CN117895200A - 基于提取极点谐振器的5g基片集成同轴滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，属于通信技术领域，包括从上到下设置的四层介质基板、从上到下设置的八层金属层以及四个谐振器。本发明提供基片集成同轴滤波器使用多层结构，使谐振器之间的耦合有垂直耦合和水平耦合两种形式，使设计保持着紧凑的尺寸。且本发明结合提取极点谐振器，并利用电磁混合耦合构建谐振器之间的耦合，在滤波器通带左侧实现了三个零点，实现了良好的抑制额能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器。
背景技术
随着射频通信系统的快速进步，对通信器件的需求急剧上升。尤其是随着5G等先进通信技术的发展，对于频段低于6GHz的滤波器左侧阻带抑制能力被迫切需要。而零点的数量往往与带通滤波器的带外抑制能力关联。
现如今，构建零点的方式有很多。最广泛使用的方法是交叉耦合，这是一种通过构建非相邻谐振点之间的耦合产生零点的办法。此技术使滤波器的频率响应更加锐利，改善了滤波器的选择性，对于需要在通带两侧实现陡峭过渡的应用有用。但设计和实现交叉耦合结构可能相对复杂，尤其是在微型化的滤波器设计中。此外，这种方法可能会增加滤波器的尺寸和成本。该技术的应用场景往往在卫星通信及高端无线通信系统。
利用提取极点谐振器也能产生额外的零点。该技术结合谐振点和非谐振点同时产生一个极点和一个传输零点。提取极点技术提供了更大的灵活性，特别是在小型化和频率调谐方面。这种方法还可以在不增加额外尺寸的情况下实现高选择性。虽然提取极点技术在设计上相对简单，但该技术往往应用在平面结构中，并且以连线形式与其他谐振器相连。这在一定程度上不利于设计的进一步小型化。基于提取极点的技术适用于需要高度小型化同时保持良好性能的场合，如便携式通信设备和集成射频系统。
上述构建零点的方案往往伴随着设计不灵活的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器法，解决了目前6G频段下滤波器尺寸不够紧凑，左侧抑制能力差，且零点不能灵活调控的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、第八金属层、第一提取极点谐振器、第二提取极点谐振器、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器以及第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器；
所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板从上到下依次设置，所述第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层、第六金属层、第七金属层、第八金属层从上到下依次设置，所述第一介质基板位于第一金属层和第二金属层之间，所述第二介质基板位于第三金属层和第四金属层之间，所述第三介质基板位于第五金属层和第六金属层之间，所述第四介质基板位于第七金属层和第八金属层之间；所述第一提取极点谐振器和第二提取极点谐振器位于所述第三金属层上，所述第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器均位于第六金属层上，设置于第三金属层上的信号输入馈线与第一提取极点谐振器的中心连接，设置于第三金属层上的信号输出馈线与第二提取极点谐振器的中心连接。
进一步地，所述第三金属层上设置有馈电结构，信号通过馈电结构两侧的信号输入馈线与第一提取极点谐振器的中心连接，信号通过耦合孔耦合至第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器，并通过在第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间耦合后，通过耦合孔耦合至第二提取极点谐振器。
再进一步地，所述第一提取极点谐振器和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间通过第四金属层和第五金属层上的耦合孔进行耦合；
所述第一提取极点谐振器和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间的耦合为垂直耦合，所述第一提取极点谐振器和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间的耦合包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
再进一步地，所述第二提取极点谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间通过第七金属层和第八金属层上的耦合孔进行耦合；
所述第二提取极点谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间的耦合为垂直耦合，所述第二提取极点谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
再进一步地，所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间的耦合为水平耦合，所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
再进一步地，所述第一提取极点谐振器和第二提取极点谐振器之间设置有一排金属化通孔。
再进一步地，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板由金属螺丝通过固定孔连接。
本发明的有益效果：
（1）本发明用基片集成同轴线构建滤波器，但不似市面上普遍存在的集成同轴滤波器仅使用水平耦合。本发明使用四层印刷电路基板，同时使用水平耦合及垂直耦合两种耦合形式（第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间通过电磁混合耦合进行耦合，为水平耦合；第一提取极点谐振器与第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过电磁混合耦合进行耦合，为垂直方向耦合；第一提取极点谐振器与第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过电磁混合耦合进行耦合，为垂直方向耦合），同等频率下，本发明的尺寸远远小于其他同等频率基片集成同轴滤波器，实现了小型化，节省了一半尺寸。
（2）本发明使用了第一提取极点谐振器和第二提取极点谐振器，能够产生一个传输极点并在谐振点左侧产生一个传输零点。本发明使用了第一提取极点谐振器、第二提取极点谐振器、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器以及第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器四个谐振器，其中两个为提取极点谐振器。并且不同于以往的提取极点谐振器在滤波器中走线进行连接，本发明将提取极点谐振器与其他形式谐振器用垂直耦合的方式进行信号传输。且本发明在相邻谐振器之间均使用电磁混合耦合，并使谐振器间电耦合强度大于磁耦合，使电耦合为主导耦合，共在通带左侧产生了三个零点，在DC-0.9倍中心频率频段的抑制优于-48dB。
（3）本发明提供的滤波器使用基片集成同轴结构构造的蔽腔，减少了滤波器的辐射损耗，并使得滤波电路接地更加灵活。该滤波器使用提取极点谐振器产生零点，而无需构建复杂的交叉耦合，在一定程度上减小了设计的繁琐及减少了滤波器的尺寸。该滤波器使用提取极点谐振器，但不像一般的提取极点谐振器在滤波器中走线进行连接，而是用垂直耦合方式进行信号传输。垂直的结构使得该滤波器的尺寸只有0.31λg×0.14λg。该滤波器在第一提取极点谐振器、第二提取极点谐振器、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器以及第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器四个谐振器之间均使用电磁混合耦合，这能使得滤波器结构对称的情况下，在通带左侧产生三个零点，极大的提升了通带左侧的抑制。该滤波器的三个零点均可移动，有灵活的响应，可满足不同的工程需求。本发明响应具备的三个零点均可独立调控，可满足对于滤波器不同的抑制需求。
附图说明
图1为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的侧视示意图。
图2为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的第一层基板的透视图。
图3为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的第二层基板的透视图。
图4为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的第三层基板的透视图。
图5为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的第四层基板的透视图。
图6为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的耦合拓扑图。
图7为基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器的响应示意图。
其中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-第三介质基板，4-第四介质基板，5-第一金属层，6-第二金属层，7-第三金属层，8-第四金属层，9-第五金属层，10-第六金属层，11-第七金属层，12-第八金属层，13-第一提取极点谐振器，14-第二提取极点谐振器，15-第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器，16-第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器，17-固定孔，18-金属化通孔，19-信号输入馈线，20-信号输出馈线。
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。
实施例
本实施例中，如图1、图2、图3、图4、图5以及图6所示，本发明提供了一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，包括第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4、第一金属层5、第二金属层6、第三金属层7、第四金属层8、第五金属层9、第六金属层10、第七金属层11、第八金属层12、第一提取极点谐振器13、第二提取极点谐振器14、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15以及第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16；
所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4从上到下依次设置，所述第一金属层5、第二金属层6、第三金属层7、第四金属层8、第五金属层9、第六金属层10、第七金属层11、第八金属层12从上到下依次设置，所述第一介质基板1位于第一金属层5和第二金属层6之间，所述第二介质基板2位于第三金属层7和第四金属层8之间，所述第三介质基板3位于第五金属层9和第六金属层10之间，所述第四介质基板4位于第七金属层11和第八金属层12之间；所述第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14位于所述第三金属层7上，所述第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16均位于第六金属层10上，设置于第三金属层7上的信号输入馈线19与第一提取极点谐振器13的中心连接，设置于第三金属层7上的信号输出馈线20与第二提取极点谐振器14的中心连接。
所述第三金属层7上设置有馈电结构，信号通过馈电结构两侧的信号输入馈线19与第一提取极点谐振器13的中心连接，信号通过耦合孔耦合至第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15，并通过在第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间耦合后，通过耦合孔耦合至第二提取极点谐振器14，并通过信号输出馈线20输出。
所述第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间通过第四金属层8和第五金属层9上的耦合孔进行耦合；所述第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间的耦合为垂直耦合，所述第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间的耦合包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
所述第二提取极点谐振器14和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间通过第七金属层11和第八金属层12上的耦合孔进行耦合；所述第二提取极点谐振器14和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间的耦合为垂直耦合，所述第二提取极点谐振器14和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间的耦合为水平耦合，所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
所述第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14之间设置有一排金属化通孔18。所述第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4由金属螺丝通过固定孔17连接。
本实施例中，基于提取极点谐振器的5G基片集成滤波器，具有四阶带通响应，由四层基板（第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3、第四介质基板4），八层金属铜层（第一金属层5、第二金属层6、第三金属层7、第四金属层8、第五金属层9、第六金属层10、第七金属层11和第八金属层12），两个提取极点谐振器（第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14），两个四分之一波长阶跃阻抗谐振器（第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16）及金属化通孔18等部分构成。四层基板由金属螺丝通过固定孔17固定在一起，从上到下依次是第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4。
本实施例中，本发明提出的基于提取极点谐振器的5G基片集成滤波器，提出了一种高性能的滤波器的实现方式。馈电结构位于第三金属层7，信号通过结构两侧的信号输入馈线19连接到谐振器第一提取极点谐振器13，并通过耦合孔耦合到第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15。信号在第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间耦合后，通过耦合孔耦合到第二提取极点谐振器14，通过信号输出馈线20输出。第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14之间有一排金属化通孔18，无信号传输。
本实施例中，如图1、图2、图3、图4以及图5，第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14位于第三金属层；第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16，位于第六金属层构成。第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14均为提取极点谐振器，可以等效成一个谐振点和一个非谐振点，响应特点是伴随着一个极点和一个零点。第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16均为四分之一波长阶跃阻抗谐振器，用连接接地金属实现接地效果。第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间为电磁混合耦合形式耦合，实现了一个零点，并通过控制电场强度大于磁场强度使得产生的零点位于通带左侧。第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间通过在第四金属层8和第五金属层9上的耦合孔进行耦合。不同于以往的提取极点谐振器往往通过馈电进行连接传递信号，本发明中用垂直耦合的结构形式进行第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间的耦合。在第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间同时引入电耦合和磁耦合两种耦合形式，并控制电场强度大于磁场强度。由于结构对称，第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16和第二提取极点谐振器14之间的耦合与第一提取极点谐振器13和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15之间一致。源指滤波器的信号输入馈线19，即电信号进入滤波器的地方；负载指滤波器的信号输出馈线20，即电信号离开滤波器的地方。
本实施例中，如图6所示，本发明利用第一提取极点谐振器13与第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15，第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16与第二提取极点谐振器14之间的电磁混合耦合，将提取极点谐振器携带的谐振器零点分开，在通带左侧产生了两个零点。与第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16之间电磁混合耦合带来的零点一起，在滤波器左侧带来了三个零点，并且可以根据抑制需求调整三个零点的频率。本发明中，四个谐振器之间（第一提取极点谐振器13、第二提取极点谐振器14、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16）的耦合方式为电耦合和磁耦合共同构成的混合耦合。通常通过控制两谐振器之间耦合窗的大小来控制磁场耦合的强弱，能调整零点的位置。
本实例中，如图6所示，为本发明的耦合拓扑图，图中N表示非谐振节点，黑色实心圆圈表示谐振节点，第一提取极点谐振器13和第二提取极点谐振器14均被等效为一个谐振节点和一个非谐振节点的结合；第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器15和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器16均被等效为一个谐振节点。节点间连线均表示各节点间耦合关系。提取极点谐振器与四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间均有两路耦合路径，两四分之一波长阶跃阻抗谐振器之间为一条耦合路径。
本实例中，如图7所示，为本发明的响应示意图，纵坐标为的S参数（dB），横坐标为频率（GHz），虚线为测试曲线，实线为仿真曲线，S21为正向传输系数，显示发明的中心频率为4.82GHz，位于N79频段，相对带宽为9%，带内最小插入损耗为-1.5dB，上阻带-20dB带外抑制达到2.27f0 （f0为滤波器中心频率），通带左侧抑制为-48dB（DC-0.9 f0）。S11为输入反射系数，显示本发明回波优于-15.4dB。
本实施例中，该带通滤波器使用的介质基板介电常数为2.2，损耗角正切为0.000191，本发明所使用的介质基板厚度为0.508mm；本发明使用的金属铜层厚度均为0.018mm。该滤波器电尺寸为0.31λg×0.14λg。
基于上述性能分析可以得出，本发明提供的滤波器具有尺寸小，响应灵活的优点。这使得本发明相较市面上其他同类型产品有更强的优势，这有利于大规模生产和应用。
Claims (7)
1.一种基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，包括第一介质基板（1）、第二介质基板（2）、第三介质基板（3）、第四介质基板（4）、第一金属层（5）、第二金属层（6）、第三金属层（7）、第四金属层（8）、第五金属层（9）、第六金属层（10）、第七金属层（11）、第八金属层（12）、第一提取极点谐振器（13）、第二提取极点谐振器（14）、第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）以及第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）；
所述第一介质基板（1）、第二介质基板（2）、第三介质基板（3）、第四介质基板（4）从上到下依次设置，所述第一金属层（5）、第二金属层（6）、第三金属层（7）、第四金属层（8）、第五金属层（9）、第六金属层（10）、第七金属层（11）、第八金属层（12）从上到下依次设置，所述第一介质基板（1）位于第一金属层（5）和第二金属层（6）之间，所述第二介质基板（2）位于第三金属层（7）和第四金属层（8）之间，所述第三介质基板（3）位于第五金属层（9）和第六金属层（10）之间，所述第四介质基板（4）位于第七金属层（11）和第八金属层（12）之间；所述第一提取极点谐振器（13）和第二提取极点谐振器（14）位于所述第三金属层（7）上，所述第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）均位于第六金属层（10）上，设置于第三金属层（7）上的信号输入馈线（19）与第一提取极点谐振器（13）的中心连接，设置于第三金属层（7）上的信号输出馈线（20）与第二提取极点谐振器（14）的中心连接。
2.根据权利要求1所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述第三金属层（7）上设置有馈电结构，信号通过馈电结构两侧的信号输入馈线（19）与第一提取极点谐振器（13）的中心连接，信号通过耦合孔耦合至第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15），并通过在第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间耦合后，通过耦合孔耦合至第二提取极点谐振器（14）。
3.根据权利要求2所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述第一提取极点谐振器（13）和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）之间通过第四金属层（8）和第五金属层（9）上的耦合孔进行耦合；
所述第一提取极点谐振器（13）和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）之间的耦合为垂直耦合，所述第一提取极点谐振器（13）和第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）之间的耦合包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
4.根据权利要求3所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述第二提取极点谐振器（14）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间通过第七金属层（11）和第八金属层（12）上的耦合孔进行耦合；
所述第二提取极点谐振器（14）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间的耦合为垂直耦合，所述第二提取极点谐振器（14）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
5.根据权利要求4所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间的耦合为水平耦合，所述的第一四分之一波长阶跃阻抗谐振器（15）和第二四分之一波长阶跃阻抗谐振器（16）之间包括电耦合和磁耦合，且电耦合强度大于磁耦合强度。
6.根据权利要求5所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述第一提取极点谐振器（13）和第二提取极点谐振器（14）之间设置有一排金属化通孔（18）。
7.根据权利要求6所述的基于提取极点谐振器的5G基片集成同轴滤波器，其特征在于，所述第一介质基板（1）、第二介质基板（2）、第三介质基板（3）、第四介质基板（4）由金属螺丝通过固定孔（17）连接。
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