基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器

技术领域

本发明涉及低通滤波器技术领域，特别是涉及一种基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器。

背景技术

通信系统中，时常需要选定特定频段的电磁波。例如在接收机中需要滤除与信息无关的噪声或干扰信号，从而获取有用的信息。在这一过程中，作为双端口组件的滤波器发挥着重要作用。低通滤波器广泛应用于无线通信系统中。在低频波段，由于其尺寸与导波波长有关，分布式滤波器尺寸较大。这种情况下，集总式滤波器是一个更好的选择。因此，减小滤波器尺寸和重量、提高滤波器性能和降低加工后封装复杂度已成为关键问题。

在微波电路和系统设计中，当材料的介电常数或磁导率较高时，其实现的模块电路具有较小的尺寸。目前，主要通过填充高介电常数或磁导率介质实现小型化滤波器设计，然而这将带来增加损耗、重量和成本、减小带宽等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的问题，提供一种实现了宽阻带、低损耗、小型化和自封装的基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器。

本发明是这样实现的，一种基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器，由介质集成悬置线平台、超基底结构和滤波结构构成；介质集成悬置线平台由多层印刷电路板自上而下依次连接堆叠组成，每层印刷电路板由上下两层金属板以及位于上下两层金属板中间的介质板组成；位于中间的一个印刷电路板设置滤波结构，位于所述滤波结构相对两侧的两个印刷电路板上各自镂空设置空气腔且至少一个镂空的印刷电路板上设置超基底结构，所述超基底结构位于所述空气腔中；带有滤波结构的印刷电路板的正面金属层与反面金属层与两侧的两个镂空的刷电路板的镂空区域/超基底结构和覆盖该镂空区域/超基底结构的印刷电路板的正/反面金属层共同构成空气谐振腔；所述滤波结构以及超基底结构和空气腔结构共同构成一个完整的滤波器。

其中，所述带有滤波结构的印刷电路板的上层金属层和下层金属层设置滤波结构。

其中，所述带有滤波结构的印刷电路板的上层金属层/下层金属层的滤波结构各自分别由两个圆形螺旋电感和一个平板电容组成，所述上层金属层与下层金属层的圆形螺旋电感和平板电容分别通过金属通孔连接。

其中，所述超基底结构由设置在其所在刷电路板上的顶部金属层、底部金属层和连接在两端部之间的连接部组成。

其中，所述连接部的截面积小于顶部金属层、底部金属层的截面积，顶部金属层的长度大于底部金属层的长度，所述连接部设置有连接顶部金属层、底部金属层的金属通孔；所述的顶部金属层、底部金属层通过在连接部设置金属通孔的方式连接起来，形成两端截面大于连接部的截面的结构。

其中，所述超基底结构呈现周期性阵列排布。

其中，所述超基底结构与所述滤波结构大小相匹配。

其中，所述超基底结构设置为单层超基底结构，所述单层超基底结构设置在滤波结构上侧的印刷电路板的空气腔中或者设置在滤波结构下侧的印刷电路板的空气腔中。

其中，所述超基底结构设置为双层超基底结构，所述双层超基底结构分别设置在滤波结构上侧和下侧的印刷电路板的空气腔中。

本发明的基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器，将超基底结构设置到介质集成悬置线平台上，集成为介质集成悬置线超基底平台，解决了传统方法填充高介电常数或者磁导率介质带来的增加损耗、减小带宽、增加重量和成本等问题。通过将滤波结构设置到介质集成悬置线超基底平台上，有效减小滤波器尺寸，实现滤波器小型化、自封装和低损耗。

附图说明

图1是本发明基于介质集成悬置线单层超基底平台的小型化低通滤波器的结构示意图。

图2是本发明低通滤波器结构印刷电路板S3的结构示意图。

图3是本发明低通滤波器结构印刷电路板S3的G5金属层的结构示意图。

图4是本发明低通滤波器结构印刷电路板S3的G6金属层的结构示意图。

图5是本发明超基底结构印刷电路板M1的结构示意图。

图6是本发明超基底结构的正视图。

图7是本发明基于介质集成悬置线单层超基底平台的小型化低通滤波器的S参数仿真示意图。

图8是本发明基于介质集成悬置线双层超基底平台的小型化低通滤波器的结构示意图。

图9是本发明基于介质集成悬置线双层超基底平台的小型化低通滤波器的S参数仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

超基底结构由超基底材料构成，超基底材料是指由人工设计，并具有自然界天然材料所不具备的超常物理性质的新型复合(结构)材料。其核心技术是，通过在材料的关键物理尺度上的有序设计或者重组，在单元结构和单元结构集合的基础上，突破某些自然规律的限制，获得天然材料不可能有的，物理性质主要由人工微结构决定的复合结构或复合材料。超基底材料的新奇之处在于，它能利用人工结构来改变或控制材料的力学性质、热学性质、电磁性质、光学性质和声波性质等。超基底在微波工程上可用于改变电磁波在结构上的入射特性，通常用介电常数和磁导率来描述其特性。

实施例1

参见图1所示，本发明实施例提供的一种基于介质集成悬置线超基底平台的小型化低通滤波器，是将超基底结构设置在介质集成悬置线平台上，集成为介质集成悬置线超基底平台，再将滤波结构设置在该介质集成悬置线超基底平台上，最后进行电路结构优化，得到性能优异的电路。

如图1所示，本发明实施例的基于介质集成悬置线单层超基底平台的小型化低通滤波器，由介质集成悬置线平台、超基底结构和滤波结构构成；如图1所示，介质集成悬置线平台由印刷电路板S1、印刷电路板S2、印刷电路板S3、印刷电路板M1、印刷电路板S4自上而下依次连接堆叠组成，每层印刷电路板由上下两层金属板(自下而下依次包含有G1金属层—G6金属层、MG1金属层、MG2金属层以及G7金属层、G8金属层)以及位于上下两层金属板中间的介质板组成；印刷电路板S3上设置滤波结构，印刷电路板M1上设置超基底结构，印刷电路板S2和印刷电路板M1上设置有空气腔。

优选的，所述的介质板为材质易于加工的FR4或者Rogers 5880。印刷电路板S1、印刷电路板S2、印刷电路板S3、印刷电路板M1、印刷电路板S4的厚度分别为0.6mm、2mm、0.1mm、2mm、0.6mm。

其中，在所述印刷电路板S3的上层金属层(G5金属层)和下层金属层(G6金属层)设置滤波结构；印刷电路板S2和印刷电路板M1上通过镂空切除形成空气腔。其中，空气腔的形状可设置为方形或圆形或者不规则形状。本实施例中的空腔形状为方形。

其中，在所述印刷电路板M1的上层金属层MG1和下层金属层MG2设置超基底结构。

如图2、图3和图4，所述滤波结构的滤波器的端口1作为输入端口，端口2作为输出端口。印刷电路板S3的上层金属层--G5金属层由两个圆形螺旋电感和一个平板电容组成，下层金属层--G6金属层由两个圆形螺旋电感和一个平板电容组成，G5金属层与G6金属层的圆形螺旋电感和平板电容分别通过金属通孔连接。

如图5和图6，所述的超基底由设置在印刷电路板M1的顶部M11、底部M12和连接在两端部之间的连接部M13组成，所述连接部M13的截面积小于顶部M11、底部M12的截面积，M11的长度大于M12的长度，所述连接部设置有连接顶部、底部的金属通孔。一些实施例中，所述连接部的高度为1.93mm，顶部的长度为2.5mm，宽度为0.4mm，底部的长度为1.5mm，宽度为0.4mm。

其中，所述的顶部、底部即金属层，通过在连接部设置金属通孔的方式把顶部、底部连接起来，形成一种两端截面大于连接部的截面的结构。超基底结构呈现周期性阵列排布。超基底结构与印刷电路板S3上滤波结构大小相匹配。当把超基底结构加在滤波结构下面时，由于超基底特有的高介电或磁导率特性，此时滤波结构与普通介质集成悬置线滤波器相比尺寸减小。

本实施例中的印刷电路板S1、印刷电路板S4为空气腔的盖板，印刷电路板S3的正反两面金属层可进行滤波结构设计，本发明将滤波结构设计在印刷电路板S3的正面G5金属层和反面G6金属层上，印刷电路板S3正面金属层与印刷电路板S2的镂空区域和印刷电路板S1的反面金属层共同构成空气谐振腔。印刷电路板S3反面金属层与印刷电路板M1的镂空区域和印刷电路板S4的正面金属层共同构成空气谐振腔。印刷电路板M1的空气腔内设置高介电或磁导率的超基底结构。印刷电路板S2上的腔体结构与印刷电路板S3上设置的滤波结构以及印刷电路板M1上设置的超基底结构共同构成一个完整的滤波器，因此滤波器的尺寸与普通介质集成悬置线滤波器相比，尺寸有明显的减小，减小为普通介质集成悬置线滤波器的70％，实现了滤波器的小型化。设计高介电常数或磁导率的超基底结构解决了传统方法填充高介电常数或磁导率介质带来的增加损耗、减小带宽、增加重量和成本等问题，实现了宽阻带、小型化、低损耗和自封装低通滤波器。

最终实现的散射参数图如图7所示，纵轴为散射参数，单位为dB；横轴为频率，单位为GHz，可以看到，核心电路尺寸是0.007λg*0.0135λg*0.002λg。在dc到100MHz范围内插入损耗是0.25dB。带内的回波损耗优于20dB，20dB阻带宽度频率范围是0.36-3.78GHz。

实施例2

如图8所示，本发明实施例的基于介质集成悬置线双层超基底平台的小型化低通滤波器，由介质集成悬置线平台、超基底结构和滤波结构构成；介质集成悬置线平台由印刷电路板S1、印刷电路板M1、印刷电路板S2、印刷电路板M2、印刷电路板S3上下依次连接堆叠组成，每层印刷电路板由上下两层金属板(自下而下依次包含有金属层G1、金属层G2、金属层MG1、金属层MG2、金属层G3、金属层G4、金属层MG3、金属层MG4以及金属层G5、金属层G6)以及上下两层金属板中间的介质板组成。其中，印刷电路板S2上设置滤波结构，印刷电路板M1、M2上设置超基底结构，印刷电路板M1和印刷电路板M2上设置有空气腔。

其中，所述介质板优选为材质易于加工的FR4或者Rogers 5880。所述印刷电路板S1、印刷电路板M1、印刷电路板S2、印刷电路板M2、印刷电路板S3的厚度分别为0.6mm、2mm、0.1mm、2mm、0.6mm。

一些实施例中，在所述印刷电路板S2的上层金属层G3层和下层金属层G4层设置滤波结构；印刷电路板M1和印刷电路板M2上镂空切除形成空气腔。空气腔的形状可设置为方形或圆形或者不规则形状。所述印刷电路板M1上的上层金属层MG1和下层金属层MG2分别设置超基底结构，印刷电路板M2上的上层金属层MG3和下层金属层MG4设置超基底结构。

本实施例中的低通滤波器结构与实施例1中的低通滤波器结构一样。本实施例中低通滤波器结构设置在印刷电路板S2上。印刷电路板S2的上层金属层G3层由两个圆形螺旋电感和一个平板电容组成，下层金属层G4层由两个圆形螺旋电感和一个平板电容组成，上层金属层G3层与下层金属层G4层的圆形螺旋电感和平板电容分别通过金属通孔连接。

印刷电路板M1和印刷电路板M2是一样或者不一样的结构，优选的实施例中，印刷电路板M1和印刷电路板M2是一样的结构。如图5和6，印刷电路板M1上的超基底由设置在印刷电路板M1的顶部M11、底部M12和连接在两端部之间的连接部M13组成，所述连接部M13的截面积小于顶部M11、底部M12的截面积，M11的长度大于M12的长度，所述连接部设置有连接顶部、底部的金属通孔。

参见图6所示，所述的印刷电路板M2上的超基底由设置在印刷电路板M2的顶部M21、底部M22和连接在两端部之间的连接部M23组成，所述连接部M23的截面积小于顶部M21、底部M22的截面积，M21的长度大于M22的长度，所述连接部设置有连接顶部、底部的金属通孔。

优选的，所述连接部的高度为1.93mm，顶部的长度为2.5mm，宽度为0.4mm，底部的长度为1.5mm，宽度为0.4mm。

上述顶部、底部即金属层，通过在连接部设置金属通孔的方式把顶部、底部连接起来，形成一种两端截面大于连接部的截面的结构。其中，所述超基底结构呈现周期性阵列排布。超基底结构与印刷电路板S2上滤波结构大小相匹配。当把超基底结构加在滤波结构上面和下面时，由于超基底特有的高介电或磁导率特性，此时滤波结构与普通介质集成悬置线滤波器相比尺寸减小。

本实施例中的印刷电路板S1、印刷电路板S3为空气腔的盖板，印刷电路板S2的正反两面金属层可进行滤波结构设计，本发明将滤波结构设计在印刷电路板S2的上层金属层G3金属层和下层金属层G4金属层上，印刷电路板S2的正面金属层、印刷电路板M1的镂空区域和印刷电路板S1的反面金属层共同构成空气谐振腔。印刷电路板S2的反面金属层、印刷电路板M2镂空区域和印刷电路板S3的正面金属层共同构成空气谐振腔。印刷电路板M1和印刷电路板M2的空气腔内设置高介电或磁导率的超基底结构。印刷电路板M1上设置的超基底结构与印刷电路板S2上的设置滤波结构以及印刷电路板M2上设置的超基底结构共同构成一个完整的滤波器，因此滤波器的尺寸与普通介质集成悬置线滤波器相比，尺寸有明显的减小，减小为普通介质集成悬置线滤波器的89％，实现了滤波器的小型化。设计高介电常数或磁导率的超基底结构解决了传统方法填充高介电常数或磁导率介质带来的增加损耗、减小带宽、增加重量和成本等问题，实现了宽阻带、小型化、低损耗和自封装低通滤波器。

最终实现的散射参数图如图9所示，纵轴为散射参数，单位为dB；横轴为频率，单位为GHz，可以看到，核心电路尺寸是0.004λg*0.0087λg*0.002λg。在dc到100MHz范围内插入损耗是0.25dB。带内的回波损耗优于20dB，20dB阻带宽度频率范围是0.36-4.12GHz。

本发明实施例中，在印刷电路板M1、印刷电路板M2的空气腔内设置高介电或磁导率的超基底结构，以提高介质基板的介电常数或磁导率。通过减小在电路中传播的电磁波的波长，从而减小滤波器的尺寸，最终实现滤波器的小型化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。