CN113823885B

CN113823885B - 一种滤波器

Info

Publication number: CN113823885B
Application number: CN202111067384.5A
Authority: CN
Inventors: 丁大维; 凌少旭; 杨利霞; 黄志祥
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2041-09-13
Also published as: CN113823885A

Abstract

本发明涉及一种滤波器，包括谐振模块，谐振模块通过端口输入耦合线与所述输入端口连接，通过端口输出耦合线与输出端口连接；所述谐振模块的谐振单元包括基于弯折线结构的平行耦合的电感传输线和电容传输线。通过将谐振单元设计为基于弯折线的平行耦合传输线结构，将传统的平行耦合线结构通过折线式弯折产生并联电容，并联的电容大小反比于弯折的角度。与规则的平行耦合线相比，本发明公开的滤波器具有小型化﹑强耦合﹑低损耗﹑宽带外抑制和高滚降等优点。同时，本发明公开的5G基站滤波器设计首次采用非规则传输线结构，还具有设计自由度较大等优点。

Description

一种滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种滤波器。

背景技术

随着第五代移动通信(5G)技术的发展，各种面向5G移动通信系统的终端设备及基站的需求呈爆发式增长。滤波器是5G移动通信系统射频前端必不可少的射频器件，其功能是选择有用信号同时滤除无用的干扰信号，在5G发射端、中继站和接收端都发挥着至关重要的作用。

现有的5G基站滤波器的设计全部基于规则结构，存在滤波器损耗较大﹑宽频带外抑制不理想﹑设计自由度小和设计难度较大等问题。

基于此，亟需设计一种低损耗滤波器。

发明内容

本发明的目的是提供一种滤波器，以降低滤波器的损耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种滤波器，包括：

谐振模块，通过端口输入耦合线与输入端口连接，通过端口输出耦合线与输出端口连接；所述谐振模块的谐振单元包括基于弯折线结构的平行耦合的电感传输线和电容传输线。

可选的，还包括：

金属接地端口，与所述谐振模块连接；

金属隔离板，与所述谐振模块连接；

陶瓷基体；

所述输入端口、所述金属接地端口、所述金属隔离板和所述输出端口位于所述陶瓷基体表面；

所述端口输入耦合线、所述谐振模块和所述端口输出耦合线位于所述陶瓷基体内部。

可选的，所述谐振模块包括第一谐振单元；

所述第一谐振单元包括第一电感谐振弯折线和第一电容耦合弯折线；

所述第一电感谐振弯折线和所述第一电容耦合弯折线上下相对，且相互电容耦合；

所述第一电感谐振弯折线与所述端口输入耦合线和所述端口输出耦合线连接；

所述第一电感谐振弯折线，一端与所述金属接地端口连接，另一端悬空；

所述第一电容耦合线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空。

可选的，所述谐振模块包括第一谐振单元、第二谐振单元；

所述第一谐振单元和所述第二谐振单元并排设置；

所述第一谐振单元包括所述第一电感谐振弯折线和所述第一电容耦合弯折线；

所述第一电感谐振弯折线与所述端口输入耦合线连接；

所述第一电容耦合线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空；

所述第二谐振单元包括所述第二电感谐振弯折线和所述第二电容耦合弯折线；

所述第二电感谐振弯折线和所述第二电容耦合弯折线上下相对，且相互电容耦合；

所述第二电感谐振弯折线与所述端口输出耦合线连接；

所述第二电感谐振弯折线，一端与所述金属接地端口连接，另一端悬空；

所述第二电容耦合线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空。

可选的，所述谐振模块包括第一谐振单元、第二谐振单元和至少一个第三谐振单元；

所述第一谐振单元、所述第三谐振单元与所述第二谐振单元依次并排设置；

所述第一谐振单元与所述端口输入耦合线、所述金属接地端口和所述金属隔离板连接；

所述第三谐振单元与所述金属接地端口和所述金属隔离板连接；

所述第二谐振单元所述金属接地端口、所述金属隔离板连接和所述端口输出耦合线连接。

可选的，所述第一谐振单元包括所述第一电感谐振弯折线和所述第一电容耦合弯折线；

所述第一电感谐振弯折线与所述端口输入耦合线连接；

所述第三谐振单元包括所述第三电感谐振弯折线和所述第三电容耦合弯折线；

所述第三电感谐振弯折线和所述第三电容耦合弯折线上下相对，且相互电容耦合；

所述第三电感谐振弯折线，一端与所述金属接地端口连接，另一端悬空；

所述第三电容耦合线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空；

所述第二电感谐振弯折线与所述端口输出耦合线连接；

所述第二电容耦合线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空。。

可选的，所述第一谐振单元的形状与所述第二谐振单元的形状大小相同。

可选的，所述第三电感谐振弯折线的弯折部分的长度大于所述第一电感谐振弯折线的弯折部分的长度和所述第二电感谐振弯折线的弯折部分的长度。

可选的，所述电感传输线和电容传输线的宽度相同。

可选的，通过改变所述弯折线的角度改变耦合电容的数值。

可选的，所述耦合电容的大小与所述弯折线的角度成反比。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种滤波器，通过将谐振单元设计为基于弯折线的平行耦合传输线结构，将传统的平行耦合线结构通过折线式弯折产生并联电容，并联的电容大小反比于弯折的角度。与规则的平行耦合线相比，本发明公开的滤波器具有小型化﹑强耦合﹑低损耗﹑宽带外抑制和高滚降等优点。同时，本发明公开的5G基站滤波器设计首次采用非规则传输线结构，还具有设计自由度较大等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。以下附图并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了根据本发明的一种滤波器结构示意图；

图2示出了根据本发明的一种滤波器结构立体图；

图3示出了根据本发明的一种滤波器的谐振单元结构示意图。

图4(a)示出了根据本发明的一种滤波器的弯折线的等效电路，图4(b)示出了普通的微带线等效电路；

图5示出了根据本发明的一种滤波器的性能曲线图。

符号说明：

Die-陶瓷基体、P1-输入端口、P2-输出端口、Gndl-第一金属接地端口、Gnd2-第二金属接地端口、Sdl-第一金属隔离板、Sd2-第二金属隔离板、R1-第一谐振单元、R2-第二谐振单元、R3-第三谐振单元、PL1-端口输入耦合线、PL2-端口输出耦合线、SL1-第一电感谐振弯折线、Crl-第一电容耦合弯折线、SL2-第二电感谐振弯折线、Cr2-第二电容耦合弯折线、SL3-第三电感谐振弯折线、Cr3-第三电容耦合弯折线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如本发明和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

本发明的目的是提供一种滤波器，以降低滤波器的损耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

由于5G基站的小型化和低损耗高效率设计需求，小型低插损滤波器的设计已经成为5G基站研发重要的环节。针对工信部于2020年3月发布的“将702-798MHz频段频率使用规划调整用于移动通信系统”，为低频段5G发展提供保障，本实施例提供了一种面向低频5G频段702-798MHz的基于弯折线结构的LTCC滤波器，如图1所示，包括：

谐振模块，通过端口输入耦合线PL1与输入端口P1连接，通过端口输出耦合线PL2与输出端口P2连接；所述谐振模块的谐振单元包括基于弯折线结构的平行耦合的电感传输线和电容传输线，优选地，输入端口P1为50欧姆阻抗的输入端口P1，输出端口P2为50欧姆阻抗的输出端口P2；

金属接地端口，与所述谐振模块连接，如图2所示，金属接地端口包括第一金属接地端口Gand1和第二金属接地端口Gand2；

金属隔离板，与所述谐振模块连接，金属隔离板由上下两层的铜层组成，所述铜层的表面具有方状凹陷，通过调节铜层形状，可以改变插入损耗等相关数据，如图2所示，金属隔离板包括第一金属隔离板Sd1和第二金属隔离板Sd2；

陶瓷基体Die；

所述输入端口P1、所述金属接地端口、所述金属隔离板和所述输出端口P2位于所述陶瓷基体Die表面；

所述端口输入耦合线PL1、所述谐振模块和所述端口输出耦合线PL2位于所述陶瓷基体Die内部。

其中，输入端口P1、输出端口P2、金属接地端口、金属隔离板、端口输入耦合线PL1、端口输出耦合线PL2和谐振模块均为金属铜材料，滤波器的制备工艺为低温共烧陶瓷(LTCC)技术。低温共烧陶瓷(LTCC)技术作为一种整合组件技术，由于其优良耐高温特性﹑优良高频特性﹑宽带特性和低成本工艺，因此根据低温共烧陶瓷技术制备的滤波器具有良好的性能。

作为一种可选的实施方式，多个所述金属接地端口连接形成封闭空间；所述封闭空间与所述金属隔离板连接形成屏蔽面，如图2所示，第一金属隔离板Sd1和第二金属隔离板Sd2由上下两层具有方状凹陷的铜层组成，与第一金属接地端口Gnd1和第二金属接地端口Gnd2相连，形成屏蔽面。所述屏蔽面对应设置于所述陶瓷基体Die的相对面，为谐振模块提供屏蔽环境。

由于本实施采用基于弯折线的平行耦合传输线结构设计谐振模块，与规则结构相比，由于弯折线结构的结构特点引入了额外的分布式并联电容，因而谐振模块具有小型化﹑强耦合传输﹑低插入损耗和设计自由度大等优势，因此本实施例提供的5G基站滤波器具有体积小、成本低、损耗小、带外抑制宽和高滚降等优点。同时，本本实施例提供的基站滤波器首次采用非规则传输线结构，还具有结构新颖和设计自由度较大等优点。

为了使本领域技术人员更清楚地了解谐振模块的结构，下述进行具体阐述。

当谐振模块中只包括一个谐振单元时，其结构如下：

所述谐振模块包括第一谐振单元R1；

所述第一谐振单元R1包括第一电感谐振弯折线SL1和第一电容耦合弯折线Cr1；

所述第一电感谐振弯折线SL1和所述第一电容耦合弯折线Cr1上下相对，且相互电容耦合；

所述第一电感谐振弯折线SL1与所述端口输入耦合线PL1和所述端口输出耦合线PL2连接；

所述第一电感谐振弯折线SL1，一端与所述金属接地端口连接，另一端悬空；

当谐振模块中包括两个个谐振单元时，其结构如下：

所述谐振模块包括第一谐振单元R1、第二谐振单元R2；

所述第一谐振单元R1和所述第二谐振单元R2并排设置；

所述第一谐振单元R1包括所述第一电感谐振弯折线SL1和所述第一电容耦合弯折线Cr1；

所述第一电感谐振弯折线SL1与所述端口输入耦合线PL1连接；

所述第二谐振单元R2包括所述第二电感谐振弯折线SL2和所述第二电容耦合弯折线Cr2；

所述第二电感谐振弯折线SL2和所述第二电容耦合弯折线Cr2上下相对，且相互电容耦合；

所述第二电感谐振弯折线SL2与所述端口输出耦合线PL2连接；

所述第二电感谐振弯折线SL2，一端与所述金属接地端口连接，另一端悬空；

当谐振模块中包括多个谐振单元时，其结构如下，如图2和图3所示包括3个谐振单元的滤波器结构：

所述谐振模块包括第一谐振单元R1、第二谐振单元R2和至少一个第三谐振单元R3；

所述第一谐振单元R1、所述第三谐振单元R3与所述第二谐振单元R2依次并排设置；

所述第一谐振单元R1与所述端口输入耦合线PL1、所述第二金属接地端口Gand2和所述第一金属隔离板Sd1连接；

所述第三谐振单元R3与所述第二金属接地端口Gand2和所述第一金属隔离板Sd1连接；

所述第二谐振单元R2所述第二金属接地端口Gand2、所述第一金属隔离板Sd1连接和所述端口输出耦合线PL2连接。

所述第一电感谐振弯折线SL1与所述端口输入耦合线PL1连接；

所述第一电感谐振弯折线SL1，一端与所述第二金属接地端口Gand2连接，另一端悬空；

所述第一电容耦合线，一端与所述第一金属隔离板Sd1连接，另一端悬空；

所述第三谐振单元R3包括所述第三电感谐振弯折线SL3和所述第三电容耦合弯折线Cr3；

所述第三电感谐振弯折线SL3和所述第三电容耦合弯折线Cr3上下相对，且相互电容耦合；

所述第三电感谐振弯折线SL3，一端与所述第二金属接地端口Gand2连接，另一端悬空；

所述第三电容耦合线，一端与所述第一金属隔离板Sd1连接，另一端悬空；

所述第二电感谐振弯折线SL2与所述端口输出耦合线PL2连接；

所述第二电感谐振弯折线SL2，一端与所述第二金属接地端口Gand2连接，另一端悬空；

所述第二电容耦合线，一端与所述第一金属隔离板Sd1连接，另一端悬空。

需要注意的是，上述“第一”、“第二”、“第三”等不应理解为对本实施的限制。

作为一种可选的实施方式，所述第一谐振单元R1的形状与所述第二谐振单元R2的形状大小相同，谐振单元中的所述电感传输线和电容传输线的宽度相同。因为弯折线之间耦合产生的电容和耦合面积有关，所以电感弯折线和电容弯折线之间的有效面积是不变的，因此设计成相同的宽度可以在很大程度上避免不必要的麻烦。

作为一种可选的实施方式，所述第三电感谐振弯折线SL3的弯折部分的长度大于所述第一电感谐振弯折线SL1的弯折部分的长度和所述第二电感谐振弯折线SL2的弯折部分的长度，其中所述第三电感谐振弯折线SL3的弯折部分的长度可以设计为向第一谐振单元R1和第二谐振单元R2两侧依次递减。

图4提供了弯折线的等效电路与普通的微带线等效电路，在滤波器谐振结构中，弯折线在有限长度上相比于普通的微带线产生了更多的电容，同时在空间上缩小了尺寸，减小了成本。

谐振结构中主要就是电容和电感的并联，微带线本身主要就是电感，我们所要做的就是改变电容，弯折线可以提高电容，主要的电容是弯折线两个斜边之间的耦合产生的。因此通过改变斜边的角度，可以改变耦合电容数值，并联的电容大小反比于弯折的角度。

为了验证本实施例方案的有效性，进行如下仿真实验。

本实施例，滤波器通过HFSS三维立体建模仿真设计，基于LTCC技术面向5G基站的低损耗滤波器，其体积大小，仅为

采用的陶瓷材料介电常数为32，内部金属铜厚度均为0.01mm，其中模型的关键参数为电感谐振线和电容耦合线尺寸：电感谐振弯折线的未弯折部分的宽度均为0.35mm，电容耦合弯折线的未弯折部分的宽度也均为0.35mm。第一电容耦合弯折线Cr1、第三电容耦合弯折线Cr3与第二电容耦合弯折线Cr2的未弯折部分的总长度均为2.63mm，弯折部分的总长度为4mm。第一电感谐振弯折线SL1与第二电感谐振弯折线SL2的未弯折部分总长为1.6mm，弯折部分总长度为4mm。

分析上述面向5G基站的低损耗滤波器性能，图5(a)所示是滤波器的S参数，标有m1和m2的曲线表示滤波器的插入损耗，标有m3的曲线表示滤波器的回波损耗，图5(b)表示滤波器的电压驻波比。根据图5所示可知具有三个谐振单元的滤波器的工作频段为702-798MHz，带宽内回波损耗小于15dB，带宽内插入损耗小于0.6dB，3-dB插损带宽为200MHz，滚降系数为218.75dB/GHz，至4GHz处带外抑制小于-25dB。由此可见，本实施例公开的基站滤波器具有小尺寸、低插损、宽带外抑制和高滚降等优点，能为低频段5G基站系统提供高性能滤波特性。

本实施例将传统的平行耦合线结构通过折线式弯折产生并联电容，并联的电容大小反比于弯折的角度。与规则的平行耦合线相比，本实施例公开的弯折平行耦合线结构具有小型化﹑强耦合﹑低损耗﹑宽带外抑制和高滚降等优点。同时，本实施例公开的5G基站滤波器设计首次采用非规则传输线结构，还具有设计自由度较大等优点。

本发明使用了特定词语来描述本发明的实施例。如“第一/第二实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本发明至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本发明的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员共同理解的相同含义。还应当理解，诸如在通常字典里定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

上面是对本发明的说明，而不应被认为是对其的限制。尽管描述了本发明的若干示例性实施例，但本领域技术人员将容易地理解，在不背离本发明的新颖教学和优点的前提下可以对示例性实施例进行许多修改。因此，所有这些修改都意图包含在权利要求书所限定的本发明范围内。应当理解，上面是对本发明的说明，而不应被认为是限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例以及其他实施例的修改意图包含在所附权利要求书的范围内。本发明由权利要求书及其等效物限定。

Claims

1.一种滤波器，其特征在于，包括：

谐振模块，通过端口输入耦合线与输入端口连接，通过端口输出耦合线与输出端口连接；所述谐振模块的谐振单元包括基于弯折线结构的平行耦合的电感传输线和电容传输线；

所述电感传输线和电容传输线的宽度相同；

通过改变所述弯折线的角度改变耦合电容的数值；所述耦合电容的大小与所述弯折线的角度成反比；

金属接地端口，与所述谐振模块连接；

金属隔离板，与所述谐振模块连接；

陶瓷基体；

2.根据权利要求1所述的一种滤波器，其特征在于，所述谐振模块包括第一谐振单元；

所述第一电容耦合弯折线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空。

3.根据权利要求1所述的一种滤波器，其特征在于，所述谐振模块包括第一谐振单元、第二谐振单元；

所述第一谐振单元和所述第二谐振单元并排设置；

所述第一电感谐振弯折线与所述端口输入耦合线连接；

所述第一电容耦合弯折线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空；

所述第二谐振单元包括第二电感谐振弯折线和第二电容耦合弯折线；

所述第二电感谐振弯折线与所述端口输出耦合线连接；

所述第二电容耦合弯折线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空。

4.根据权利要求1所述的一种滤波器，其特征在于，所述谐振模块包括第一谐振单元、第二谐振单元和至少一个第三谐振单元；

5.根据权利要求4所述的一种滤波器，所述第一谐振单元包括第一电感谐振弯折线和第一电容耦合弯折线；

所述第一电感谐振弯折线与所述端口输入耦合线连接；

所述第三谐振单元包括第三电感谐振弯折线和第三电容耦合弯折线；

所述第三电容耦合弯折线，一端与所述金属隔离板连接，另一端悬空；

所述第二电感谐振弯折线与所述端口输出耦合线连接；

6.根据权利要求3或4所述的一种滤波器，其特征在于，所述第一谐振单元的形状与所述第二谐振单元的形状大小相同。

7.根据权利要求5所述的一种滤波器，其特征在于，所述第三电感谐振弯折线的弯折部分的长度大于所述第一电感谐振弯折线的弯折部分的长度和所述第二电感谐振弯折线的弯折部分的长度。