一种5G毫米波滤波功分模块

摘要

本发明适用于射频通信技术领域，提供了一种5G毫米波滤波功分模块，包括滤波器、功分器以及类同轴连接结构，所述滤波器、功分器层叠在一起，通过类同轴连接结构进行级联，所述滤波器包括：第一介质基板、第二介质基板；设置在所述第一介质基板上的第一腔体、第四腔体，设置在所述第二介质基板上的第二腔体、第三腔体，以及设置在第一金属接地层两端的共面波导馈电结构，两个所述共面波导馈电结构分别构成滤波器的输入端口、输出端口；本发明通过采用电路板层叠设置滤波器、功分器，相比现有的金属波导、LTCC工艺等，可降低加工难度，并减少在设计时需要考虑的因素，进而改善现有工艺存在的设计和生产成本较高的缺陷。

权利要求

1.一种5G毫米波滤波功分模块，包括滤波器、功分器以及类同轴连接结构，其特征在于，所述滤波器、功分器层叠设置并通过该类同轴连接结构级联连接，所述滤波器包括：第一介质基板、第二介质基板；

设置在所述第一介质基板上的第一腔体、第四腔体，设置在所述第二介质基板上的第二腔体、第三腔体；

设置在所述第一介质基板的上下表面的第二金属接地层和第一金属接地层，以及设置在所述第二介质基板的上下表面的第四金属接地层和第三金属接地层，所述第二金属接地层与第三金属接地层相互贴合；

以及设置在第一金属接地层两端的共面波导馈电结构，两个所述共面波导馈电结构分别构成滤波器的输入端口、输出端口；

其中，所述第一介质基板、第二介质基板均设置有若干个规则排列的金属通孔；

所述功分器包括第三介质基板、第四介质基板、输入枝节、阻抗变换器和输出枝节；

所述第三介质基板、第四介质基板的四角贯穿设置有四个接地柱，四个接地柱连接第三介质基板下表面设置的第四金属接地层、第四介质基板上表面设置的第五金属接地层；

所述输入枝节和输出枝节设置在所述第三介质基板与第四介质基板之间，并且所述输入枝节的一端与类同轴连接结构连接，另一端分别通过阻抗变换器与两个输出枝节连接；

所述类同轴连接结构包括内导体和外壁；

所述内导体为贯穿设置在第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板的半圆柱状的金属化通孔，用于连接功分器的输入端口和滤波器的输出端口；

所述外壁为围绕所述内导体设置的位于第二介质基板的外接地柱，以通过调节该金属化通孔与外接地柱之间的距离调节类同轴连接结构的阻抗。

2.根据权利要求1所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，所述第一腔体、第二腔体之间的上边缘设置有第一耦合槽，所述第三腔体、第四腔体之间的上边缘设置有第二耦合槽，所述第一耦合槽设置在第一介质基板上，第二耦合槽设置在第二介质基板上；以通过第一耦合槽、第二耦合槽，和/或共面波导馈电结构来调节滤波器的带宽与驻波。

3.根据权利要求1或2所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，所述第一腔体与第四腔体之间加载有S形槽，用于实现交叉耦合、引入带外传输零点。

4.根据权利要求1所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，两个所述阻抗变换器相互靠近的内侧端设置有隔离电阻。

5.根据权利要求4所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，所述第四介质基板靠近所述第三介质基板一侧的表面开设有镂空窗口，该镂空窗口可容纳所述隔离电阻。

6.根据权利要求1所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，所述阻抗变换器在第三介质基板上的投影结构为一勺形结构。

7.根据权利要求1所述的5G毫米波滤波功分模块，其特征在于，所述第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板的相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009。

说明书

一种5G毫米波滤波功分模块

技术领域

[0001] 本发明属于射频通信技术领域，尤其涉及一种5G毫米波滤波功分模块。

背景技术

[0002] 现在，随着无线通信技术的跨越式发展，第五代（5G）移动通信技术已经成为近年来通信技术的主要发展方向。在5G通信中，毫米波一般指24.25GHz‑52.6GHz频段的电磁波。毫米波无线通信是一种新型的通信方式，具有体积小、重量轻、传输速率高、保密性好等特点。5G毫米波频段可以提供比4G多100倍到1000倍的通信容量和传输速率，具有极强的应用价值和技术优势。随着毫米波频段的大规模应用，我们往往希望通信系统既具有良好的频率选择性，优异的功率分配特性，又兼顾较低的插入损耗和较高的隔离度，对于单个的射频器件实现小型化，结构电路损耗较大，设计成本高，不利于小型化系统电路的实现。

[0003] 目前，随着5G在信息产业的发展，微波毫米波频段因其丰富的频谱资源得到了大规模的应用。但是频率升高带来了制造加工上的难度，目前应用较多的高频段器件制造工艺例如：金属波导、LTCC工艺等，这些工艺的加工难度大，在设计时需要考虑的因素较多，导致其设计和生产成本较高，具有进一步改进的必要。

发明内容

[0004] 本发明实施例的目的在于提供一种5G毫米波滤波功分模块，旨在解决目前应用较多的高频段器件制造工艺导致的设计和生产成本较高的问题。

[0005] 本发明实施例是这样实现的，一种5G毫米波滤波功分模块，包括滤波器、功分器以及类同轴连接结构，所述滤波器、功分器层叠设置并通过该类同轴连接结构级联连接，所述滤波器包括：

[0006] 第一介质基板、第二介质基板；

[0007] 设置在所述第一介质基板上的第一腔体、第四腔体，设置在所述第二介质基板上的第二腔体、第三腔体；

[0008] 设置在所述第一介质基板的上下表面的第二金属接地层和第一金属接地层，以及设置在所述第二介质基板的上下表面的第四金属接地层和第三金属接地层，所述第二金属接地层与第三金属接地层相互贴合；

[0009] 以及设置在第一金属接地层两端的共面波导馈电结构，两个所述共面波导馈电结构分别构成滤波器的输入端口、输出端口；

[0010] 其中，所述第一介质基板、第二介质基板均设置有若干个规则排列的金属通孔。

[0011] 本发明实施例提供的一种5G毫米波滤波功分模块，通过电路板（PCB板）来实现n257频段的滤波功分模块集成，在减少外部隔离和匹配电路的情况下，可以直接在模块内部实现滤波器、功分器的隔离和匹配；相对于传统的滤波功分器来说，本发明实施例具有集成度高，体积小，宽带宽，高隔离，工艺简单成本低的特点，能直接实现滤波功分的功能，且与未来电路高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化宽带高隔离的5G毫米波频段的产品中。

附图说明

[0012] 图1为本发明实施例提供的一种5G毫米波滤波功分模块的结构示意图；

[0013] 图2为一个实施例中5G毫米波滤波功分模块的俯视示意图；

[0014] 图3为一个实施例中5G毫米波滤波功分模块的主视示意图；

[0015] 图4为一个实施例中滤波器的俯视示意图；

[0016] 图5为一个实施例中滤波器的主视示意图；

[0017] 图6为本发明实施例提供的一种功分器的俯视示意图；

[0018] 图7为本发明实施例提供的一种功分器的主视示意图；

[0019] 图8为一个实施例中5G毫米波滤波功分模块的回波损耗和插入损耗S参数仿真图；

[0020] 图9为一个实施例中5G毫米波滤波功分模块的隔离度结果图。

[0021] 附图中：1‑金属通孔；2‑第一输出枝节；3‑第一阻抗变换器；4‑第二介质基板；5‑第一介质基板；6‑类同轴连接结构；7‑外接地柱；8‑第二阻抗变换器；9‑第三金属接地层；10‑第二金属接地层；11‑第二输出枝节；12‑第四金属接地层；13‑第五金属接地层；14‑共面波导馈电结构；15‑第三介质基板；16‑第四介质基板；17‑第一耦合槽；18‑第二耦合槽；19‑第一接地柱；20‑隔离电阻；21‑镂空窗口；22‑第二接地柱；23‑S形槽；24‑第三接地柱；25‑第四接地柱；26‑第一金属接地层；27‑第一腔体；28‑第二腔体；29‑第三腔体；30‑第四腔体。

具体实施方式

[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0023] 可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一xx元件称为第二xx元件，且类似地，可将第二xx元件称为第一xx元件。

[0024] 以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。

[0025] 如图1所示，为本发明实施例提供的一种5G毫米波滤波功分模块的结构图，包括滤波器、功分器以及类同轴连接结构，所述滤波器、功分器层叠设置并通过该类同轴连接结构级联连接，所述滤波器包括：

[0026] 第一介质基板5、第二介质基板4；

[0027] 设置在所述第一介质基板5上的第一腔体27、第四腔体30，设置在所述第二介质基板4上的第二腔体28、第三腔体29；

[0028] 设置在所述第一介质基板5的上下表面的第二金属接地层10和第一金属接地层26，以及设置在所述第二介质基板4的上下表面的第四金属接地层12和第三金属接地层9，所述第二金属接地层10与第三金属接地层9相互贴合；

[0029] 以及设置在第一金属接地层26两端的共面波导馈电结构14，两个所述共面波导馈电结构14分别构成滤波器的输入端口、输出端口；

[0030] 其中，所述第一介质基板5、第二介质基板4均设置有若干个规则排列的金属通孔1。

[0031] 具体的，所述滤波器是一款n257频段的SIW滤波器，所述功分器是一款n257频段的一阶一分二的Wilkinson功分器，SIW滤波器与Wilkinson功分器级联。

[0032] 更具体的，其中的SIW滤波器采用由第一腔体27、第二腔体28、第三腔体29与第四腔体30这四腔相对的、层叠式设置的结构，在四个腔体之间，通过电磁耦合和交叉耦合的方式来实现具有两个带外传输零点的滤波响应；而Wilkinson功分器，可以通过采用带状线的方式，降低功分器的插损。

[0033] 应用时，由于滤波器和功分器的输出/输入端口的阻抗可以预先调节好，在已经调节好的情况下，只要将两个器件之间的阻抗匹配调好，模块的插损就是滤波器的插损加功分器的插损。由于滤波器和功分器的端口阻抗均为50欧姆，只需要将类同轴连接结构6的阻抗调整为50欧姆就可以实现两个器件（滤波器和功分器）的阻抗匹配；即类同轴连接结构6连接SIW滤波器、Wilkinson功分器，实现50欧姆传输线的作用，以获得良好的阻抗匹配和低插损效果。

[0034] 本实施例中，通过多层PCB板层叠式设置滤波器、功分器来实现n257频段的5G毫米波滤波功分模块，在减少外部隔离和匹配电路的情况下，可以直接在模块内部实现多个器件（例如滤波器、功分器）的隔离和匹配；相对于传统的滤波功分器来说，本5G毫米波滤波功分模块具有集成度高、体积小、宽带宽、高隔离及工艺简单成本低的特点，能直接实现滤波功分的功能；且与未来电路高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化、高隔离的5G毫米波频段的产品中。

[0035] 如图1、图4所示，在本实施例的一个示例中，所述第一介质基板5、第二介质基板4均设置有若干个规则排列的金属通孔1；规则排列可以是矩形的形状排列，或其他方形、阵列等方式；相邻的金属通孔1的中心间距为N5，金属通孔1的半径为R1，N5、R1的大小可以进行灵活调节，在此不作具体限制。

[0036] 在本实施例的一个示例中，金属通孔1的半径R1为0.2mm，高度为0.254mm。各金属接地层的厚度均为0.035mm，金属通孔1位于第二介质基板4和第一介质基板5内部，分别连通第二介质基板4和第一介质基板5的上下表面的金属接地层，构成包含第一腔体27、第二腔体28、第三腔体29和第四腔体30的矩形谐振腔。

[0037] 如图5‑图7所示，在本实施例的一个示例中，第一腔体27和第四腔体30的每个外侧中心处，分别设置有一个共面波导（即图1中的共面波导馈电结构14）伸到第一腔体27或第四腔体30的过渡结构，该过渡结构用于把TEM模转换到TE模，共面波导上传输的是准TEM模式电磁波，第一腔体27和第四腔体30传输的是TE模电磁波。信号从共面波导馈电结构14进入，通过第一腔体27‑第二腔体28‑第三腔体29‑第四腔体30，然后从滤波器的输出端口输出，经过类同轴连接结构6，进入功分器的输入端口，进行一分二输出。

[0038] 如图1‑图2、图5所示，在一个实施例中，所述第一腔体27、第四腔体30之间的边缘设置有第一耦合槽17，所述第二腔体28、第三腔体29之间的边缘设置有第二耦合槽18，所述第一耦合槽17设置在第一介质基板5上，第二耦合槽18设置在第二介质基板4上；以通过第一耦合槽17、第二耦合槽18，和/或共面波导馈电结构14来调节滤波器的带宽与驻波。

[0039] 上述，滤波器是一种SIW滤波器，是依次通过在第一腔体27、第二腔体28、第三腔体29、第四腔体30之间采用磁耦合来产生通带和滤波特性；在第一腔体27、第四腔体30之间通过电耦合在通带两端产生两个传输零点、在第一腔体27与第二腔体28、第三腔体29与第四腔体30之间通过在腔体边缘的金属接地层上蚀刻第一耦合槽17或第二耦合槽18来实现垂直耦合，并通过调节馈电线的宽度（即图4中的N6）和第一耦合槽17或第二耦合槽18的长度（即图4中的N3）或宽度（图4中的N4）来调节滤波器的带宽与驻波。在第二腔体28与第三腔体
29之间，采用去除金属通孔产生磁耦合的方式来实现耦合。

[0040] 如图1‑图5所示，在一个实施例中，所述第一腔体27与第四腔体30之间加载有S形槽23，用于实现交叉耦合、引入带外传输零点。

[0041] 可以理解的，S形槽23的弯曲枝节之间会产生电场能量，通过调节S形槽23的尺寸（即图4中的L1、L2）改变电场的强弱，使得第一腔体27、第四腔体30这两个腔体之间的电耦合强度大于磁耦合的强度。

[0042] 进一步地，通过改变S形槽23中的参数L2，当参数L2逐渐增大时，通带两端的零点逐渐靠近通带，说明此时的电耦合强度逐渐变强。S形槽23中的参数L1逐渐增大时，通带两端的零点逐渐远离通带，说明此时的电耦合强度逐渐变弱。

[0043] 如图1‑图5所示，在一个实施例中，所述功分器包括第三介质基板15、第四介质基板16、输入枝节、阻抗变换器和输出枝节；

[0044] 所述第三介质基板15、第四介质基板16的四角贯穿设置有四个接地柱，四个接地柱连接第三介质基板15下表面设置的第四金属接地层12、第四介质基板16上表面设置的第五金属接地层13；

[0045] 所述输入枝节和输出枝节设置在所述第三介质基板15与第四介质基板16之间，并且所述输入枝节的一端与类同轴连接结构6连接，另一端分别通过阻抗变换器与两个输出枝节连接。

[0046] 本实施例中，四个所述接地柱分别为第一接地柱19、第二接地柱22、第三接地柱24和第四接地柱25；连接第三介质基板15下表面的第四金属接地层12、第四介质基板16上表面设置的第五金属接地层13，可以将外部信号对功分器的干扰进行良好的隔离。

[0047] 具体的，第一接地柱19、第二接地柱22、第三接地柱24和第四接地柱25的半径均为0.2mm，贯穿第三介质基板15和第四介质基板16，连接两个金属接地层（即第四金属接地层
12和第五金属接地层13）。

[0048] 在本实施例的一个示例中，两个输出枝节分别是第一输出枝节2和第二输出枝节11，输入枝节的一端（作为功分器的输入端口）与所述类同轴连接结构6连接，另一端与一个阻抗变换器连接，该阻抗变换器的另一端与第一输出枝节2连接；同时所述输入枝节的另一端还与另一个阻抗变换器连接，该另一个阻抗变换器的另一端与第二输出枝节11连接；第一输出枝节2和第二输出枝节11向着相互远离的方向延伸至多层电路板的边缘，作为功分器的输出端口，以与外部器件进行连接，实现功分器的输出。

[0049] 在本实施例的一个示例中，第一输出枝节2和第二输出枝节11的结构相同，以第一输出枝节2为例，其长为3.8mm，宽为0.8mm，高度为0.035mm；具体可以参考图2、图6。

[0050] 如图1所示，所述第一介质基板5、第二介质基板4、第三介质基板15、第四介质基板16的相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；

[0051] 在本实施例的一个示例中，对于第一介质基板5、第二介质基板4、第三介质基板15、第四介质基板16，这四个介质基板均采用Rogers RT/duroid 5880 (tm)材质，相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，厚度为0.254mm。

[0052] 其中，第一介质基板5、第二介质基板4主要用于设置滤波器，第三介质基板15、第四介质基板16主要用于设置功分器，实现滤波器、功分器的空间层叠设置，可以满足高隔离度的情况下，小型化模块的整体尺寸。

[0053] 如图1、图2所示，在一个实施例中，两个所述阻抗变换器相互靠近的内侧端设置有隔离电阻20。

[0054] 两个所述阻抗变换器的结构相同，分别是第一阻抗变换器3和第二阻抗变换器8，即第一阻抗变换器3和第二阻抗变换器8之间设置有隔离电阻20。

[0055] 所述隔离电阻20，可以平衡功分器的两个输出端口，起隔离作用，若电路出现开路或者短路，反射的功率被隔离电阻20吸收。隔离电阻20阻值的大小可以根据对功分器的隔离度的仿真实验结果进行灵活的选择，在此不作具体限制。

[0056] 如图6、图7所示，在本实施例的一个示例中，以第一阻抗变换器3为例，第一阻抗变换器3的结构由多段微带线级联组成，该多段微带线的长度分别为S1、S2、S3，功分器的工作频段受第一阻抗变换器3的各段长度以及第一输出枝节的前端长度S4的影响；随着第一阻抗变换器3的一段的长S2变化，功分器的工作频段也在变化，变化规律和波长有关，第一阻抗变换器3不仅起着阻抗变换的作用，还相当于一个谐振器，用于控制工作频段。输出枝节的一段长度S4也会影响功分器的工作频段，随着S4的增加，频段向低频移动，可以利用S4对功分器的频段进行调节。

[0057] 在本实施例的一个示例中，所述隔离电阻20的形状为方形，边长为0.8mm。

[0058] 如图2所示，在一个实施例中，所述第四介质基板16靠近所述第三介质基板15一侧的表面开设有镂空窗口21，该镂空窗口21可容纳所述隔离电阻20，镂空窗口21的边长为M1（如图3），M1大于隔离电阻20的边长。

[0059] 在一个实施例中，所述阻抗变换器在第三介质基板15上的投影结构为一勺形结构。

[0060] 具体地，两个所述阻抗变换器的结构相同，以第一阻抗变换器3为例，第一阻抗变换器3的结构由多段微带线级联组成，如图6所示。

[0061] 在一个实施例中，所述类同轴连接结构6包括内导体和外壁；

[0062] 所述内导体为贯穿设置在第二介质基板4、第三介质基板15、第四介质基板16的半圆柱状的金属化通孔，用于连接功分器的输入端口和滤波器的输出端口；

[0063] 所述外壁为围绕所述内导体设置的位于第二介质基板4的外接地柱7，以通过调节该金属化通孔与外接地柱7之间的距离调节类同轴连接结构6的阻抗。

[0064] 本实施例中，类同轴连接结构6可以由内导体和外壁构成，内导体是由金属化通孔构成，其作为信号线电气连接滤波器具有的共面波导馈电结构6和功分器，即滤波器的输出端口和功分器的输入端口；而外壁是在内导体外围加一圈外接地柱7实现的，外接地柱7贯穿第二介质基板4，连接两个金属接地层，即第二金属接地层10和第四金属接地层12，通过调节其内导体的金属化通孔与外接地柱7之间的距离，使其类同轴连接结构6呈50欧姆特性，即可以实现两个器件（滤波器和功分器）的阻抗匹配。类同轴连接结构6的内导体中金属化通孔的半径为0.1 mm，外接地柱7的半径为0.4mm。

[0065] 上述，5G毫米波滤波功分模块的尺寸为8.44 mm×13.44 mm×1.718 mm，对模块进行性能实验，如图8所示，展示了该滤波功分模块的S参数图。在整个滤波功分模块的带内驻波小于1.55，通带内插损最大值为2.46dB，最小值为2.1dB，带内波动小于0.4dB。参考图9，展示了滤波功分模块的隔离度。在通带内，第一输出枝节2、第二输出枝节11的端口隔离度大于14dB，隔离度较好。

[0066] 在一个实施例的示例中，第一介质基板5、第二介质基板4的厚度分别为N8、N7（参见图5），第三介质基板15、第四介质基板16的厚度分别为M3、M2（参见图3）；N8、N7、M3、M2可以根据滤波器、功分器的规格进行灵活选择，以5G毫米波滤波功分模块的厚度为1.718 mm时为例，N8、N7、M3、M2之和等于/约等于1.718 mm，即可满足设计需求。

[0067] 在另一个实施例中，一种射频设备，包括如上所述的5G毫米波滤波功分模块。

[0068] 在本实施例的一个示例中，可以参考图8，展示了该5G毫米波滤波功分模块的S参数图。在整个5G毫米波滤波功分模块的带内驻波小于1.55，通带内插损最大值为2.46dB，最小值为2.1dB，带内波动小于0.4dB。参考图9，展示了滤波功分模块的隔离度。在通带内，第一输出枝节2、第二输出枝节11的端口隔离度大于14dB，隔离度较好。在通带内，5G毫米波滤波功分模块的尺寸为8.44 mm×13.44 mm×1.718 mm，符合模块小型化设计趋势。

[0069] 本实施例将滤波器和功分器进行级联设计，构成5G毫米波滤波功分模块。通过多器件（即滤波器和功分器）集成，并将单一器件的隔离和匹配在模块内部实现，减小了外部的隔离电路和匹配电路，同时通过多个器件的层叠设计，减少了整个射频设备（也可以应用在射频系统中）的体积和损耗。因此多器件集成模块的设计，也成为实现小型化射频前端的重要实现手段。由于该5G毫米波滤波功分模块，可以通过改变不同电路的参数值，来调节滤波和功分的性能，设计灵活，具有很好的可调性；采用层叠的PCB板，类同轴连接结构6的垂直互连结构，更加集成化，易于与其他射频器件结合，且结构简单，成本低，在毫米波频段有良好的应用潜力。

[0070] 需要说明的是，对于第五代移动通信（5G）的毫米波应用频段，由于微波毫米波频段其丰富的频谱资源，必然可得到大规模的应用，前景广阔；但是现有的应用较多的高频段器件制造工艺，例如：金属波导、LTCC工艺等，这些工艺的加工难度大，在设计时需要考虑的因素较多，导致其设计和生产成本较高；而本实施例中，采用多层PCB板（或称多层电路板）来设计滤波功分模块，具有集成度高，体积小，宽带宽，高隔离，工艺简单，造价成本低等优点。

[0071] 本发明上述实施例中提供了一种5G毫米波滤波功分模块，并基于5G毫米波滤波功分模块提供了一种射频设备，该5G毫米波滤波功分模块，采用层叠式设置滤波器、功分器来实现n257频段的5G毫米波滤波、功分，在减少外部隔离和匹配电路的情况下，可以直接在模块内部实现多个器件（例如滤波器、功分器）的隔离和匹配；相对于传统的滤波功分器来说，本5G毫米波滤波功分模块具有集成度高、体积小、宽带宽、高隔离及工艺简单成本低的特点，能直接实现滤波功分的功能；且与未来电路高集成化、小型化趋势相吻合，适用于小型化。

[0072] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。