CN102610880A - 具有宽带外抑制的平面小型化通信带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽带外抑制的平面小型化带通滤波器，是基于平面基片集成同轴线结构，采用四分之一波长谐振器作为谐振单元，通过部分耦合的方式来实现具有宽带外抑制特点的带通滤波器。本发明针对平面集成和小型化无线通信设备的发展需求，实现了具有低损耗、宽带外抑制、可与平面射频微波电路一体集成的小型化带通滤波器，具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，同时滤波器在通带外具有宽频带衰减抑制特性。

Description

具有宽带外抑制的平面小型化通信带通滤波器

技术领域

本发明属于通信系统综合设计领域，具体涉及一种具有宽带外抑制功能、低损耗、平面集成、小型化带通滤波器。

背景技术

射频/微波带通滤波器是现代无线通信系统中不可或缺的组成部分，其基本特性是允许特定频带内信号通过，同时将其他频带的信号进行衰减抑制。根据射频/微波带通滤波器在通信系统中收发通道的位置，其功能可以分为如下：在接收通道中，此类滤波器常位于天线后级或低噪放后级，用于选取通信系统频带内的信号，滤除带外的噪声和干扰信号；在发射通道中，滤波器常位于放大器或功放后级，用于消除在系统通信频带之外的杂散信号，避免对临近系统的干扰。此外，射频/微波滤波器在不同的场合还有一些特殊的用途。

高度集成是现代通信系统发展的一个趋势，能够有效减小系统的体积，降低因分立模块间转接引入的额外损耗和系统功耗。尤其在移动通信设备的研制中，集成化和小型化设计势在必行。除了必须支持大功率容量的波导腔体或同轴腔体滤波器之外，通信系统中的其它滤波器均可采用平面化设计方式来提高集成度。常用的、能够在介质基片上实现的平面集成射频/微波滤波器形式包括：微带滤波器，共面波导滤波器和基片集成波导滤波器等。其中，基片集成波导滤波器是基于波导腔体谐振模式工作的，在射频和微波低频段（<10 GHz）往往具有较大的体积（面积）。基于微带线和共面波导的滤波器可以实现较小的体积（面积），但均为开放结构，在系统集成时需要考虑与其他单元间留有一定的保护距离，同时在高频时辐射损耗明显。因此，对于低损耗、平面集成、小型化带通滤波器的设计仍有明显的提升空间。

另一方面，常用的射频/微波带通滤波器大多数是基于耦合谐振结构的，因此，由谐振器固有的寄生谐振会带来寄生通带的问题。根据滤波器中谐振器的类型不同，寄生通带通常出现在滤波器工作频率的整数倍或奇数倍频率上，这就会导致在寄生通带内的噪声或干扰信号进入通信系统，使得系统灵敏度降低，影响通信效率或者形成严重干扰。因此，如何消除射频/微波带通滤波器的寄生通带，保持宽带外抑制响应也就成为滤波器设计技术的一个难点。

本发明针对上述两个问题，提出了一种基于平面基片集成同轴线（Substrate Integrated Coaxial Line, SICL）结构的小型化滤波器形式，同时采用部分耦合机制来实现所需的宽带外抑制响应。

基片集成同轴线结构是利用印刷电路工艺实现的一种类似同轴线的平面传输线结构，它包含内、外导体两部分。内导体是由加在两层介质中间的金属层构成的，外导体是由介质基片顶、底面金属层和连通顶、底面金属层的金属化通孔阵列构成。在射频和微波低频段时，金属化通孔之间的间距远小于波长，使得电磁波传输截止。因此，电磁波只能沿传输线径向传播，该传输线结构为近似封闭结构。该传输线的主模为TEM模式，由于介质基片很薄并且通过调节金属化通孔，可以有效避免高次模式的产生，保证其工作在TEM模式。根据TEM传输线的性质，采用基片集成同轴线实现的谐振单元仅在一个维度上与工作波长相关；同时，由于采用介质基片实现，传输线的内导体完全被介质封闭，其电尺寸会进一步缩减。采用基片集成同轴线实现滤波器结构，有着结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的优势，其分析设计方法可以参考其他TEM传输线滤波器的设计进行。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种适用于通信系统的、可采用介质基片实现的、平面集成、小型化、低损耗射频/微波带通滤波器的  

技术方案：本发明的具有宽带外抑制的平面小型化带通滤波器，是基于平面基片集成同轴线结构，采用四分之一波长谐振器作为谐振单元，通过部分耦合的方式来实现具有宽带外抑制特点的带通滤波器。本发明的滤波器是基于耦合谐振结构的，其中所有谐振器均为四分之一波长型基片集成同轴线谐振器。采用四分之一波长谐振器的滤波器，其第一个寄生通带在工作频率的三倍频出现。结合部分耦合机理，可以将滤波器的第一个寄生通带推迟到工作频率的五倍频以后出现，有效的增大了带外抑制的范围。

本发明的具有宽带外抑制的平面小型化带通滤波器，从上至下依次为顶面金属层、上层介质基片、中间金属层、下层介质基片和底面金属层。顶面金属层包括位于上层介质基片上表面中心线两侧对称设置的两个微带线和位于两个微带线之间的滤波器上表面外导体。中间金属层包括位于下层介质基片上表面的内部谐振器、对称设置于内部谐振器左右两侧的两个外部谐振器和位于外部谐振器外侧的两个基片集成同轴线内导体，基片集成同轴线内导体与外部谐振器垂直连接，构成了滤波器的输入输出。内部谐振器和外部谐振器均为四分之一波长谐振器，且均沿短路端向开路段实现由窄到宽的一次阶梯变化，其中内部谐振器同时向两个外部谐振器方向阶梯变宽，两个外部谐振器仅在面向内部谐振器一侧阶梯变宽。顶面金属层与中间金属层之间连接有穿过上层介质基片的金属化盲孔，金属化盲孔将微带线的内侧端与基片集成同轴线内导体的外侧端相连。顶面金属层与底面金属层之间连接有穿过上层介质基片、下层介质基片的金属化通孔，金属化通孔组成了围绕微带线内侧一端的保护通孔阵列、位于内部谐振器窄段与两个外部谐振器窄段之间的隔离通孔阵列、合围滤波器内部谐振器和外部谐振器的外围通孔阵列。外围通孔阵列上的临近滤波器的输入输出端并与基片集成同轴线内导体平行的一排金属化通孔还与中间金属层连通，形成短路。

本发明中，隔离通孔阵列用于控制谐振器间的部分耦合，谐振器的电尺寸根据对基片集成同轴线的传输特性分析得到；谐振器间的耦合根据耦合谐振滤波器设计理论得到；部分耦合机制是采用传输线理论分析的。最终设计出的滤波器在带通响应之外，具有宽带抑制特性。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优点：   

本发明的带通滤波器具有结构简单、体积小巧，满足平面电路集成的要求，并且具有成本低、便于批量生产等优点，因此适用于无线通信系统中应用。

1．所设计滤波器实例可以满足2.4 GHz WLAN通信系统应用需求。其中心频率为2.35 GHz，对应插入损耗为0.96 dB；在2.3-2.4GHz频带内插入损耗小于1.1 dB。上述损耗包含了用于测试的一对接头和转接部分的损耗，因此，实际集成应用中插入损耗更低。同时，滤波器具有较好的带外衰减特性：在频率低于2 GHz时，衰减大于等于30 dB；频率在2.7-13.4 GHz时，衰减大于等于30 dB（8.4±0.01 GHz衰减大于等于27 dB）。

2．所设计的滤波器外形尺寸仅为19.8 mm × 24 mm × 1.13 mm。与商用表贴滤波器不同，该滤波器可在平面集成微波电路整体设计中集成，体积小，损耗小。

3．该滤波器设计方法具有一般性，可以推广至射频和微波低频段（<8 GHz），不需改变滤波器结构，仅调整谐振器的工作频率就可满足任意无线通信系统的需求，保持低损耗和宽带外抑制的特性。

4．所提出的滤波器结构具有封闭特性，可以与其他电路和器件紧凑集成；同时，该滤波器结构适用于在多层印刷电路板结构中的夹层实现，为在多层印刷电路板表层布局布线节约了空间。   

5．整个滤波器自成一体，结构简单，全部利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明的基于平面基片集成同轴线的带通滤波器剖面图（沿微带线-基片集成同轴线内导体中间剖开）。

图2为滤波器顶面金属层示意图。

图3为滤波器中间金属层示意图。

图4为滤波器底面金属层示意图。

图5为实施实例1的S参数测量结果。

图6为实施实例1的通带内的插入损耗测量结果。

图中有：上层介质基片1，下层介质基片2，顶面金属层3，中间金属层4，底面金属层5，微带线31，滤波器上表面外导体32，内部谐振器41，外部谐振器42，基片集成同轴线内导体43，金属化盲孔11，金属化通孔12，保护通孔阵列13，隔离通孔阵列14，外围通孔阵列15。

具体实施方式

本发明所提出的滤波器是基于基片集成同轴线结构的。基片集成同轴线通常采用三层金属印刷电路板工艺实现。三层金属印刷电路需要利用粘结层将两个核心介质层粘接而成，其中粘结层很薄，可以忽略不计。基片集成同轴线的内导体在中间层金属实现，外导体由顶、底面金属层和连接顶、底面金属层的金属化通孔阵列构成。通过控制内导体两侧的金属化通孔阵列间距，可以保证该传输线为单一TEM模式传播，因此，传播常数和阻抗特性均可由TEM传输线分析公式得到。所提出滤波器中采用的四分之一波长谐振器可以根据基片集成同轴线的传输特性计算得到。谐振器间的部分耦合通过对耦合谐振器的分析得到，通过在谐振器间添加金属化通孔阵列的方式来控制耦合长度。带通滤波器的设计采用耦合矩阵进行，依据耦合矩阵得到合适的谐振器间距和输入输出的位置。最终，需要将滤波器的接口从基片集成同轴线转接到微带线以方便测试。在实际生产和使用中，是无需此转接的。

本发明的具有宽带外抑制的平面小型化带通滤波器，从上至下依次为顶面金属层3、上层介质基片1、中间金属层4、下层介质基片2、底面金属层5。顶面金属层3包括位于上层介质基片1上表面中心线两侧对称设置的两个微带线31和位于两个微带线31之间的滤波器上表面外导体32。中间金属层4包括位于下层介质基片2上表面的内部谐振器41、对称设置于内部谐振器41左右两侧的两个外部谐振器42和位于外部谐振器42外侧的两个基片集成同轴线内导体43，基片集成同轴线内导体43与外部谐振器42垂直连接，构成了滤波器的输入输出。内部谐振器41和外部谐振器42均为四分之一波长谐振器，内部谐振器41和外部谐振器42均在临近滤波器的输入输出一端短路，且均沿短路端向开路段实现由窄到宽的一次阶梯变化，其中内部谐振器41同时向两个外部谐振器42方向阶梯变宽，两个外部谐振器42仅在面向内部谐振器41一侧阶梯变宽。顶面金属层3与中间金属层4之间连接有穿过上层介质基片1的金属化盲孔11，金属化盲孔11将微带线31的内侧端与基片集成同轴线内导体43的外侧端相连；顶面金属层3与底面金属层5之间连接有穿过上层介质基片1、下层介质基片2的金属化通孔12，金属化通孔12组成了围绕微带线31内侧一端的保护通孔阵列13、位于内部谐振器41窄段与两个外部谐振器42窄段之间的隔离通孔阵列14、合围滤波器内部谐振器41和外部谐振器42的外围通孔阵列15。外围通孔阵列15上的临近滤波器的输入输出端并与基片集成同轴线内导体43平行的一排金属化通孔12还与中间金属层4连通，形成短路。

实施例1：

滤波器结构如图1所示，尺寸单位均为mm。本实施例的基片尺寸为19.8×24×1.13。实测的滤波器S参数和插入损耗的结果示于图4和图5。

本实施例的滤波器包含采用基片集成同轴线构成的滤波器部分和用于测试的微带线，采用三层金属层和两层介质层实现。滤波器由位于中间金属层的三个四分之一波长基片集成同轴线谐振器构成，谐振器与外部输入输出端口直接耦合，通过添加隔离盲孔和改变谐振器之间的间距对耦合量进行控制，从而实现带通响应和宽带外抑制特性。

本实施例的滤波器中心频率为2.35 GHz，对应插入损耗为0.96 dB；在2.3-2.4GHz频带内插入损耗小于1.1 dB。上述损耗包含了用于测试的一对接头和转接部分的损耗。同时，滤波器具有较好的带外衰减特性：在频率低于2 GHz时，衰减大于等于30 dB；频率在2.7-13.4 GHz时，衰减大于等于27 dB。

Claims (1)

1.一种具有宽带外抑制的平面小型化带通滤波器，其特征在于，该滤波器从上至下依次为顶面金属层(3)、上层介质基片(1)、中间金属层(4)、下层介质基片(2)、底面金属层(5)；

所述顶面金属层(3)包括位于所述上层介质基片(1)上表面中心线两侧对称设置的两个微带线(31)和位于所述两个微带线(31)之间的滤波器上表面外导体(32)；

所述中间金属层(4)包括位于所述下层介质基片(2)上表面的内部谐振器(41)、对称设置于所述内部谐振器(41)左右两侧的两个外部谐振器(42)和位于所述外部谐振器(42)外侧的两个基片集成同轴线内导体(43)，所述基片集成同轴线内导体(43)与外部谐振器(42)垂直连接，构成了滤波器的输入输出；所述内部谐振器(41)和外部谐振器(42)均为四分之一波长谐振器，且均沿短路端向开路段实现由窄到宽的一次阶梯变化，其中内部谐振器(41)同时向两个外部谐振器(42)方向阶梯变宽，两个外部谐振器(42)仅在面向内部谐振器(41)一侧阶梯变宽。

所述顶面金属层(3)与中间金属层(4)之间连接有穿过上层介质基片(1)的金属化盲孔(11)，所述金属化盲孔(11)将微带线(31)的内侧端与基片集成同轴线内导体(43)的外侧端相连；顶面金属层(3)与底面金属层(5)之间连接有穿过上层介质基片(1)、下层介质基片(2)的金属化通孔(12)，所述金属化通孔(12)组成了围绕微带线(31)内侧一端的保护通孔阵列(13)、位于内部谐振器(41)窄段与两个外部谐振器(42)窄段之间的隔离通孔阵列(14)、合围滤波器内部谐振器(41)和外部谐振器(42)的外围通孔阵列(15)；所述外围通孔阵列(15)上的临近滤波器的输入输出端并与基片集成同轴线内导体(43)平行的一排金属化通孔(12)还与中间金属层(4)连通，形成短路。

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