專利名稱：具有寬帶外抑制的平面小型化通信帶通濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信系統(tǒng)綜合設計領域，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：
射頻/微波帶通濾波器是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，其基本特性是允許特定頻帶內信號通過，同時將其他頻帶的信號進行衰減抑制。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或低噪放后級，用于選取通信系統(tǒng)頻帶內的信號，濾除帶外的噪聲和干擾信號；在發(fā)射通道中，濾波器常位于放大器或功放后級，用于消除在系統(tǒng)通信頻帶之外的雜散信號，避免對臨近系統(tǒng)的干擾。此外，射頻/微波濾波器在不同的場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)展的一個趨勢，能夠有效減小系統(tǒng)的體積，降低因分立模塊間轉接引入的額外損耗和系統(tǒng)功耗。尤其在移動通信設備的研制中，集成化和小型化設計勢在必行。除了必須支持大功率容量的波導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計方式來提高集成度。常用的、能夠在介質基片上實現(xiàn)的平面集成射頻/微波濾波器形式包括微帶濾波器，共面波導濾波器和基片集成波導濾波器等。其中，基片集成波導濾波器是基于波導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€和共面波導的濾波器可以實現(xiàn)較小的體積(面積)，但均為開放結構，在系統(tǒng)集成時需要考慮與其他單元間留有一定的保護距離， 同時在高頻時輻射損耗明顯。因此，對于低損耗、平面集成、小型化帶通濾波器的設計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)是基于耦合諧振結構的，因此，由諧振器固有的寄生諧振會帶來寄生通帶的問題。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，這就會導致在寄生通帶內的噪聲或干擾信號進入通信系統(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也就成為濾波器設計技術的一個難點。本發(fā)明針對上述兩個問題，提出了一種基于平面基片集成同軸線(Substrate Integrated Coaxial Line, SICL)結構的小型化濾波器形式，同時采用部分稱合機制來實現(xiàn)所需的寬帶外抑制響應。基片集成同軸線結構是利用印刷電路工藝實現(xiàn)的一種類似同軸線的平面?zhèn)鬏斁€結構，它包含內、外導體兩部分。內導體是由加在兩層介質中間的金屬層構成的，外導體是由介質基片頂、底面金屬層和連通頂、底面金屬層的金屬化通孔陣列構成。在射頻和微波低頻段時，金屬化通孔之間的間距遠小于波長，使得電磁波傳輸截止。因此，電磁波只能沿傳輸線徑向傳播，該傳輸線結構為近似封閉結構。該傳輸線的主模為TEM模式，由于介質基片很薄并且通過調節(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，采用基片集成同軸線實現(xiàn)的諧振單元僅在一個維度上與工作波長相關；同時，由于采用介質基片實現(xiàn)，傳輸線的內導體完全被介質封閉，其電尺寸會進一步縮減。采用基片集成同軸線實現(xiàn)濾波器結構，有著結構簡單、體積小巧，滿足平面電路集成的優(yōu)勢，其分析設計方法可以參考其他TEM傳輸線濾波器的設計進行。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明提供了一種適用于通信系統(tǒng)的、可采用介質基片實現(xiàn)的、平面集成、小型化、低損耗射頻/微波帶通濾波器的
技術方案本發(fā)明的具有寬帶外抑制的平面小型化帶通濾波器，是基于平面基片集成同軸線結構，采用四分之一波長諧振器作為諧振單元，通過部分耦合的方式來實現(xiàn)具有寬帶外抑制特點的帶通濾波器。本發(fā)明的濾波器是基于耦合諧振結構的，其中所有諧振器均為四分之一波長型基片集成同軸線諧振器。采用四分之一波長諧振器的濾波器，其第一個寄生通帶在工作頻率的三倍頻出現(xiàn)。結合部分耦合機理，可以將濾波器的第一個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。本發(fā)明的具有寬帶外抑制的平面小型化帶通濾波器，從上至下依次為頂面金屬層、上層介質基片、中間金屬層、下層介質基片和底面金屬層。頂面金屬層包括位于上層介質基片上表面中心線兩側對稱設置的兩個微帶線和位于兩個微帶線之間的濾波器上表面外導體。中間金屬層包括位于下層介質基片上表面的內部諧振器、對稱設置于內部諧振器左右兩側的兩個外部諧振器和位于外部諧振器外側的兩個基片集成同軸線內導體，基片集成同軸線內導體與外部諧振器垂直連接，構成了濾波器的輸入輸出。內部諧振器和外部諧振器均為四分之一波長諧振器，且均沿短路端向開路段實現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內部諧振器同時向兩個外部諧振器方向階梯變寬，兩個外部諧振器僅在面向內部諧振器一側階梯變寬。頂面金屬層與中間金屬層之間連接有穿過上層介質基片的金屬化盲孔，金屬化盲孔將微帶線的內側端與基片集成同軸線內導體的外側端相連。頂面金屬層與底面金屬層之間連接有穿過上層介質基片、下層介質基片的金屬化通孔，金屬化通孔組成了圍繞微帶線內側一端的保護通孔陣列、位于內部諧振器窄段與兩個外部諧振器窄段之間的隔離通孔陣列、合圍濾波器內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導體平行的一排金屬化通孔還與中間金屬層連通，形成短路。本發(fā)明中，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)耦合諧振濾波器設計理論得到；部分耦合機制是采用傳輸線理論分析的。最終設計出的濾波器在帶通響應之外，具有寬帶抑制特性。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點
本發(fā)明的帶通濾波器具有結構簡單、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，因此適用于無線通信系統(tǒng)中應用。I.所設計濾波器實例可以滿足2. 4 GHz WLAN通信系統(tǒng)應用需求。其中心頻率為 2.35 GHz，對應插入損耗為O. 96 dB ;在2. 3_2. 4GHz頻帶內插入損耗小于I. I dB。上述損耗包含了用于測試的一對接頭和轉接部分的損耗，因此，實際集成應用中插入損耗更低。同時，濾波器具有較好的帶外衰減特性在頻率低于2 GHz時，衰減大于等于30 dB ;頻率在 2.7-13.4 GHz時，衰減大于等于30 dB (8. 4±0. 01 GHz衰減大于等于27 dB)。2.所設計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計中集成，體積小，損耗小。3.該濾波器設計方法具有一般性，可以推廣至射頻和微波低頻段(〈8 GHz)，不需改變?yōu)V波器結構，僅調整諧振器的工作頻率就可滿足任意無線通信系統(tǒng)的需求，保持低損耗和寬帶外抑制的特性。4.所提出的濾波器結構具有封閉特性，可以與其他電路和器件緊湊集成；同時，該濾波器結構適用于在多層印刷電路板結構中的夾層實現(xiàn)，為在多層印刷電路板表層布局布線節(jié)約了空間。
5.整個濾波器自成一體，結構簡單，全部利用印刷電路板工藝生產(chǎn)，成本低、精度高、重復性好，適合大批量生產(chǎn)。


圖I為本發(fā)明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-基片集成同軸線內導體中間剖開)。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為實施實例I的S參數(shù)測量結果。圖6為實施實例I的通帶內的插入損耗測量結果。圖中有上層介質基片1，下層介質基片2,頂面金屬層3,中間金屬層4,底面金屬層5，微帶線31，濾波器上表面外導體32，內部諧振器41，外部諧振器42，基片集成同軸線內導體43，金屬化盲孔11，金屬化通孔12，保護通孔陣列13，隔離通孔陣列14，外圍通孔陣列 15。
具體實施例方式本發(fā)明所提出的濾波器是基于基片集成同軸線結構的。基片集成同軸線通常采用三層金屬印刷電路板工藝實現(xiàn)。三層金屬印刷電路需要利用粘結層將兩個核心介質層粘接而成，其中粘結層很薄，可以忽略不計?；赏S線的內導體在中間層金屬實現(xiàn)，外導體由頂、底面金屬層和連接頂、底面金屬層的金屬化通孔陣列構成。通過控制內導體兩側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諧振器可以根據(jù)基片集成同軸線的傳輸特性計算得到。諧振器間的部分耦合通過對耦合諧振器的分析得到， 通過在諧振器間添加金屬化通孔陣列的方式來控制耦合長度。帶通濾波器的設計采用耦合矩陣進行，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接到微帶線以方便測試。在實際生產(chǎn)和使用中，是無需此轉接的。本發(fā)明的具有寬帶外抑制的平面小型化帶通濾波器，從上至下依次為頂面金屬層3、上層介質基片I、中間金屬層4、下層介質基片2、底面金屬層5。頂面金屬層3包括位于上層介質基片I上表面中心線兩側對稱設置的兩個微帶線31和位于兩個微帶線31之間的濾波器上表面外導體32。中間金屬層4包括位于下層介質基片2上表面的內部諧振器41、 對稱設置于內部諧振器41左右兩側的兩個外部諧振器42和位于外部諧振器42外側的兩個基片集成同軸線內導體43，基片集成同軸線內導體43與外部諧振器42垂直連接，構成了濾波器的輸入輸出。內部諧振器41和外部諧振器42均為四分之一波長諧振器，內部諧振器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現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內部諧振器41同時向兩個外部諧振器42方向階梯變寬， 兩個外部諧振器42僅在面向內部諧振器41 一側階梯變寬。頂面金屬層3與中間金屬層4 之間連接有穿過上層介質基片I的金屬化盲孔11，金屬化盲孔11將微帶線31的內側端與基片集成同軸線內導體43的外側端相連；頂面金屬層3與底面金屬層5之間連接有穿過上層介質基片I、下層介質基片2的金屬化通孔12，金屬化通孔12組成了圍繞微帶線31內側一端的保護通孔陣列13、位于內部諧振器41窄段與兩個外部諧振器42窄段之間的隔離通孔陣列14、合圍濾波器內部諧振器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導體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。實施例I :
濾波器結構如圖I所示，尺寸單位均為_。本實施例的基片尺寸為19.8X24X1. 13。 實測的濾波器S參數(shù)和插入損耗的結果示于圖4和圖5。本實施例的濾波器包含采用基片集成同軸線構成的濾波器部分和用于測試的微帶線，采用三層金屬層和兩層介質層實現(xiàn)。濾波器由位于中間金屬層的三個四分之一波長基片集成同軸線諧振器構成，諧振器與外部輸入輸出端口直接耦合，通過添加隔離盲孔和改變諧振器之間的間距對耦合量進行控制，從而實現(xiàn)帶通響應和寬帶外抑制特性。本實施例的濾波器中心頻率為2. 35 GHz，對應插入損耗為O. 96 dB ;在
2.3-2. 4GHz頻帶內插入損耗小于I. I dB。上述損耗包含了用于測試的一對接頭和轉接部分的損耗。同時，濾波器具有較好的帶外衰減特性在頻率低于2 GHz時，衰減大于等于30 dB ;頻率在2. 7-13. 4 GHz時，衰減大于等于27 dB。
權利要求
1.一種具有寬帶外抑制的平面小型化帶通濾波器，其特征在于，該濾波器從上至下依次為頂面金屬層(3)、上層介質基片(I)、中間金屬層(4)、下層介質基片(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基片(I)上表面中心線兩側對稱設置的兩個微帶線(31)和位于所述兩個微帶線(31)之間的濾波器上表面外導體(32)；所述中間金屬層(4)包括位于所述下層介質基片(2)上表面的內部諧振器(41)、對稱設置于所述內部諧振器(41)左右兩側的兩個外部諧振器(42)和位于所述外部諧振器(42) 外側的兩個基片集成同軸線內導體(43)，所述基片集成同軸線內導體(43)與外部諧振器(42)垂直連接，構成了濾波器的輸入輸出；所述內部諧振器(41)和外部諧振器(42)均為四分之一波長諧振器，且均沿短路端向開路段實現(xiàn)由窄到寬的一次階梯變化，其中內部諧振器(41)同時向兩個外部諧振器(42)方向階梯變寬，兩個外部諧振器(42)僅在面向內部諧振器(41) 一側階梯變寬。所述頂面金屬層(3)與中間金屬層(4)之間連接有穿過上層介質基片(I)的金屬化盲孔(11)，所述金屬化盲孔(11)將微帶線(31)的內側端與基片集成同軸線內導體(43)的外側端相連；頂面金屬層(3)與底面金屬層(5)之間連接有穿過上層介質基片(I)、下層介質基片⑵的金屬化通孔(12)，所述金屬化通孔(12)組成了圍繞微帶線(31)內側一端的保護通孔陣列(13)、位于內部諧振器(41)窄段與兩個外部諧振器(42)窄段之間的隔離通孔陣列(14)、合圍濾波器內部諧振器(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導體(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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有寬帶外抑制的平面小型化帶通濾波器，是基于平面基片集成同軸線結構，采用四分之一波長諧振器作為諧振單元，通過部分耦合的方式來實現(xiàn)具有寬帶外抑制特點的帶通濾波器。本發(fā)明針對平面集成和小型化無線通信設備的發(fā)展需求，實現(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，具有結構簡單、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，同時濾波器在通帶外具有寬頻帶衰減抑制特性。
文檔編號H01P1/203GK102610880SQ20121006972
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權日2012年3月16日
發(fā)明者張彥, 洪偉, 陳繼新 申請人:東南大學