CN115425375B - 一种带通滤波器及其小型化cq拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带通滤波器及其小型化CQ拓扑结构，该带通滤波器包括小型化CQ拓扑结构、输入馈电单元、输出馈电单元、第一微带线和第二微带线，输入馈电单元、输出馈电单元分别与小型化CQ拓扑结构通过非接触式耦合；小型化CQ拓扑结构包括设置于介质基板表面的第一双谐振器单元、第二双谐振器单元和交叉耦合单元，第一双谐振器单元包括第一谐振器和第二谐振器，第二双谐振器单元包括第三谐振器和第四谐振器，各谐振器均为一端开路、另一端短路的四分之一波长谐振器，且短路端通过金属化接地过孔连接到介质基板背面的金属地，开路端经180度折弯后指向短路端。本发明实现了一种小型化、高平坦度、高带外抑制的4极点4零点带通滤波器。

Description

一种带通滤波器及其小型化CQ拓扑结构

技术领域

本发明涉及微波电路领域，尤其涉及一种带通滤波器及其小型化CQ拓扑结构。

背景技术

带通滤波器在微波集成电路中起到信号滤波的重要作用，常见的带通滤波器有腔体滤波器、SIW(Substrate Integrated Waveguide，基片集成波导)滤波器、硅基MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)滤波器及微带滤波器几类。腔体滤波器Q值高，插入损耗小、带内平坦，在窄带应用领域具有优势，缺点在于体积较大，无法有效实现小型化，高密度集成应用场合应用受限。SIW滤波器在介质基板上实现扁平化波导滤波结构，采用金属化过孔实现波导侧壁，从而实现小型化SIW滤波器，其Q值适中，但在高密度集成场合体积仍然较大，无法满足SIP(System in Package，系统级封装)集成应用的要求。硅基MEMS滤波器由于体积小、易集成、自屏蔽等优点，在微波集成电路中广泛应用，其缺点是成本较高，高密度应用场合0.82mm的厚度使得器件特性易受屏蔽盖接地性能的影响，常常需要增加屏蔽盖的接地特性才能达到高抑制要求。微带滤波器在微波组件中广泛使用，常见平行耦合线、交指、发夹线、开口谐振环等类型，其缺点是毫米波频段微带谐振器Q值相对较低，通常会带来较大的插入损耗，带内平坦度差，但其优点也十分突出，也即适合宽带高密度集成应用，成本低廉。

微波系统中采用的带通滤波器，通常对带内平坦度、近端带外抑制、宽带抑制、体积等指标均提出严格要求。以中心频率为22GHz绝对带宽为1GHz的带通滤波器为例，通常要求1GHz带内平坦度小于1dB，低端偏离下边带1GHz带外抑制大于35dBc，高端在40GHz以内抑制大于40dBc，体积小于4mm×2.5mm×1mm且越小越好。而滤波器的带内平坦度与带外抑制、带外抑制与体积常常是相互矛盾的指标。一般而言，滤波器阶数越低，带内平坦度越好，但带外抑制会越差，而增加阶数可以提高带外抑制，但带内平坦度会恶化、体积也会增大。为解决该矛盾，设计中可采用超导滤波器技术、有耗滤波器等技术实现高平坦度高带外抑制特性，但也面临各自的缺点：对超导滤波器而言，面临的是小型化、集成化、工作条件苛刻的问题；对有耗滤波器而言，常采用非均匀Q值技术，需要设计高Q、低Q传输路径，体积一般较大，结构设计也较为复杂，离高密度集成应用还有一定的距离。相对而言，采用交叉耦合结构以降低滤波器阶数从而实现高平坦度、高抑制指标更具工程可实现性。

交叉耦合拓扑中的一个经典拓扑是CQ结构，如图1所示，其中一个黑原点代表一个谐振器，线段代表电磁耦合，黑实线表示主耦合，虚线代表交叉耦合，一般而言两者耦合极性相反，一对CQ结构可在通带两端引入一对传输零点(高端、低端各一个)以提高通带近端带外抑制，如图2所示。通过在滤波器拓扑中设置该类单元结构，可快速灵活的在有限频率点处引入传输零点，提高滤波器带外抑制，由CQ结构构成的滤波器拓扑如图3所示。虽然该方法对提高滤波器的带外抑制极为有效、灵活，缺点则是常常需要使用复杂的拓扑结构，比如产生两对传输零点一般需要两对CQ结构，而X波段以上微带谐振器Q值下降严重，阶数增加会极大的增加带内插损和带内平坦度。小型化方面，开口谐振环构成的CQ拓扑通常成“田”字型排列，谐振器不在一条直线上，占用宽度尺寸较大，不利于实现小型化，如图4所示。在另外一些技术中，也采用高阻抗线来实现滤波器的小型化，X波段以上该技术方案的代价是明显的，也即高阻抗线谐振器带来小型化的同时，也会带来更大的损耗，带内平坦度也会相应变差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种带通滤波器及其小型化CQ拓扑结构，其中该带通滤波器可以实现两对传输零点(4极点4零点)。该带通滤波器中小型化CQ拓扑结构、输入输出馈电单元、馈线直线排列，可有效解决毫米波滤波器的小型化问题和小型化过程中面临的体积与带外抑制、带内平坦度与带外抑制间的双重矛盾。由馈电单元设计引入的远端传输零点，有效克服了CQ拓扑实现近端零点带来的抑制回弹及结构自身带来的寄生通带问题，实现了良好的近端抑制、宽带抑制，谐振器均采用均匀阻抗线，避免了为实现小型化采用高阻抗线带来的损耗增大、带内平坦度恶化问题，一举解决了小型化、高带内平坦度、高带外抑制间的矛盾问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种小型化CQ拓扑结构，包括设置于介质基板表面的第一双谐振器单元、第二双谐振器单元和交叉耦合单元，所述第一双谐振器单元包括第一谐振器和第二谐振器，所述第二双谐振器单元包括第三谐振器和第四谐振器，各谐振器均为一端开路、另一端短路的四分之一波长谐振器，且短路端通过金属化接地过孔连接到介质基板背面的金属地，开路端经180度折弯后指向短路端；所述第一谐振器和第二谐振器的开路部分两两相临，所述第二谐振器和第三谐振器的开路部分两两相背，所述第三谐振器和第四谐振器的开路部分两两相临；所述交叉耦合单元设置于第一谐振器和第四谐振器之间，且耦合端与第一谐振器和第四谐振器的折弯部分相对。

进一步地，所述交叉耦合单元包括依次连接的第一耦合端、互连线和第二耦合端，所述第一耦合端和第二耦合端设置为T形结构。

进一步地，所述第一耦合端的水平部分与第一谐振器的折弯部分相对且长度相当，所述第二耦合端的水平部分与第四谐振器的折弯部分相对且长度相当。

一种带通滤波器，包括所述小型化CQ拓扑结构、输入馈电单元、输出馈电单元、两条第一微带线和两条第二微带线，所述输入馈电单元、输出馈电单元分别与小型化CQ拓扑结构通过非接触式耦合，一条第一微带线、一条第二微带线和输入馈电单元依次连接，另一条第一微带线、另一条第二微带线和输出馈电单元依次连接，第二微带线的阻抗大于第一微带线的阻抗；所述输入馈电单元和输出馈电单元均为一端开路、另一端短路但长度小于四分之一波长的谐振器，且短路端位于介质基板的同一侧，开路端经180度折弯后指向短路端；所述输入馈电单元和第一谐振器的开路部分两两相背，所述输出馈电单元和第四谐振器的开路部分两两相背。

进一步地，所述输入馈电单元和输出馈电单元的折弯部分与第二微带线连接。

进一步地，所述带通滤波器还包括两条等效键合电感匹配节，所述等效键合电感匹配节与第一微带线连接。

进一步地，所述第一微带线包括50欧姆传输线。

进一步地，所述第二微带线包括高阻抗传输线。

进一步地，所述小型化CQ拓扑结构设置有一个或一个以上。

进一步地，所述介质基板包括陶瓷基板、蓝宝石基板、超导材料基板或半导体材料基板。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明实现了一种小型化、高平坦度、高带外抑制的4极点4零点(4-4)带通滤波器。通过采用四分之一波长折叠型谐振器及交叉耦合单元构成的小型化CQ拓扑结构，实现了0.5dB以内的通带平坦度，且通带附近的近端传输零点位置可通过调节交叉耦合量实现灵活调整。

(2)本发明的小型化CQ拓扑结构的折叠谐振器顺序排列在一条直线上，可以有效减小滤波器的宽度尺寸，相比于现有技术可获得更高的低端带外抑制。

(3)本发明采用了具有寄生通带抑制特性的非接触式耦合馈电方法，不仅有效解决了寄生通带引起的带外抑制恶化问题，而且引入了一对远端传输零点，实现了小型化、低阶数滤波器的宽带、高抑制特性。

(4)本发明的带通滤波器体积小，适于微波混合集成电路、SIP集成应用，与现有技术采用二分之一波长开口谐振环构成的两个CQ单元实现4个传输零点(8极点4零点的8-4结构)的技术相比，由于谐振器阶数少，可拥有更好的带内平坦度，更小的体积和更好的宽带抑制特性(寄生通带更远)，有效缓解了带通滤波器高带内平坦度与高带外抑制，高带外抑制与小体积的间双重矛盾。

附图说明

图1 CQ拓扑及开口谐振环形成的CQ滤波单元。

图2 CQ拓扑毫米波滤波器及其频率响应特性。

图3 CQ结构构成的滤波器拓扑。

图4由两个CQ结构构成的8阶微带滤波器及其频率响应曲线。

图5实施例1的四分之一波长谐振器及其改进结构。

图6实施例1的小型化滤波结构。

图7实施例1的小型化滤波结构的频率响应特性。

图8实施例1的小型化CQ拓扑结构。

图9实施例1的小型化CQ拓扑结构的频率响应特性。

图10实施例2的非接触式耦合馈电单元。

图11实施例2中引入非接触式耦合馈电单元后的频率响应特性。

图12实施例2的4极点4零点(4-4)带通滤波器。

图13实施例3的4极点4零点(4-4)带通滤波器频率响应特性。

图14实施例4的4极点4零点(4-4)带通滤波器。

图15实施例4的4极点4零点(4-4)带通滤波器频率响应特性。

附图标记：100-四分之一波导波长谐振器，200-小型化滤波结构，300-小型化CQ拓扑结构；11-平面金属图形，12-金属化接地过孔，20-介质基板；101-第一谐振器，102-第二谐振器，103-第三谐振器，104-第四谐振器，105-交叉耦合单元，1051-第一耦合端，1052-互连线，1053-耦合端1053，106-第一微带线，107-第二微带线，108-等效键合电感匹配节，109-输入馈电单元，110-输出馈电单元；A-第一双谐振单元，B-第二双谐振单元。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。基于本发明的实施例，本领域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。

实施例1

本实施例提供了一种小型化CQ拓扑结构，包括设置于介质基板20表面的第一双谐振器单元A、第二双谐振器单元B和交叉耦合单元105，第一双谐振器单元A包括第一谐振器101和第二谐振器102，第二双谐振器单元B包括第三谐振器103和第四谐振器104，各谐振器均采用四分之一波长谐振器100折叠制成。

如图5所示，四分之一波导波长谐振器100由平面金属图形11、金属化接地过孔12构成，位于介质基板20上表面(背面为整面金属地)，其一端开路，一端短路，短路端通过金属化接地过孔12与介质基板20背面的金属地相连接。为实现宽度方向的尺寸缩减，对四分之一波导波长谐振器100进行折叠，使得开路端指向短路端，宽度方向的尺寸缩减约50％，折弯部分作为交叉耦合能量取出部位。优选地，金属化接地过孔12可设置为50um～200um的圆形接地过孔。

如图6所示为直线排列的小型化滤波结构200，该结构由四个上述折叠谐振器构成，排列方式为类梳线结构，也即金属化接地过孔12在介质基板20的同一侧，四个谐振器中两个为一组，开路端两两相临，也即第一谐振器101和第二谐振器102构成一组双谐振器单元，即第一双谐振器单元A。需要强调的是，第一谐振器101、第二谐振器102的谐振长度并不相同。同理，第三谐振器103和第四谐振器104构成另一组双谐振器单元，即第二双谐振器单元B。第二谐振器102和第三谐振器103开路端两两背，第一双谐振单元A与第二双谐振单元B两者关于竖直中心线对称，引入交叉耦合之前，该结构可获得切比雪夫响应(双谐振器单元的数量为偶数)；当双谐振单元的数量为奇数时，可获得广义切比雪夫响应。

如图7所示为小型化滤波结构200的频率响应特性，其中左图的双谐振器单元的数量为偶数，右图的双谐振单元的数量为奇数。

如图8所示为小型化CQ拓扑结构300，在第一谐振器101和第四谐振器104之间设置有交叉耦合单元105，其包括依次连接的第一耦合端1051、互连线1052和第二耦合端1053，第一耦合端1051和第二耦合端1053设置为T形结构，第一耦合端1051的水平部分与第一谐振器101的折弯部分相对且长度相当，第二耦合端1053的水平部分与第四谐振器104的折弯部分相对且长度相当。

优选地，从谐振器折弯位置实现交叉耦合，可通过交叉耦合单元105与第一谐振器101和第四谐振器104间的间距调节实现不同的耦合强度，进行近端零点位置调节。此外，可设置第一微带线106用于实现CQ单元的电磁特性模拟，第一微带线与第一谐振器101和第四谐振器104间通过第二微带线107进行连接，馈入点靠近短路端一侧。第二微带线107的阻抗大于第一微带线106的阻抗，从而实现更大调节范围，适应不同带宽需求。优选地，第一微带线106可采用50欧姆传输线，第二微带线107可采用高阻抗传输线。

需要强调的是，小型化CQ拓扑结构300可以获得两个区别于现有技术的有益效果，第一是小型化CQ拓扑结构300的折叠谐振器顺序排列在一条直线上，可以有效减小滤波器的宽度尺寸；第二是四个谐振器可以获得三个传输零点(低端两个，高端一个)，相比于现有技术可获得更高的低端带外抑制。如图9所示为小型化CQ拓扑结构300的频率响应特性。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

本实施例提供了一种带通滤波器，包括小型化CQ拓扑结构300、输入馈电单元109、输出馈电单元110、两条第一微带线106和两条第二微带线107，输入馈电单元109、输出馈电单元110分别与小型化CQ拓扑结构通过非接触式耦合，一条第一微带线106、一条第二微带线107和输入馈电单元109依次连接，另一条第一微带线106、另一条第二微带线107和输出馈电单元110依次连接。

实施例1提供的小型化CQ拓扑结构300带来了在通带低端实现两个传输零点提升低端带外抑制的优点，但也带来了通带高端出现寄生通带使得高端带外抑制恶化的情况。考察该寄生通带频率(图9中椭圆内31.5GHz附近)，可发现交叉耦合单元105的特征频率与寄生频点吻合较好，可确定该寄生通带由交叉耦合单元105引起。

为解决上述问题，本实施例引入了非接触式耦合的输入馈电单元109、输出馈电单元110，如图10所示。输入馈电单元109、输出馈电单元110的设计需满足不能在交叉耦合单元105对应的本征频率上发生谐振并能有效进行输入输出耦合两个条件。由于输入馈电单元109与第一谐振器101均不能在交叉耦合单元105对应的频率上发生谐振，而输入馈电单元109与第一谐振器101间通过磁耦合作用(馈输出馈电单元110与第四谐振器104间同理)，故能对交叉耦合单元105引入的寄生通带进行良好的抑制。

如图11所示为引入输入馈电单元109、输出馈电单元110后的频率响应特性，可见该结构有效抑制了图9中31GHz附近存在的寄生通带。不仅如此，该结构还在通带频率22GHz的低端和高端产生了一对传输零点(14GHz和30GHz附近)，可以很好地解决滤波器的远端抑制问题。

如图12所示为本实施例的一种小型化、高平坦度、高选择性4零4极点(4-4)带通滤波器，该结构包括制作于介质基板20表面的第一微带线106(包含输入、输出微带线)，在第一微带线106的最两端，设置有等效键合电感匹配节108，该匹配节用于匹配0.1～0.2nH的等效键合电感，实现与毫米波芯片、传输线的优良匹配。第一微带线106通过第二微带线107与馈电单元的折弯部分进行连接，可实现较大范围的抽头调节。在输入馈电单元109、输出馈电单元110之间，设置有小型化CQ拓扑结构300，用于实现带有一对近端零点的带通传输特性，并通过输入馈电单元109、输出馈电单元110实现一对远端传输零点，该远端传输零点可有效解决小型化CQ拓扑结构300近端零点带来的抑制反弹问题，从而实现小型化、近端与远端宽带高抑制特性。由于采用了较少的阶数，该带通滤波器可实现较小的插入损耗和较好的带内平坦度。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上：

以射频系统中中心频率位于22GHz、绝对带宽为1GHz的K波段带通滤波器为例，通常要求其1GHz带内平坦度小于1dB，偏离边带1GHz带外抑制大于35dBc。本实施例在0.127mm厚的Al₂O₃陶瓷基板上实现实施例2的带通滤波器，其结构如图12所示，版图面积仅为2.8mm×1.4mm。通过全波仿真分析可得其频率响应曲线如图13所示，从图中可见该滤波器通带内最小插损为2.083dB，偏离中心频率500MHz的插损分别为2.518dB和2.470dB，整体带内平坦度为0.435dB，有效满足了带内平坦度小于1dB的要求，优于现有技术可实现的指标，该指标的实现得益于使用了较少的谐振器。

带外抑制方面，由于滤波器阶数较少，常规技术实现的带外抑制一般较差，本实施例中采用小型化CQ拓扑和非接触式耦合馈电设计，分别实现了一对近端零点和一对远端零点。在本实施例中，一对近端零点分别位于20GHz和25GHz附近，一对远端零分别位于15GHz和31GHz附近，有效解决了提出的小型化CQ结构中交叉耦合单元105引入的寄生通带问题和近端带外抑制大幅回弹问题，同时实现了低阶滤波器的近端、远端高带外抑制特性，该结构在40GHz以内能实现40dBc以上的宽带抑制特性。

实施例4

本实施例在实施例2的基础上：

仍以上述带通滤波器为例，本实施例将图12所示的带通滤波器中输入馈电单元109和输出馈电单元110关于水平线进行镜像翻转，得到了如图14所示的另一种带通滤波器，其频率响应特性如图15所示。从图15中可见该带通滤波器依然有效实现了四个传输零点，具有良好的带内平坦度和带外抑制特性，该结构可有效降低对输入馈电单元109与第一谐振器101、输出馈电单元110与第四谐振器104的耦合间距加工精度要求。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (10)

1.一种小型化CQ拓扑结构，其特征在于，包括设置于介质基板(20)表面的第一双谐振器单元(A)、第二双谐振器单元(B)和交叉耦合单元(105)，所述第一双谐振器单元(A)包括第一谐振器(101)和第二谐振器(102)，所述第二双谐振器单元(B)包括第三谐振器(103)和第四谐振器(104)，各谐振器均为一端开路、另一端短路的四分之一波长谐振器，且短路端通过金属化接地过孔(12)连接到介质基板(20)背面的金属地，开路端经180度折弯后指向短路端；所述第一谐振器(101)和第二谐振器(102)的开路部分两两相临，所述第二谐振器(102)和第三谐振器(103)的开路部分两两相背，所述第三谐振器(103)和第四谐振器(104)的开路部分两两相临；所述交叉耦合单元(105)设置于第一谐振器(101)和第四谐振器(104)之间，且耦合端与第一谐振器(101)和第四谐振器(104)的折弯部分相对。

2.根据权利要求1所述的小型化CQ拓扑结构，其特征在于，所述交叉耦合单元(105)包括依次连接的第一耦合端(1051)、互连线(1052)和第二耦合端(1053)，所述第一耦合端(1051)和第二耦合端(1053)设置为T形结构。

3.根据权利要求2所述的小型化CQ拓扑结构，其特征在于，所述第一耦合端(1051)的水平部分与第一谐振器(101)的折弯部分相对且长度相当，所述第二耦合端(1053)的水平部分与第四谐振器(104)的折弯部分相对且长度相当。

4.一种带通滤波器，包括如权利要求1-3任一项所述的小型化CQ拓扑结构，其特征在于，还包括输入馈电单元(109)、输出馈电单元(110)、两条第一微带线(106)和两条第二微带线(107)，所述输入馈电单元(109)、输出馈电单元(110)分别与小型化CQ拓扑结构通过非接触式耦合，一条第一微带线(106)、一条第二微带线(107)和输入馈电单元(109)依次连接，另一条第一微带线(106)、另一条第二微带线(107)和输出馈电单元(110)依次连接，第二微带线(107)的阻抗大于第一微带线(106)的阻抗；

所述输入馈电单元(109)和输出馈电单元(110)均为一端开路、另一端短路但长度小于四分之一波长的谐振器，且短路端位于介质基板(20)的同一侧，开路端经180度折弯后指向短路端；所述输入馈电单元(109)和第一谐振器(101)的开路部分两两相背，所述输出馈电单元(110)和第四谐振器(104)的开路部分两两相背。

5.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述输入馈电单元(109)和输出馈电单元(110)的折弯部分与第二微带线(107)连接。

6.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，还包括两条等效键合电感匹配节(108)，所述等效键合电感匹配节(108)与第一微带线(106)连接。

7.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线(106)包括50欧姆传输线。

8.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述第二微带线(107)包括高阻抗传输线。

9.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述小型化CQ拓扑结构设置有一个或一个以上。

10.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于，所述介质基板(20)包括陶瓷基板、蓝宝石基板、超导材料基板或半导体材料基板。