CN112563699B - 基于多层pcb结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，包括四层介质基板，五层金属铜层，三层半固化片黏合层，四个四分之一波长短路螺旋形谐振器，螺旋形耦合窗口，贯通金属化过孔和共面波导式馈电端口。本发明利用多层PCB压合技术，将四分之一波长短路螺旋形谐振器设计在金属屏蔽腔体内，在水平方向上相互内嵌，在垂直方向上堆叠，具有小型化、紧凑、易于设计、可表面贴装、高选择性、高带外抑制、低损耗、高功率容量的特性，有利于小尺寸高性能要求的场景运用，如基站系统和手持设备等。

Description

基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器

技术领域

本发明涉及带通滤波器技术领域，具体涉及一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器。

背景技术

滤波器作为射频电路和无线通信系统中不可或缺的重要器件，滤波器的性能决定了整个微波系统的性能与质量。随着以5G为代表的通信技术的全面推进，迫切需要6GHz以下满足N78频段（3300MHz~3800MHz）的小型化且兼具高性能的带通滤波器。带通滤波器作为滤波器的一个重要分支，是微波系统中信号选择和干扰抑制的主要组成部分，广泛用于移动通信和集成电路等方面。

目前常用的带通滤波器，按照滤波器的结构大致分为集总元件带通滤波器、金属腔体带通滤波器、微带线带通滤波器、基片集成波导（SIW）带通滤波器、基于低温共烧陶瓷技术（LTCC）带通滤波器、声表面波（SAW）带通滤波器等。集总元件带通滤波器，将集总元件电容、电感分别进行主路串联、支路并联以形成传输极点和传输零点，最后级联在一起从而构建带通响应。金属腔体带通滤波器，金属构成的电壁将电磁信号束缚在封闭腔体内，电磁波在金属腔体中振荡。处于谐振频率的电磁波得以保留，其余频率的电磁波在振荡中衰减，从而构建带通响应。微带线带通滤波器，利用微带线的分布参数特性构造谐振器，通过微带线之间的位置摆放以直接耦合或者空间耦合的方式来控制耦合系数，从而构建带通响应。基片集成波导带通滤波器，利用贯通金属化过孔取代波导左右两侧窄边的电壁，将整个结构集成于印刷电路板上，同一或不同腔体之间的TE_n0模式相互耦合从而构建带通响应。基于低温共烧陶瓷技术（LTCC）带通滤波器，利用LTCC技术具有多层电路布局和高密度封装的特点，将分布参数电路在LTCC基板内部进行多层布局、高密度集成，从而构建带通响应。声表面波带通滤波器，利用压电基片的正、逆压电效应将电信号与声信号进行相互转换，设计合适的传递函数从而构建带通响应。

就目前常用的集总元件带通滤波器而言，由于集总元件电容、电感在频率较高时会产生分布参数的限制，电容容值、电感感值无法维持标称数值且不易控制，存在集总参数滤波器在高频时不易被设计等缺点。

就目前常用的金属腔体带通滤波器而言，由于金属腔体结构和生产上限制，存在体积大、质量重等缺点，同时该滤波器结构单一，存在设计不灵活等缺点。

就目前常用的微带线带通滤波器而言，由于微带线结构上的限制，开放式的空间结构让微带边缘的电场无法完全束缚在介质基板当中，有部分能量辐射到周围开放空间当中，存在损耗相对较大等缺点；同时受限于缺少相应的屏蔽结构，微带线带通滤波器辐射的能量容易对同一系统中的其他电路元件造成干扰，也容易受到其他电磁能量的干扰，存在电磁兼容能力相对较弱的缺点。

就目前常用的基片集成波导带通滤波器而言，由于基片集成波导传输模式的限制，存在低于波导截止频率以下的电磁信号无法在基片集成波导中传输的缺点；同时受限于基片集成波导谐振原理上的限制，存在体积相对较大等缺点。

就目前常用的基于低温共烧陶瓷技术带通滤波器而言，受限于加工工艺，LTCC需采用具有高相对介电常数的陶瓷材料，同时采用高密度集成，存在成本昂贵等缺点。

就目前常用的声表面波带通滤波器而言，声表面波滤波器一般插入损耗相对较大，不能够很好的集成到电路中；且一般只适用于2GHz以下的通信系统，存在难以在大功率情况下应用于高频等缺点。

综上所述，目前常用的集总元件带通滤波器，存在难以应用于高频等缺点；金属腔体带通滤波器受限于金属结构，存在体积大、质量重、设计不灵活等缺点；微带线带通滤波器处于开放式的空间，存在辐射损耗较大、易干扰其他电路元件和受到其它元件干扰的缺点；基片集成波导带通滤波器受限于谐振原理，存在体积相对较大的缺点；低温共烧陶瓷技术带通滤波器，受限于加工工艺，存在成本昂贵等等缺点；声表面波带通滤波器存在插入损耗相对较大、难以运用于高频高功率等缺点。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，包括依次层叠的金属层结构和介质基板结构；

所述金属层结构包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层，第一金属层和第五金属层与四周外侧设置的第一贯通金属化过孔形成金属屏蔽腔体；所述第二金属层和第四金属层上分别设置螺旋形谐振器结构，所述第三金属层上设置与所述螺旋形谐振器结构相对的螺旋形耦合窗口，所述第一金属层上分别设置与所述第二金属层和第四金属层上螺旋形谐振器结构连接的输入馈电端口和输出馈电端口；

所述介质基板结构包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板。

进一步地，所述第二金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌的第一螺旋形谐振器和第二螺旋形谐振器，所述第一螺旋形谐振器的输入端通过第二贯通金属化过孔与输入馈电端口连接。

进一步地，所述第一螺旋形谐振器的接地端通过第一接地过孔与第一金属层和第五金属层连接。

进一步地，所述第四金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌且分别与第一螺旋形谐振器和第二螺旋形谐振器相对设置的第四螺旋形谐振器和第三螺旋形谐振器，所述第四螺旋形谐振器的输出端通过第三贯通金属化过孔与输出馈电端口连接。

进一步地，所述第四螺旋形谐振器的接地端通过第二接地过孔与第一金属层和第五金属层连接。

进一步地，所述第一螺旋形谐振器、第二螺旋形谐振器、第三螺旋形谐振器和第四螺旋形谐振器具体为四分之一波长短路螺旋形谐振器。

进一步地，所述第二螺旋形谐振器和第三螺旋形谐振器通过第三接地过孔与第一金属层和第五金属层连接。

进一步地，所述输入馈电端口和输出馈电端口具体为共面波导式馈电端口。

进一步地，所述金属层结构和介质基板结构之间还包括黏合层结构；

所述黏合层结构包括设置于第二金属层与第二介质基板之间的第一黏合层、第三金属层与第三介质基板之间的第二黏合层、以及第四金属层与第四介质基板之间的第三黏合层。

进一步地，所述第一黏合层、第二黏合层和第三黏合层具体为半固化片黏合层。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明将四分之一波长短路螺旋形谐振器在水平面上相互内嵌，充分利用了水平方向的空间，并通过调节两个谐振器之间的空间距离控制电场耦合的强弱，谐振器的排列十分紧凑。相较于常规的平行耦合线和阶跃阻抗线，减少了不必要的空间，进一步减小了尺寸。

（2）本发明利用多层PCB压合技术，在垂直方向上进行四分之一波长短路谐振器的堆叠，充分利用了垂直方向上的空间，使结构进一步紧凑，相较于LTCC滤波器，无需受限于高相对介电常数的介质以及复杂的加工工艺，能以更低的成本实现优越的性能，具有更大的应用市场，可以广泛用于基站和手持设备当中。

（3）本发明将最顶层的第五金属层、最底层的第一金属层与四周的第一贯通金属化过孔连接起来构造金属屏蔽腔体。相较于普通的微带线滤波器，最顶层金属层的引入增大了谐振的并联电容，从而在相同的尺寸下产生更低的谐振频率，实现了小型化设计。金属屏蔽腔体的引入也减小了辐射损耗并增强的该滤波器的电磁兼容能力。同时使该滤波器具有较高的Q值和更高的功率容量。

（4）本发明在中间第三层金属层设计了螺旋形耦合窗口，在不需要改变谐振器位置的前提下，调节耦合窗口的尺寸即可调节垂直方向摆放的第二螺旋形谐振器和第三螺旋形谐振器之间电场耦合的强弱，提供了更多的设计自由度，使设计原理显得清晰，设计步骤简单。

（5）本发明位于最底层的第一金属层的输入输出端口之间产生的磁耦合，在该拓扑结构中，在通带的两侧各产生了一个传输零点，使滤波器具有高选择性并增强了带外抑制。高次模所引入的传输零点也进一步提高了带外抑制度。

（6）本发明位于最底层的第一金属层的输入输出端口为共面波导线设计，具有表面贴装的特性，可以直接用评估板（EVB）进行测试，并可应用于基站系统和手持设备当中。

（7）该滤波器具有相对较大的带宽，在较高频率时仍具有较优越的性能，可以弥补声表面波滤波器频率低、带宽窄的不足，在5G毫米波Ka波段也有广泛的应用场景。

（8）本发明具有小型化、紧凑、易于设计、可表面贴装、高选择性、高带外抑制、低损耗、高功率容量的特性，有利于小尺寸高性能要求的场景运用，如基站系统和手持设备等。多层PCB压合技术的运用，有利于降低生产成本，适合于5G通信时代的大规模生产和应用。

附图说明

图1为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器结构示意图；

图2为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器正视图；

图3为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器俯视图；

图4为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器中谐振器结构示意图；

图5为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器层叠结构示意图；

图6为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器耦合拓扑图；

图7为本发明基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器耦1-10GHz频率响应图。

其中附图标记为：1-第一螺旋形谐振器，2-第二螺旋形谐振器，3-第三螺旋形谐振器，4-第四螺旋形谐振器，5-第一贯通金属化过孔，6-输入馈电端口，7-输出馈电端口，8-第二贯通金属化过孔，9-第三贯通金属化过孔，10-第一接地过孔，11-第二接地过孔，12-第三接地过孔。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明依托5G通信下N78频段（3300-3800MHz）为应用背景，基于四分之一波长短路螺旋形谐振器（λ/4 short-circuited spiral resonator）、螺旋形耦合窗口、金属屏蔽腔体（Shielded metal housing）、贯通金属化过孔（Through metal via）、共面波导式馈电（CPW feeding structure）、多层PCB压合等技术提出了一种新的小型化、紧凑的、易于设计的高性能带通滤波器实现方式。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，包括依次层叠的金属层结构和介质基板结构；

金属层结构包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层，第一金属层和第五金属层与四周外侧设置的第一贯通金属化过孔5形成金属屏蔽腔体；第二金属层和第四金属层上分别设置螺旋形谐振器结构，第三金属层上设置与螺旋形谐振器结构相对的螺旋形耦合窗口，第一金属层上分别设置与第二金属层和第四金属层上螺旋形谐振器结构连接的输入馈电端口6和输出馈电端口7；

介质基板结构包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板。

本发明将四层介质基板与五层金属层依次层叠设置，利用介质基板对其上下的金属层进行支撑，最顶层的第五金属层和最底层的第一金属层作为滤波器的等效地，并和四周的贯通金属化过孔一起构造金属屏蔽腔体，将螺旋形谐振器结构设计在由顶、底层金属地板和四周的贯通金属化过孔构造的封闭的金属腔体中，通过引入位于上层的等效地增大谐振的并联电容从而在相同尺寸下产生更低的谐振频率，实现小型化的效果。金属屏蔽腔体的存在，也在减少辐射损耗的同时提高了元器件的电磁兼容能力。

在本实施例中，第二金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌的第一螺旋形谐振器1和第二螺旋形谐振器2；第四金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌且分别与第一螺旋形谐振器1和第二螺旋形谐振器2相对设置的第四螺旋形谐振器4和第三螺旋形谐振器3。

第一螺旋形谐振器1、第二螺旋形谐振器2、第三螺旋形谐振器3和第四螺旋形谐振器4具体为四分之一波长短路螺旋形谐振器，根据传输线的等效RLC电路，调整螺旋线的长度和宽度，实现等效LC的值的改变，即可实现滤波器谐振频率的改变。

如图2至图5所示，位于最底层的第一金属层的共面波导式输入端口（Input）将能量馈入滤波器，能量沿第二贯通金属化过孔8传递到位于第二金属层的第一螺旋形谐振器1。第一螺旋形谐振器1通过空间电场耦合将能量传递给同样位于第二金属层且相互内嵌的第二螺旋形谐振器2。第二螺旋形谐振器2通过位于第三金属层的螺旋形耦合窗口将能量垂直耦合至位于第四金属层的第三螺旋形谐振器3。通过调节螺旋形耦合窗口的尺寸来控制垂直方向上谐振器2与3耦合能量的强弱。第三螺旋形谐振器3再次通过空间电场耦合将能量传递给同样位于第四金属层且相互内嵌的第四螺旋形谐振器4，并最终通过第三贯通金属化过孔9将能量传递到位于最底层的第一金属层的共面波导式输出端口（Output）馈出，从而实现四阶带通滤波器设计。

本发明在水平方向上引入相互内嵌的四分之一波长短路螺旋形谐振器，通过控制谐振器之间的空间距离来调节电场耦合的强弱，以达到级间耦合的效果；并且能够充分利用空间，使结构变得更加紧凑。

在垂直方向上，利用多层PCB压合技术将处于不同层的谐振器进行多层堆叠，通过位于中间层的螺旋形耦合窗口在垂直方向上进行能量的耦合，对垂直方向排列的耦合器之间的耦合系数的调节，提高了设计自由度，从而起到对水平方向和垂直方向的空间合理充分利用的效果，实现滤波器结构的紧凑性。

本发明采用螺旋形耦合窗口，在不需要改变谐振器位置的前提下，通过调节螺旋形耦合窗口的尺寸即可调节级间耦合的强弱，提供合适的耦合系数以形成好的通带效果，具有简单、易于设计的优势。

在本实施例中，第一螺旋形谐振器1的输入端和接地端组成L型结构，输入端通过第二贯通金属化过孔8与输入馈电端口6连接，接地端通过第一接地过孔10与第一金属层和第五金属层连接。

同样的，第四螺旋形谐振器4的输出端和接地端组成L型结构，输出端通过第三贯通金属化过孔9与输出馈电端口7连接，接地端通过第二接地过孔11与第一金属层和第五金属层连接。

此外，第二螺旋形谐振器2和第三螺旋形谐振器3的螺旋内端通过第三接地过孔12与第一金属层和第五金属层连接。

由于位于最底层的第一金属层的输入输出端口之间产生源负载耦合，从而在通带两侧各引入一个传输零点，提高了带通滤波器的选择性，并增强了带外抑制。

在本实施例中，输入馈电端口6和输出馈电端口7具体为共面波导式馈电端口。

本发明将位于最底层的第一金属层的输入输出端口设计为共面波导线（CPW），使该滤波器具有表面贴装的特性，易集成于基站系统和手持设备当中，扩大了该滤波器的应用场景。

在本实施例中，金属层结构和介质基板结构之间还包括黏合层结构；

黏合层结构包括设置于第二金属层与第二介质基板之间的第一黏合层、第三金属层与第三介质基板之间的第二黏合层、以及第四金属层与第四介质基板之间的第三黏合层。

第一黏合层、第二黏合层和第三黏合层具体为半固化片黏合层。

本发明通过将黏合层结构与金属层结构和介质基板结构层叠设置，利用半固化片黏合层作为压合黏剂将四层介质基板粘合为一个整体。图2中各金属层厚度相对各介质基板层和黏合层较小，因此未示出。

图6为该滤波器的耦合拓扑图，其中E表示电耦合，M表示磁耦合，主耦合路径为：信号源Source（S）通过磁耦合将能量传递到第一螺旋形谐振器1，第一螺旋形谐振器1通过电耦合将能量传递至第二螺旋形谐振器2，第二螺旋形谐振器2通过电耦合将能够传递至第三螺旋形谐振器3，第三螺旋形谐振器3再次通过电耦合将能量传递至第四螺旋形谐振器4，最终第四螺旋形谐振器4通过磁耦合将能量传递至负载Load（L）。弱耦合路径为：信号源Source和负载Load之间的磁耦合，第一螺旋形谐振器1与第三螺旋形谐振器3之间的电耦合，第一螺旋形谐振器1与第四螺旋形谐振器4之间的电耦合，第二螺旋形谐振器2与第四螺旋形谐振器4之间的电耦合。

本发明的带通滤波器使用的介质基板材料为0.254mm厚的高频版Rogers5580；半固化片黏合层为0.1mm厚的罗杰斯半固化片Ro4450F，相对介电常数为3.52，电介质损耗角正切为0.004；金属铜层的厚度为0.018mm。带通滤波器设计频段为N78频段（3300MHz~3800MHz），如图7所示，测试中心频率为3.483GHz, -3dB带宽为3.205GHz~3.761GHz, 相对带宽为16%，带内最小插入损耗为-1dB, 矩形系数为0.49，上阻带40dB带外抑制达至2.37f0，上阻带20dB带外抑制达至2.763f0。整个滤波器的尺寸为10.24mm×8.16mm×1.406mm (0.12λ0×0.095λ0×0.016λ0)。S11所示的回波损耗曲线和S21所示的插入损耗曲线均表明本发明的测量结果与仿真结果的准确性很高。测试结果的中心频率相较于仿真结果向左进行了偏移，该现象为加工制造存在误差导致。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，包括依次层叠的金属层结构和介质基板结构；

所述金属层结构包括第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层和第五金属层，第一金属层和第五金属层与四周外侧设置的第一贯通金属化过孔（5）形成金属屏蔽腔体；所述第二金属层和第四金属层上分别设置螺旋形谐振器结构，所述第三金属层上设置与所述螺旋形谐振器结构相对的螺旋形耦合窗口，所述第一金属层上分别设置与所述第二金属层和第四金属层上螺旋形谐振器结构连接的输入馈电端口（6）和输出馈电端口（7）；所述第二金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌的第一螺旋形谐振器（1）和第二螺旋形谐振器（2），所述第一螺旋形谐振器（1）的输入端通过第二贯通金属化过孔（8）与输入馈电端口（6）连接；所述第四金属层上设置的螺旋形谐振器结构具体包括相互内嵌且分别与第一螺旋形谐振器（1）和第二螺旋形谐振器（2）相对设置的第四螺旋形谐振器（4）和第三螺旋形谐振器（3），所述第四螺旋形谐振器（4）的输出端通过第三贯通金属化过孔（9）与输出馈电端口（7）连接；所述第一螺旋形谐振器（1）、第二螺旋形谐振器（2）、第三螺旋形谐振器（3）和第四螺旋形谐振器（4）具体为四分之一波长短路螺旋形谐振器；

所述介质基板结构包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板。

2.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述第一螺旋形谐振器（1）的接地端通过第一接地过孔（10）与第一金属层和第五金属层连接。

3.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述第四螺旋形谐振器（4）的接地端通过第二接地过孔（11）与第一金属层和第五金属层连接。

4.根据权利要求3所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述第二螺旋形谐振器（2）和第三螺旋形谐振器（3）通过第三接地过孔（12）与第一金属层和第五金属层连接。

5.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述输入馈电端口（6）和输出馈电端口（7）具体为共面波导式馈电端口。

6.根据权利要求1所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述金属层结构和介质基板结构之间还包括黏合层结构；

所述黏合层结构包括设置于第二金属层与第二介质基板之间的第一黏合层、第三金属层与第三介质基板之间的第二黏合层、以及第四金属层与第四介质基板之间的第三黏合层。

7.根据权利要求6所述的基于多层PCB结构的小型化螺旋形可表面贴装带通滤波器，其特征在于，所述第一黏合层、第二黏合层和第三黏合层具体为半固化片黏合层。

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