè)外部諧振器42僅在面向內(nèi)部諧振器41 一側(cè)階梯變寬。頂面金屬層3與中間金屬層4之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片I的金屬化盲孔11，金屬化盲孔11將微帶線31的內(nèi)側(cè)端與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體43的外側(cè)端相連；頂面金屬層3與底面金屬層5之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片I、下層介質(zhì)基片2的金屬化通孔12，金屬化通孔12組成了圍繞微帶線31內(nèi)側(cè)一端的保護(hù)通孔陣列13、位于內(nèi)部諧振器41窄段與兩個(gè)外部諧振器42窄段之間的隔離通孔陣 列14、合圍濾波器內(nèi)部諧振器41和外部諧振器42的外圍通孔陣列15。外圍通孔陣列15上的臨近濾波器的輸入輸出端并與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體43平行的一排金屬化通孔12還與中間金屬層4連通，形成短路。實(shí)施例I :濾波器結(jié)構(gòu)如圖I所示，尺寸單位均為mm。本實(shí)施例的基片尺寸為19.8X24X1. 13。實(shí)測(cè)的濾波器S參數(shù)和插入損耗的結(jié)果示于圖4和圖5。本實(shí)施例的濾波器包含采用基片集成同軸線構(gòu)成的濾波器部分和用于測(cè)試的微帶線，采用三層金屬層和兩層介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)。濾波器由位于中間金屬層的三個(gè)四分之一波長(zhǎng)基片集成同軸線諧振器構(gòu)成，諧振器與外部輸入輸出端口直接耦合，通過(guò)添加隔離盲孔和改變諧振器之間的間距對(duì)耦合量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)帶通響應(yīng)和寬帶外抑制特性。本實(shí)施例的濾波器中心頻率為2. 35 GHz，對(duì)應(yīng)插入損耗為0. 96 dB ;在2. 3-2. 4GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于I. I dB。上述損耗包含了用于測(cè)試的一對(duì)接頭和轉(zhuǎn)接部分的損耗。同時(shí)，濾波器具有較好的帶外衰減特性在頻率低于2 GHz時(shí)，衰減大于等于30dB ;頻率在2. 7-13. 4 GHz時(shí)，衰減大于等于27 dB。
權(quán)利要求1.一種低損耗射頻平面集成帶通濾波器，其特征在干，該濾波器從上至下依次為頂面金屬層(3)、上層介質(zhì)基片(I)、中間金屬層(4)、下層介質(zhì)基片(2)、底面金屬層(5)； 所述頂面金屬層(3)包括位于所述上層介質(zhì)基片(I)上表面中心線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)微帶線(31)和位于所述兩個(gè)微帶線(31)之間的濾波器上表面外導(dǎo)體(32)； 所述中間金屬層(4)包括位于所述下層介質(zhì)基片(2)上表面的內(nèi)部諧振器(41)、對(duì)稱設(shè)置于所述內(nèi)部諧振器(41)左右兩側(cè)的兩個(gè)外部諧振器(42)和位于所述外部諧振器(42)外側(cè)的兩個(gè)基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體(43)，所述基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體(43)與外部諧振器(42)垂直連接，構(gòu)成了濾波器的輸入輸出；所述內(nèi)部諧振器(41)和外部諧振器(42)均為四分之一波長(zhǎng)諧振器，且均沿短路端向開路段實(shí)現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內(nèi)部諧振器(41)同時(shí)向兩個(gè)外部諧振器(42)方向階梯變寬，兩個(gè)外部諧振器(42)僅在面向內(nèi)部諧振器(41) 一側(cè)階梯變寬； 所述頂面金屬層(3)與中間金屬層(4)之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片(I)的金屬化盲孔(11)，所述金屬化盲孔(11)將微帶線(31)的內(nèi)側(cè)端與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體(43)的外側(cè)端相連；頂面金屬層(3)與底面金屬層(5)之間連接有穿過(guò)上層介質(zhì)基片(I)、下層介質(zhì)基片(2)的金屬化通孔(12)，所述金屬化通孔(12)組成了圍繞微帶線(31)內(nèi)側(cè)一端的保護(hù)通孔陣列(13)、位于內(nèi)部諧振器(41)窄段與兩個(gè)外部諧振器(42)窄段之間的隔離通孔陣列(14)、合圍濾波器內(nèi)部諧振器(41)和外部諧振器(42)的外圍通孔陣列(15);所述外圍通孔陣列(15)上的臨近濾波器的輸入輸出端并與基片集成同軸線內(nèi)導(dǎo)體(43)平行的ー排金屬化通孔(12)還與中間金屬層(4)連通，形成短路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種低損耗射頻平面集成帶通濾波器，是基于平面基片集成同軸線結(jié)構(gòu)，采用四分之一波長(zhǎng)諧振器作為諧振單元，通過(guò)部分耦合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)具有寬帶外抑制特點(diǎn)的帶通濾波器。本實(shí)用新型針對(duì)平面集成和小型化無(wú)線通信設(shè)備的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)了具有低損耗、寬帶外抑制、可與平面射頻微波電路一體集成的小型化帶通濾波器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧，滿足平面電路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)濾波器在通帶外具有寬頻帶衰減抑制特性。
文檔編號(hào)H01P1/203GK202564510SQ20122009937
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者張彥, 洪偉, 陳繼新 申請(qǐng)人:東南大學(xué)