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CN115603690B - 基于ipd工艺的n77频段小型化滤波器 - Google Patents

基于ipd工艺的n77频段小型化滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器，包括衬底以及设置在衬底上并依次连接的信号输入端口Port1、第一并联谐振器、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第五并联谐振器和信号输出端口Port2。本发明中的并联谐振器均同时引入电容耦合及电感耦合使得响应两端均产生零点，表现出更好的抑制性；本发明引入电感间互感来代替集总的电感使用，这在一定程度上减小了设计的尺寸及通常金属螺旋电感带来的损耗，使得滤波器响应表现出尺寸小、低损耗及宽带的特点。本发明与市面上常用的5G滤波器相比尺寸更小，且加工成本更低，这有利于大规模生产和应用。

Description

基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，具体涉及一种基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器的设计。
背景技术
目前以5G和物联网为核心的无线通信技术正在快速推进，高速无线通信正在深刻改变甚至颠覆人们过去的生活生产。随着以5G为代表的通信技术迅速发展，6GHz以下频段的滤波器在射频系统中被迫切需要。相比于射频系统的其他组成部分，尤其在可能产生强干扰的模块中，滤波器的重要性更加明显。
现如今，根据不同的场合对滤波器的有不同的特性需求，现代通信市场俨然成了多种滤波器的竞技场。微波滤波器从不同工艺及结构角度上来看，有集成无源（IPD），低温共烧陶瓷（LTCC），声表面波（SAW），体声波（BAW），金属腔体，印刷电路板（PCB）及其他MEMS工艺等。
低温共烧陶瓷（LTCC）工艺具有多层电路布局及高密度封装等特点。目前市面上的LTCC工艺的滤波器往往采用集总电路，通过将贴片电容及螺旋电感代替集总元件，将其在LTCC基板内部级联形成滤波响应。而集总元件的引入会导致滤波器金属损耗增大且尺寸增大。
声表面波（SAW）滤波器由压电材料及叉指换能器组成。由于其工艺限制，只能在1.5GHz以下频段保证性能，因此在使用角度上有很大限制。
体声波（BAW）滤波器由以石英等晶体为压电材料及压电材料两边附着的金属组成。利用压电材料两边的金属激励出声波在压电基板震荡。BAW滤波器相比SAW滤波器可以在稍高频段进行工作，且伴随着更低的插入损耗和无载Q值，但国内目前生产现状还伴随着加工成本大，难度高，成品率低的缺陷。
金属腔体滤波器以金属为原材料，采用谐振腔体结构。金属腔体滤波器结构牢固，性能稳定可靠。但其受限于金属结构，存在设计灵活度低，体积大，质量重等缺陷。
印刷电路板（PCB）工艺以SIW（基片集成波导）和微带等为代表，有设计难度和加工成本低等特点，且伴随着适用频段广，性能高的优势。SIW作为一种人工结构，利用两排金属化通孔或金属化槽沟嵌入到电介质基板中，将导体覆盖到基板顶部和底部进行合成的。但由于SIW传输模式的限制，低于其截止频率以下的电磁信号无法在SIW中传输，同时受制于其腔体谐振原理，存在尺寸大的缺陷。由微带谐振器构成的滤波器，若是构建在PCB工艺的基板上，往往伴随着较大的辐射损耗。
综上所述，现有技术的滤波器中：LTCC滤波器的响应往往难以表现出良好的选择性；声表面波滤波器受限于加工工艺，且存在频率范围小，使用角度小等缺陷；体声波滤波器伴随着加工成本大，难度高，成品率低等缺陷；金属腔体滤波器受限于其原材料，存在设计灵活度低，质量重，体积大等缺陷；PCB工艺滤波器中，SIW滤波器存在体积大等缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前6GHz频段下的5G滤波器难以在小型化的同时兼顾低损耗及宽阻带的问题，提出了一种基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器。
本发明的技术方案为：基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器，包括衬底以及设置在衬底上并依次连接的信号输入端口Port1、第一并联谐振器、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第五并联谐振器和信号输出端口Port2。
进一步地，第一并联谐振器包括第一集总并联电感L1和第一集总并联电容C1，第二并联谐振器包括第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2，第三并联谐振器包括第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3，第四并联谐振器包括第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4，第五并联谐振器包括第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5；第一集总并联电感L1的一端和第一集总并联电容C1的一端均与信号输入端口Port1连接，第一集总并联电感L1的另一端和第一集总并联电容C1的另一端连接并接地，第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2并联，第二集总并联电容C2的一端与第一集总并联电感L1的接地端连接，其另一端与第二集总并联电感L3的一端连接，第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3并联，第二集总并联电感L3的另一端与第四集总并联电容C4的一端连接，第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4并联，第四集总并联电容C4的另一端与第三集总并联电感L5的接地端连接，第三集总并联电感L5的一端和第五集总并联电容C5的一端均与信号输出端口Port2连接，第三集总并联电感L5的另一端和第五集总并联电容C5的另一端连接并接地。
进一步地，衬底上还设置有第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3、第四接地通孔G4、第五接地通孔G5、第六接地通孔G6、第七接地通孔G7和第八接地通孔G8；第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3和第四接地通孔G4为滤波器的信号输入和输出提供GSG结构；第五接地通孔G5和第六接地通孔G6为滤波器提供接地响应；第一集总并联电感L1、第一集总并联电容C1和第二集总并联电容C2均通过第七接地通孔G7接地；第四集总并联电容C4、第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5均通过第八接地通孔G8接地。
进一步地，第一并联互感电感L2'是由第一集总并联电感L1和第二集总并联电感L3互感产生的等效电感，第二并联互感电感L4'是由第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5互感产生的等效电感。
进一步地，第一集总并联电感L1、第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5均为不规则多边形形状，并采用叠层绕线方式结构。
进一步地，第一集总并联电容C1、第二集总并联电容C2、第三集总并联电容C3、第四集总并联电容C4和第五集总并联电容C5均为MIM平板电容。
进一步地，衬底的材料为砷化镓。
进一步地，滤波器工作在N77频段，中心频率为3.75GHz。
本发明的有益效果是：
（1）本发明引入电感间互感来代替集总的电感使用，这在一定程度上减小了设计的尺寸及通常金属螺旋电感带来的损耗，使得滤波器响应表现出尺寸小、低损耗及宽带的特点。
（2）本发明提出了不同于通常使用的金属螺旋电感的异型电感，该电感使用叠层绕线结构使得单个集总电感在结构紧凑的基础上，实现更大的内径及更高的Q值。
（3）本发明在通带两边都引入零点，并且上阻带-20dB带外抑制达到6.64 f 0（f 0为滤波器中心频率），有着优良的上阻带表现。
（4）本发明与市面上常用的5G滤波器相比尺寸更小，损耗更低，这有利于大规模生产和应用。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器三维电路结构示意图。
图2所示为本发明实施例提供的基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器等效电路图。
图3所示为本发明实施例提供的基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器0-14GHz的频率响应曲线图。
图4所示为本发明实施例提供的基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器0-35GHz的频率响应曲线图。
图5所示为本发明实施例提供的基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器放大的频率响应曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例提供了一种基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器，如图1和图2共同所示，包括衬底以及设置在衬底上并依次连接的信号输入端口Port1、第一并联谐振器、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第五并联谐振器和信号输出端口Port2。
其中，第一并联谐振器包括第一集总并联电感L1和第一集总并联电容C1，第二并联谐振器包括第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2，第三并联谐振器包括第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3，第四并联谐振器包括第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4，第五并联谐振器包括第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5。
第一集总并联电感L1的一端和第一集总并联电容C1的一端均与信号输入端口Port1连接，第一集总并联电感L1的另一端和第一集总并联电容C1的另一端连接并接地，第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2并联，第二集总并联电容C2的一端与第一集总并联电感L1的接地端连接，其另一端与第二集总并联电感L3的一端连接，第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3并联，第二集总并联电感L3的另一端与第四集总并联电容C4的一端连接，第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4并联，第四集总并联电容C4的另一端与第三集总并联电感L5的接地端连接，第三集总并联电感L5的一端和第五集总并联电容C5的一端均与信号输出端口Port2连接，第三集总并联电感L5的另一端和第五集总并联电容C5的另一端连接并接地。
本发明实施例中，如图1所示，衬底上还设置有第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3、第四接地通孔G4、第五接地通孔G5、第六接地通孔G6、第七接地通孔G7和第八接地通孔G8。
其中，第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3和第四接地通孔G4为滤波器的信号输入和输出提供GSG结构；第五接地通孔G5和第六接地通孔G6为滤波器提供接地响应；第一集总并联电感L1、第一集总并联电容C1和第二集总并联电容C2均通过第七接地通孔G7接地；第四集总并联电容C4、第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5均通过第八接地通孔G8接地。
本发明实施例中，第一并联互感电感L2'和第二并联互感电感L4'均不是实体电感，第一并联互感电感L2'是由第一集总并联电感L1和第二集总并联电感L3互感产生的等效电感，第二并联互感电感L4'是由第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5互感产生的等效电感。
本发明实施例中，第一集总并联电感L1、第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5均为不规则多边形形状，并采用叠层绕线方式结构，在保持紧凑尺寸的同时能彼此产生良好的互感作业，并且相比传统的金属螺旋电感，增大了电感内径，可具有更高的Q值，减小电路损耗。
本发明实施例中，第一集总并联电容C1、第二集总并联电容C2、第三集总并联电容C3、第四集总并联电容C4和第五集总并联电容C5均为MIM平板电容。
本发明实施例中，衬底的材料为砷化镓，滤波器工作在N77频段（3300MHz-4200MHz），中心频率为3.75GHz，其物理尺寸为1320um*590um。
由图3~图5可知，本发明提供的滤波器通带最好损耗值为-1.53dB@3.758GHz，3dB带宽点分别位于-3dB@3.02GHz和-3db@4.7GHz，所述滤波器的3dB相对带宽为44.8%,上阻带-20dB带外抑制达到6.64 f 0（f 0为滤波器中心频率）。
基于上述性能分析可以得出，本发明提供的适用于N77频段的IPD滤波器芯片具有尺寸小，带宽带，选择性高，阻带抑制能力强的优点。这使得本发明相较市面上其他同类型产品有更强的优势，有利于大规模生产和应用。
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 (5)

1.基于IPD工艺的N77频段小型化滤波器，其特征在于，包括衬底以及设置在衬底上并依次连接的信号输入端口Port1、第一并联谐振器、第二并联谐振器、第三并联谐振器、第四并联谐振器、第五并联谐振器和信号输出端口Port2；
所述第一并联谐振器包括第一集总并联电感L1和第一集总并联电容C1，所述第二并联谐振器包括第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2，所述第三并联谐振器包括第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3，所述第四并联谐振器包括第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4，所述第五并联谐振器包括第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5；
所述第一集总并联电感L1的一端和第一集总并联电容C1的一端均与信号输入端口Port1连接，所述第一集总并联电感L1的另一端和第一集总并联电容C1的另一端连接并接地，所述第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2并联，所述第二集总并联电容C2的一端与第一集总并联电感L1的接地端连接，其另一端与第二集总并联电感L3的一端连接，所述第二集总并联电感L3和第三集总并联电容C3并联，所述第二集总并联电感L3的另一端与第四集总并联电容C4的一端连接，所述第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4并联，所述第四集总并联电容C4的另一端与第三集总并联电感L5的接地端连接，所述第三集总并联电感L5的一端和第五集总并联电容C5的一端均与信号输出端口Port2连接，所述第三集总并联电感L5的另一端和第五集总并联电容C5的另一端连接并接地；所述第三集总并联电容C3的一端连接第一并联互感电感L2'和第二集总并联电容C2的并联端，所述第三集总并联电容C3的另一端连接第二并联互感电感L4'和第四集总并联电容C4的并联端；所述第一并联互感电感L2'是由第一集总并联电感L1和第二集总并联电感L3互感产生的等效电感，所述第二并联互感电感L4'是由第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5互感产生的等效电感；
所述第一集总并联电感L1、第二集总并联电感L3和第三集总并联电感L5均为不规则多边形形状，并采用叠层绕线方式结构。
2.根据权利要求1所述的N77频段小型化滤波器，其特征在于，所述衬底上还设置有第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3、第四接地通孔G4、第五接地通孔G5、第六接地通孔G6、第七接地通孔G7和第八接地通孔G8；
所述第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3和第四接地通孔G4为滤波器的信号输入和输出提供GSG结构；
所述第五接地通孔G5和第六接地通孔G6为滤波器提供接地响应；
所述第一集总并联电感L1、第一集总并联电容C1和第二集总并联电容C2均通过第七接地通孔G7接地；
所述第四集总并联电容C4、第三集总并联电感L5和第五集总并联电容C5均通过第八接地通孔G8接地。
3.根据权利要求1所述的N77频段小型化滤波器，其特征在于，所述第一集总并联电容C1、第二集总并联电容C2、第三集总并联电容C3、第四集总并联电容C4和第五集总并联电容C5均为MIM平板电容。
4.根据权利要求1所述的N77频段小型化滤波器，其特征在于，所述衬底的材料为砷化镓。
5.根据权利要求1所述的N77频段小型化滤波器，其特征在于，所述滤波器工作在N77频段，中心频率为3.75GHz。
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