CN103326092A

CN103326092A - 带通滤波器

Info

Publication number: CN103326092A
Application number: CN2012100724589A
Authority: CN
Inventors: 孙蓉; 于淑会; 杨文虎; 杜如虚
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: CN103326092B; WO2013139112A1

Abstract

本发明公开一种带通滤波器，包括为缺陷地结构的第一层、为双螺旋微带结构的第二层以及设于所述第一层和第二层之间的介质层，所述第一层和第二层耦合形成电容。采用缺陷地结构和双螺旋微带结构，可以在维持正常的滤波器功能的前提下使整个滤波器的平面尺寸不超过10mm×10mm。很好地解决了无源带通滤波器小型化的问题。

Description

带通滤波器

【技术领域】

本发明涉及电子电路，尤其是涉及一种带通滤波器。

【背景技术】

无线通讯技术和集成电路技术的快速发展对通讯电子设备提出了更高的技术要求，即高度集成化和小型化。三维硅穿孔(3Dimension Through-Silicon Via，3D-TSV)和系统级封装(System in Package，SiP)等高密度封装技术，在一定程度上可以很好地降低系统的基板面积。然而随着系统集成度不断增高，由于无源器件小型化的速度较慢，无源器件占据的系统基板的面积将会越来越大。

无源带通滤波器做为通讯终端的一种重要组件广泛地应用在通讯领域中，通常这种无源带通滤波器的尺寸都比较大，特别是在实现高频VHF段(1GHz以下)的带通滤波时。

通常来说滤波器包含多个谐振部分，每个谐振部分都是一个独立的谐振器，有各自的谐振频率和带宽，因此为了达到理想的谐振效应，这些谐振器必须有预定的谐振频率和带宽。但是这些谐振器也容易产生高阶谐振(也称为相应结构的本征模)，从而产生无用通带。而相关理论指出谐振器之间的耦合系数应该满足下列关系

M_{ij} = \frac{FBW}{\sqrt{g_{i} g_{j}}} J_{ij}

M_ij是第i个谐振器与第j个谐振器之间的耦合系数；FBW是相对带宽，g是归一化电容，J是特性导纳。这个公式表明谐振器之间的耦合系数与相对带宽密切相关，也取决于谐振器自身的特性。在滤波器中两个相邻谐振器的耦合是必须的，但是非相邻谐振器之间的耦和(也叫寄生耦合)仍然存在，而且这种寄生耦合会对滤波器产生不利的影响。常用的解决方法是附加低通滤波器，但是这将导致滤波器平面面积和插入损耗的进一步增大。

因此传统的滤波器结构都很难将尺寸进一步降低。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种小尺寸的带通滤波器。

一种带通滤波器，包括为缺陷地结构的第一层、为双螺旋微带结构的第二层以及设于所述第一层和第二层之间的介质层，所述第一层和第二层耦合形成电容。

在优选的实施例中，所述第一层的缺陷地结构包括呈矩阵排列的四个块状区域，在所述四个块状区域形成的方形区域的一对相对的外缘处，每两个相邻的块状区域沿所述外缘通过微带线连接。

在优选的实施例中，所述第一层的缺陷地结构包括一对相互交叉设置的梳状微带结构，所述梳状微带结构包括梳脊和与梳脊垂直连接并均匀分布的梳齿，所述一对梳状微带结构的梳脊相互平行、梳齿相互交错间隔设置。

在优选的实施例中，所述每个梳齿为一对平行线组，每两个相邻的梳齿之间相互延伸出与梳齿垂直、并且相互交错间隔的电容极片。

在优选的实施例中，所述第二层的双螺旋微带结构从位于中心的微带线的两端分别沿顺时针方向螺旋延伸，其中：从中心的微带线每一端出发延伸的微带线包括多段、且依次交替与中心的微带线垂直和平行；从中心的微带线两端出发延伸的微带线在同一延伸段上相互平行且延伸方向相反，所述双螺旋微带结构整体形成方形结构。

在优选的实施例中，所述双螺旋微带结构螺旋的圈数为2圈以上。

在优选的实施例中，所述双螺旋微带结构最外侧的至少一个侧面设有耦合端口。

在优选的实施例中，所有微带线的宽度保持一致。

在优选的实施例中，每一对与所述中心的微带线平行且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增；每一对与所述中心的微带线垂直且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增。

在优选的实施例中，所述双螺旋微带结构还设有微带传输线。

上述带通滤波器，采用缺陷地结构和双螺旋微带结构，可以使整个滤波器的平面尺寸不超过10mm×10mm，很好地解决了无源带通滤波器小型化的问题。

【附图说明】

图1为一实施例的带通滤波器的结构示意图；

图2为一实施例的缺陷地结构示意图；

图3为另一实施例的缺陷地结构示意图；

图4为又一实施例的缺陷地结构示意图；

图5为双螺旋微带结构示意图；

图6为一实施例的双螺旋微带结构示意图；

图7为另一实施例的双螺旋微带结构示意图；

图8为又一实施例的双螺旋微带结构示意图；

图9(a)和图9(b)为图2所示缺陷地结构和图6所示双螺旋微带结构形成的带通滤波器在不同的结构参数下的频率响应图；

图10为图3所示缺陷地结构和图6所示双螺旋微带结构形成的带通滤波器的频率响应图；

图11为图4所示缺陷地结构和图6所示双螺旋微带结构形成的带通滤波器的频率响应图；

图12为图4所示缺陷地结构和图7所示双螺旋微带结构形成的带通滤波器的频率响应图；

图13～17分别为在实施例4的带通滤波器的基础上调节各项结构参数所得的带通滤波器的频率响应图。

【具体实施方式】

如图1所示，为带通滤波器的基本结构示意图。该带通滤波器包括第一层100、第二层200以及设于第一层100和第二层200之间的介质层300，第一层100和第二层200耦合形成电容。其中第一层100为缺陷地结构，第二层200为双螺旋微带结构。

缺陷地结构(Defect Ground Structure，DGS)是指其上蚀刻各种缺陷图形的金属接地板。缺陷图形可以扰乱接地板上屏蔽电流的分布，从而改变传输线的有效电感和有效电容等特性，使接地板具有慢波特性和带阻特性。缺陷地结构可以有多种形式，如下所述。

如图2所示，为一种缺陷地结构示意图。该缺陷地结构110包括四个块状区域，分别为第一区域111、第二区域112、第三区域113以及第四区域114。第一区域111、第二区域112、第三区域113以及第四区域114呈矩阵排列且形成一个方形区域。在第一区域111和第二区域112相互对齐的边缘处，相邻的第一区域111和第二区域112沿所述相互对齐的边缘通过微带线115连接。在第三区域113和第四区域114相互对齐的边缘处，相邻的第三区域113和第四区域114沿所述相互对齐的边缘通过微带线116连接。

如图3所示，为另一种缺陷地结构示意图。该缺陷地结构120包括一对相互交叉设置的梳状微带结构。该梳状微带结构包括梳脊121和与梳脊121垂直连接并均匀分布的梳齿122。一对梳状微带结构的梳脊121相互平行、梳齿122相互交错间隔设置。

如图4所示，为又一种缺陷地结构示意图。与图3中的缺陷地结构类似，该缺陷地结构130包括一对相互交叉设置的梳状微带结构。该梳状微带结构包括梳脊131和与梳脊131垂直连接的梳齿132。一对梳状微带结构的梳脊131相互平行、梳齿132相互交错间隔设置。

每个梳齿132为一对弯折成U型的平行线组，包括一对平行的微带线和连接平行的微带线的连接部，一对平行的微带线中的一条与梳脊131连接、另一条则悬空。每两个相邻的梳齿132之间相互延伸出与梳齿132垂直、并且相互交错间隔的电容极片133。相互交错的电容极片133之间形成插指电容。

在其他的实施例中，梳齿132也可以是直线。

与第一层100耦合的第二层200是双螺旋微带结构。

如图5所示，双螺旋微带结构210是指从位于中心的微带线211的两端分别沿顺时针方向螺旋延伸形成的结构。其中：从中心的微带线211每一端出发延伸的微带线包括多段、且依次交替与中心的微带线垂直和平行。例如从中心的微带线211的a端开始首先垂直延伸形成第一段2121、其次平行延伸形成第二段2122、......、依此类推。而从中心的微带线211的另一端b端以与从a端开始延伸的相反的方向首先垂直延伸形成第一段2131、其次平行延伸形成第二段2132、......、依此类推。从中心的微带线211两端a、b出发延伸的微带线在同一延伸段上相互平行且延伸方向相反，所述同一延伸段是指相对于微带线211的中点呈中心对称的微带线段。

双螺旋微带结构210整体形成方形结构。在优选的实施例中，螺旋的圈数为2圈以上。

在双螺旋微带结构的至少一个侧面设有耦合端口以与不同的缺陷地结构耦合。

如图6所示，为具有两个耦合端口的双螺旋微带结构。双螺旋微带结构220具有处于相对的两侧的两个耦合端口221。

如图7所示，为具有四个耦合端口的双螺旋微带结构。双螺旋微带结构230具有位于四个侧面的四个耦合端口231。

双螺旋微带结构还可以用一对交叉耦合微带线配合双螺旋微带结构，如图8所示。

上述的双螺旋微带结构中，每一对与中心的微带线平行且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增。每一对与所述中心的微带线垂直且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增。以图5为例，与中心的微带线211平行且以微带线211为中心相互对称的第二段2122和2132具有一致的宽度，而且越往外部延伸，微带线的宽度依次递减或递增。同样地，与中心的微带线211垂直且以微带线211为中心相互对称的第一段2121和2131具有一致的宽度，而且越往外部延伸，微带线的宽度依次递减或递增。这样是为了保证双螺旋微带结构整体上的对称性。

在其他实施例中，也可以使螺旋延伸的微带线的宽度始终保持不变。

另外，微带线之间的间距优选保持等间距。双螺旋微带结构通过50欧姆的微带传输线接入具体电路。

上述的缺陷地结构和双螺旋微带结构，能够方便地调整结构参数，改变整个带通滤波器的中心频率和带宽。

以下以具体的实施例说明带通滤波器的结构。

实施例1

以图2所示的缺陷地结构和图7所示的双螺旋微带结构分别作为带通滤波器的第一层和第二层，同时在第一层和第二层时间设介质层。

其中缺陷地结构和双螺旋微带结构的具体参数如下：

缺陷地结构整体长度L＝4.3mm，整体宽度W＝4.3mm；4个块状区域为等距分布，间距dx＝0.2mm，边距dy＝1.34mm，两相对边缘处的微带线之间的距离d＝3.4mm。缺陷地结构采用铜制成。

双螺旋微带结构整体长度L＝4.3mm，整体宽度W＝4.3mm；所有的微带线的宽度w＝0.16mm，线间距g＝0.1mm，端口231之间的距离z＝0.8mm。

介质层是一种聚合物基复合材料，介电常数εr＝8～50，厚度5～35um。

本实施例的HFSS仿真结果如图9(a)所示。中心频率在f＝1GHz，通频带200MHz，中心频率处的最大插损小于2.5dB。

在上述结构的基础上，进一步调整地缺陷结构中dx、dy及d值的大小及螺旋结构线宽w、可以使中心频率从1GHz逐渐前移至400MHz并且通频带宽保持不变，如图9(b)。

实施例2

以图3所示的缺陷地结构和图7所示的双螺旋微带结构分别作为带通滤波器的第一层和第二层，同时在第一层和第二层时间设介质层。

其中缺陷地结构和双螺旋微带结构的具体参数如下：

缺陷地结构整体长度L＝4.95mm，整体宽度W＝4.78mm；梳齿微带线的末端与梳脊之间的距离d1＝0.5mm，梳脊之间的距离d＝3.5mm，梳齿之间的间距：0.02mm～0.1mm。缺陷地结构采用铜制成。

双螺旋微带结构整体长度L＝4.3mm，整体宽度W＝4.3mm；所有的微带线的宽度w＝0.2mm，线间距g1＝g12＝0.02～0.06mm，g2＝....g11＝0.12～0.2mm，端口231之间的距离z＝0.3mm。

介质层材料是一种聚合物基复合材料，介电常数εr＝8～50，厚度5～35um。

本实施例HFSS仿真结果如图10所示。中心频率在f＝0.48GHz，通频带200MHz，中心频率处的最大插损小于3dB。

实施例3

以图4所示的缺陷地结构和图7所示的双螺旋微带结构分别作为带通滤波器的第一层和第二层，同时在第一层和第二层时间设介质层。

其中缺陷地结构和双螺旋微带结构的具体参数如下：

采用的是梳状线交叉耦合微带结构，这种结构可以在谐振时使电场主要集中在插指电容中，形成强大的电场作用，犹如串联一个很大的电阻，提高了系统的阻抗，使中心频率继续向低频方向移动。缺陷地结构采用铜制成。

双螺旋微带结构微带线宽w＝0.02mm～0.3mm保持一致，线间距g1＝g12＝0.02mm～0.1mm，g2＝g3＝......＝g11＝0.02mm～0.1mm；gm1＝gm10＝0.02～0.2mm，端口213之间的距离z＝0.3mm。

本实施例的HFSS仿真结果如图11所示。中心频率在f＝0.32GHz，通频带200MHz，中心频率处的最大插损小于3dB。

实施例4

以图4所示的缺陷地结构和图8所示的双螺旋微带结构分别作为带通滤波器的第一层和第二层，同时在第一层和第二层时间设介质层。

图8的螺旋结构采用一对交叉耦合微带线配合双螺旋微带结构。微带线宽和线距在横向上以中心微带线向两侧依次减小。微带线宽和线距在纵向上分别等宽和等距。其中横向的宽度W＝410mm，纵向的长度L＝4～10mm。微带螺旋结构中最小的线宽0.02～0.1mm。其仿真结果如图12所示。中心频率在f＝300MHz，通频带200MHz，中心频率处的最大插损小于1.5dB。在频率f＝1GHz处出现一寄生通带，通频带带宽100MHz，插损小于2.5dB。因此图4和图8可以组合获得双带通滤波器。

可以在实施例4的基础上通过以下调节可以改变滤波器的参数：

减小横向上的微带线的线宽至0.07～0.18mm可以获得中心频率在f＝300MHz，带宽为300MHz的单通带通滤波器，其在通频带内的插入损耗小于1.5dB。如图13所示。

增加螺旋线圈数目n至6～8，并增大横向上的微带线间距g＝0.1～0.16mm和减小纵向上的微带线宽至0.05～0.15mm，可以获得中心频率在f＝240MHz，带宽为200MHz，其在通频带内的插入损耗小于1.5dB。如图14所示。

减小缺陷地结构中的电容极片133之间的间距为0.02～0.05mm，可以获得中心频率在f＝240MHz，带宽为100MHz的带通滤波器，其在通频带内的插入损耗小于1.5dB。如图15所示。

进一步地，减小介质层厚度h＝0.005mm～0.025mm，可以获得中心频率在f＝210MHz，带宽为60MHz的单通带通滤波器，其在通频带内的插入损耗小于2.5dB。如图16所示

进一步地，减小上层微带线的间距，g1＝g12＝0.02～0.03mm，g2＝..g11＝0.02～0.15mm可以获得中心频率在f＝180MHz，带宽为60MHz的单通带通滤波器，其在通频带内的插入损耗小于3dB。如图17所示。

上述带通滤波器，其通频带的中心频率可以在180MHz～1G的范围内通过调整器件的设计参数调整，通频带带宽可以在60MHz-300MHz范围内调整，且插损较小。整个滤波器的平面尺寸不超过10mm×10mm。很好地解决了无源带通滤波器小型化的问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种带通滤波器，其特征在于，包括为缺陷地结构的第一层、为双螺旋微带结构的第二层以及设于所述第一层和第二层之间的介质层，所述第一层和第二层耦合形成电容。

2.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一层的缺陷地结构包括呈矩阵排列的四个块状区域，在所述四个块状区域形成的方形区域的一对相对的外缘处，每两个相邻的块状区域沿所述外缘通过微带线连接。

3.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一层的缺陷地结构包括一对相互交叉设置的梳状微带结构，所述梳状微带结构包括梳脊和与梳脊垂直连接并均匀分布的梳齿，所述一对梳状微带结构的梳脊相互平行、梳齿相互交错间隔设置。

4.如权利要求3所述的带通滤波器，其特征在于，所述每个梳齿为一对平行线组，每两个相邻的梳齿之间相互延伸出与梳齿垂直、并且相互交错间隔的电容极片。

5.如权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，所述第二层的双螺旋微带结构从位于中心的微带线的两端分别沿顺时针方向螺旋延伸，其中：从中心的微带线每一端出发延伸的微带线包括多段、且依次交替与中心的微带线垂直和平行；从中心的微带线两端出发延伸的微带线在同一延伸段上相互平行且延伸方向相反，所述双螺旋微带结构整体形成方形结构。

6.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，所述双螺旋微带结构螺旋的圈数为2圈以上。

7.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，所述双螺旋微带结构最外侧的至少一个侧面设有耦合端口。

8.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，所有微带线的宽度保持一致。

9.如权利要求5所述的带通滤波器，其特征在于，每一对与所述中心的微带线平行且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增；每一对与所述中心的微带线垂直且以中心的微带线为中心相互对称的微带线的宽度保持一致，且微带线的宽度按照与中心微带线的距离的增加而依次递减或递增。

10.如权利要求5至9任一项所述的带通滤波器，其特征在于，所述双螺旋微带结构还设有微带传输线。