CN112563694B - 一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器及其制造方法，所述多模介质滤波器包括介质基板、接地板、介质单元和微带结构，接地板覆盖于介质基板的第一表面，接地板上设有若干道缝隙，介质单元安装在介质基板的第一表面上，介质单元覆盖缝隙，微带结构设置于介质基板的第二表面。本发明多模介质滤波器能够在没有金属腔体屏蔽的情况下保持较小的插入损耗，即无需放置在一个封闭的金属腔体也可正常实现多模滤波等功能，并且获得较高的Q值；具有较大的带宽以及较大的滤波器通带的选择性，在滤波性能相当的情况下，本发明多模介质滤波器的尺寸容易加工至现有技术普遍水平的1/3。本发明广泛应用于介质电路技术领域。

Description

一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及介质电路技术领域，尤其是一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器及其制造方法。

背景技术

介质谐振器具有高Q值、稳定性强、耐热性好、尺寸小等优异特性，因此被广泛用于实现不同的组件。使用介质谐振器制作的介质谐振滤波器具有低损耗、体积小的特点，有重要的研究价值。现有的介质谐振滤波器通常需要放置在一个封闭的金属腔体内，以减小辐射损耗，获得较小的插入损耗，但同时金属腔体也占据了额外的空间，与其他平面电路进行集成和制造时也有一定的困难。而现有技术也有对无腔体介质滤波器的研究尝试，但是目前只能实现单模特性，其选择性较差，可应用范围小。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器及其制造方法。

一方面，本发明实施例包括一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器，包括：

介质基板；

接地板；所述接地板覆盖于所述介质基板的第一表面，所述接地板上设有若干道缝隙；

介质单元；所述介质单元安装在所述介质基板的第一表面上，所述介质单元覆盖所述缝隙；

微带结构；所述微带结构设置于所述介质基板的第二表面。

进一步地，所述介质单元为长方体状陶瓷介质块，所述介质单元通过粘合剂固定在所述介质基板的第一表面上。

进一步地，所述微带结构包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括第一微带线和第一短截线，所述第一微带线在所述介质基板上的投影从所述介质基板的宽边边缘开始，沿着所述介质基板的中心轴延伸至所述介质单元与所述介质基板的重合区域内，所述第一微带线的在所述介质基板的宽边边缘一端用于供外部SMA连接器的金属探针连接；

所述第一短截线的一端与所述第一微带线电性连接；

所述第二部分的形状和位置分布与所述第一部分呈中心对称，所述第二部分与所述第一部分之间无直接的电性连接。

进一步地，所述第一短截线贴着所述介质单元在所述介质基板上的投影边缘延伸，并包围所述介质单元在所述介质基板上的投影的一个顶角。

进一步地，所述第一短截线的另一端开路。

进一步地，所述缝隙的形状为长方形，所述缝隙的长边与所述介质基板的宽边平行，各所述缝隙按所述介质基板的对称轴对称分布，各所述缝隙的中心点的连线在所述介质基板的中心线下方。

进一步地，所述介质基板为Rogers RT/Duroid材质，所述介质基板的厚度为0.813mm，所述介质基板的介电常数为3.38。

进一步地，所述缝隙的数量为4道。

进一步地，所述接地板和微带结构均为金属材质；所述缝隙是由接地板上的部分金属材质缺失形成的。

另一方面，本发明实施例还包括多模介质滤波器的制造方法，包括：

获取所述介质基板；

在所述介质基板的第一表面制作所述接地板和若干道所述缝隙；

在所述介质基板的第二表面制作所述微带结构；所述微带结构的尺寸由所述多模介质滤波器的中心频率、截止频率和谐振模式确定。

本发明的有益效果是：实施例中的多模介质滤波器能够在没有金属腔体屏蔽的情况下保持较小的插入损耗，即无需放置在一个封闭的金属腔体也可正常实现多模滤波等功能，并且获得较高的Q值；具有较大的带宽以及较大的滤波器通带的选择性，在滤波性能相当的情况下，实施例中的多模介质滤波器的尺寸较小，例如容易加工至现有技术普遍水平的1/3。

附图说明

图1为实施例中的多模介质滤波器的结构示意透射图；

图2为实施例中的多模介质滤波器的侧面分解结构示意图；

图3为图1的俯视透射图；

图4为实施例中的金属接地板的结构图；

图5为实施例中的多模介质滤波器的的仿真和实测的S参数图。

具体实施方式

本实施例中，多模介质滤波器的结构参照图1，多模介质滤波器包括介质基板、接地板、介质单元和微带结构。其中，接地板覆盖于介质基板的第一表面，接地板上设有若干道缝隙；介质单元安装在介质基板的第一表面上，介质单元覆盖着缝隙，从第一表面一侧观察，将看不到缝隙；微带结构设置于介质基板的第二表面。

本实施例中，介质基板是用Rogers RT/Duroid材料制成，介质基板的厚度为0.813mm，介质基板的介电常数为3.38。

本实施例中，接地板和微带结构均为金属材质，可以使用电镀、沉积或者PCB印刷工艺等技术在介质基板的两个表面分别制作接地板和微带结构，具体地，可以使用金、银或铜等良导体制作接地板和微带结构。在制作好接地板后，可以通过蚀刻等工序去除掉接地板上的部分金属材质，即使得接地板上的部分金属材质缺失，接地板上缺失金属材质的部分形成缝隙。

本实施例中，介质单元是一个长方体状陶瓷介质块，介质单元的介电常数为28。介质单元通过粘合剂固定在介质基板的第一表面上，具体地，将介质单元与介质基板相对的那一面称为介质单元的底面，介质单元上的与底面相邻的其他面称为介质单元的侧面，粘合剂只分布在介质单元侧面与介质基板地面相交处的极小部分边缘，而介质单元底部的内部不用过粘合剂与介质基板粘合。介质单元、接地板、介质基板和微带结构之间的相对位置关系如图2所示。

本实施例中，当多模介质滤波器中的介质基板的第一表面朝上，从介质基板的第一表面那一侧看过去的透视结果如图3所示，图3相当于将介质单元、接地板、介质基板和微带结构投影到同一平面的效果示意。

本实施例中，图3中的阴影部分是微带结构，其中阴影部分包括两个形状相同、位置上呈中心对称的部分，即本实施例中的第一部分和第二部分，它们的对称点是介质基板第一表面或第二表面的中心点。

本实施例中，参照图3，第一部分包括第一微带线和第一短截线，第一微带线在介质基板上的投影从介质基板的宽边边缘开始，沿着介质基板的中心轴延伸至介质单元与介质基板的重合区域内，第一微带线的在介质基板的宽边边缘一端用于供外部SMA连接器的金属探针连接,。第一短截线的一端与第一微带线电性连接，第一短截线以弯曲状延伸，具体地，第一短截线贴着介质单元在介质基板上的投影边缘延伸，并包围介质单元在介质基板上的投影的一个顶角，第一短截线的另一端开路。第一短截线的总长度等于输入到多模介质滤波器的信号的中心波长的1/4。

本实施例中，第二部分的形状和位置分布与第一部分呈中心对称。第二部分包括第二微带线和第二短截线，第二微带线在介质基板上的投影从介质基板的宽边边缘开始，沿着介质基板的中心轴延伸至介质单元与介质基板的重合区域内，第二微带线的在介质基板的宽边边缘一端用于供外部SMA连接器的金属探针连接。第二短截线的一端与第二微带线电性连接，第二短截线以弯曲状延伸，具体地，第二短截线贴着介质单元在介质基板上的投影边缘延伸，并包围介质单元在介质基板上的投影的一个顶角，其中，第二短截线所包围的顶角与第一短截线所包围的顶角互为对角，第二短截线的另一端开路。第二短截线的总长度等于输入到多模介质滤波器的信号的中心波长的1/4。

本实施例中，参照图3，微带结构的第一部分和第二部分之间不设置直接的电性连接。

本实施例中，接地板以及接地板上的缝隙的位置示意图如图4所示。参照图4，缝隙的形状为长方形，缝隙的长边与介质基板的宽边平行，各缝隙按介质基板的对称轴对称分布。本实施例中，各缝隙的中心点的连线在介质基板的中心线下方，具体地，各缝隙的中心点的连线与介质基板的中心线平行，且各缝隙的中心点的连线与介质基板的中心线所在的平面与介质基板的第一表面或第二表面垂直。本实施例中，缝隙的数量为4道，以介质基板的对称轴为中心，介质基板的对称轴的左侧和右侧分别分布2道缝隙。本实施例中，这4道缝隙作为微带结构馈电至介质单元的路径，4道缝隙所在的位置位于激励的多个模式的最大场强处，以获得微带结构对介质单元的最大的输出能量。

本实施例中，参照图2、图3和图4，介质单元的长、宽、高分别为a、b、h；4道缝隙中，位于外侧(即最左侧和最右侧)的两道缝隙的长度为l₁，位于内侧的两道缝隙的长度为l₂，位于外侧的两道缝隙的宽度为w₁，位于内侧的两道缝隙的宽度为w₂；距离接地板中心点较远的缝隙，其与接地板中心点的距离为d₁，距离接地板中心点较近的缝隙，其与接地板中心点的距离为d₂；第一微带线的长度为l_f，宽度为w_f，超出外侧缝隙的微带线部分长度为d_f，第一短截线的长度为l_s，第一短截线的宽度为w_s，第二微带线的尺寸与第一微带线的相同，第二短截线的尺寸与第一短截线的相同。

制造本实施例中的多模介质滤波器时，首先根据所要实现的滤波器的中心频率、截止频率和谐振模式，计算介质单元的尺寸、金属接地板缝隙数量和尺寸以及微带结构的尺寸，即上述的a和b等参数，然后按照计算得到的参数，将具有相应尺寸的介质单元、金属接地板缝隙数量和尺寸和微带结构的尺寸，分别设置在介质基板的上表面和下表面。

本实施例中，共面波导结构等的尺寸的设计过程具体为：首先，确定所需要的中心频率和截止频率，本实施例中的中心频率为3.5GHz，截止频率为3.16GHz和4.24GHz；确定介质基板的相对介电常数，本实施例中为3.38，计算微带结构的尺寸，并设计介质单元的尺寸和缝隙的尺寸与位置，进而获得滤波器的带通特性；最后，通过调节微带结构中微带线超出缝隙部分长度，获取更好的阻抗匹配，以及调节短截线的长度，引入并控制低频阻带传输零点的位置，获得更好的选择性，同时对具体的参数进行微调优化。

经过上述分析过程，本实施例中将a和b等参数设定为以下数值：

a＝17.2mm,b＝9.4mm,h＝5.8mm,l₁＝8.6mm,l₂＝8.6mm,d₁＝2.6mm,d₂＝6.2mm,w₁＝w₂＝0.5mm,d_f＝4.7mm,l_f＝15mm,w_f＝1.85mm,l_s＝18.3mm,w_s＝0.4mm。

本实施例中，多模介质滤波器的工作原理为：

接地板的缝隙位置位于几个模式场强最大处，可以获得较大的能量耦合和较大的工作带宽；同时，缝隙的长度延长谐振模式传输电流的路径，因此缝隙长度越长，谐振模式的工作频率越低，可以灵活控制中心频率，可以激励多个合适的谐振模式；

微带结构包括微带线和短截线，微带线分别连接输入、输出端口，将能量通过缝隙耦合到介质单元中，并通过调节微带线超出缝隙的长度调整滤波器的阻抗匹配；短截线的一端与微带线电性连接，短截线的另一端开路，短截线可以在滤波器的低频阻带处产生一个传输零点，通过改变短截线的长度控制零点的位置，增大滤波器通带的选择性。

用于制作本实施例中的多模介质滤波器的方法，包括以下步骤：

S1.获取介质基板；

S2.在介质基板的第一表面制作接地板和若干道缝隙；

S3.在介质基板的第一表面制作微带结构，其中，微带结构的尺寸由多模介质滤波器的中心频率、截止频率和谐振模式确定。

通过执行步骤S1-S3，可以制作出本实施例中的多模介质滤波器。

根据上述数值来制造具有相应尺寸的介质单元、接地板、介质基板和微带结构，并对上述数值进行仿真，同时对制造所得的多模介质滤波器进行实测。仿真和实测的结果如图5所示。由图5可知，本实施例中的多模介质滤波器为三模滤波器，中心频率为3.74GHz，与仿真的工作频率3.5GHz对比有一定的频移；带宽为17％，通带间抑制大于30dB，通带内最小插入损耗为1.75dB，而仿真得到的通带内最小插入损耗为0.34dB；该滤波器在通带外有三个传输零点，提高了滤波器的频率选择性。

上述所有结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 4003，介电常数为3.38，基板厚度为0.813mm的真实环境下通过矢量网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线基本吻合，频移和插入损耗的区别主要是由于介质单元固定在金属接地板上时产生的空气间隙以及金属接地板的粗糙度导致，可以通过更高精确的加工技术改善滤波器的实测结果，这表明了本实施例中的介质多模滤波器方案的切实可行。

本实施例中，多模介质滤波器具有的优点包括：

当介电常数足够大，并激励低损耗的谐振模式时，多模介质滤波器能够在没有金属腔体屏蔽的情况下保持较小的插入损耗，即无需放置在一个封闭的金属腔体也可正常实现多模滤波等功能，并且获得较高的Q值；具有较大的带宽以及较大的滤波器通带的选择性，在滤波性能相当的情况下，本实施例中的多模介质滤波器的尺寸容易加工至现有技术普遍水平的1/3。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (9)

1.一种无需金属屏蔽腔的多模介质滤波器，其特征在于，包括：

介质基板；

接地板；所述接地板覆盖于所述介质基板的第一表面，所述接地板上设有若干道缝隙，所述缝隙的形状为长方形，所述缝隙的长边与所述介质基板的宽边平行；

介质单元；所述介质单元安装在所述介质基板的第一表面上，所述介质单元覆盖所述缝隙；

微带结构；所述微带结构设置于所述介质基板的第二表面；

所述微带结构包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括第一微带线和第一短截线，所述第一微带线在所述介质基板上的投影从所述介质基板的宽边边缘开始，沿着所述介质基板的中心轴延伸至所述介质单元与所述介质基板的重合区域内，所述第二部分的形状和位置分布与所述第一部分呈中心对称；

所述介质单元在所述介质基板上的投影的形状为矩形；所述第一短截线贴着所述介质单元在所述介质基板上的投影边缘延伸，并包围所述介质单元在所述介质基板上的投影的一个顶角；第二短截线所包围的顶角与所述第一短截线所包围的顶角互为对角。

2.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于，所述介质单元为长方体状陶瓷介质块，所述介质单元通过粘合剂固定在所述介质基板的第一表面上。

3.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于：

所述第一微带线的在所述介质基板的宽边边缘一端用于供外部SMA连接器的金属探针连接；

所述第一短截线的一端与所述第一微带线电性连接；

所述第二部分与所述第一部分之间无直接的电性连接。

4.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于，所述第一短截线的另一端开路。

5.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于，各所述缝隙按所述介质基板的对称轴对称分布，各所述缝隙的中心点的连线在所述介质基板的中心线下方。

6.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于，所述介质基板为Rogers RT/Duroid材质，所述介质基板的厚度为0.813mm，所述介质基板的介电常数为3.38。

7.根据权利要求1所述的多模介质滤波器，其特征在于，所述缝隙的数量为4道。

8.根据权利要求1-7任一项所述的多模介质滤波器，其特征在于，所述接地板和微带结构均为金属材质；所述缝隙是由接地板上的部分金属材质缺失形成的。

9.一种制造方法，其特征在于，所述制造方法用于制造权利要求1-8任一项所述的多模介质滤波器，所述制造方法包括以下步骤：

获取所述介质基板；

在所述介质基板的第一表面制作所述接地板和若干道所述缝隙；

在所述介质基板的第二表面制作所述微带结构；所述微带结构的尺寸由所述多模介质滤波器的中心频率、截止频率和谐振模式确定。

Images