TW202137624A

TW202137624A - 濾波器

Info

Publication number: TW202137624A
Application number: TW109110745A
Authority: TW
Inventors: 余俊璋
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-10-01
Also published as: US11245168B2; US20210305669A1; TWI715478B; JP7004779B2; JP2021164147A

Abstract

本發明涉及一種濾波器，包含介電基板、接地層、線路層、訊號通路以及接地通路。介電基板介於接地層與線路層之間。線路層包含至少三微帶線共振元件、共接電極、輸入端點及輸出端點。輸入端點與輸出端點分別連接微帶線共振元件。微帶線共振元件自共接電極向外延伸。接地層之訊號端點分別經由訊號通路連接輸入端點與輸出端點。接地層之接地平面經由接地通路連接共接電極。濾波器更包含電容耦合單元，電性耦合於微帶線共振元件中相鄰的其中二者之間。

Description

濾波器

本發明係關於一種濾波器，特別是一種採用微帶線(microstrip)技術的濾波器。

隨著如智慧型手機等移動終端的功能越來越強大，其所需要應用的網絡頻段越來越多，射頻前端模組(Radio Frequency Front End Module，RFFEM)，作為通信系統的核心器件，其性能直接決定了移動終端可支援的通信模式、接收信號強度、通話穩定性、發射功率等重要性能指標。

通常，高端的智慧型手機必須對多達數十個頻段的發送/接收路徑進行濾波，同時還得對Wi-Fi、藍芽等接收路徑進行濾波。除了需要對各接收路徑的信號進行隔離，還得對出處繁多難以盡舉的其他外部信號進行抑制。為此目的，多頻段手機通常需要數個濾波器(filter)，否則難以實現。並且，隨著通小型化的趨勢，如何將這麼多組件的通信系統小型化也成為相關領域不斷研究的重點項目之一。

濾波器，是對波進行過濾的器件，可由電容、電感和電阻組成的濾波電路，以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效率除，即可用於過濾各種雜訊訊號，得到一個特定頻率的電源信號，或消除一個特定頻率後的電源信號。在長期演進技術(Long Term Evolution，LTE)的領域中，如聲表面波濾波器(Surface Acoustic wave filter，SAWF)或體聲波濾波器(Bulk Acoustic wave filter，BAWF)等濾波器因為具有窄頻寬、高抑制、低損耗等特點而受到廣泛地使用。

但在頻率越高的應用中，聲表面波濾波器與體聲波濾波器反而會產生通帶(pass band)損耗提升及止帶(stop band)抑制效果下降等問題。資料指出，現行所使用的聲表面波濾波器與體聲波濾波器已不能再滿足毫米波頻段(Millimeter Wave，mmWave)的高頻段通信技術的需求。因此，為了因應5G時代的來臨，未來的手機的射頻前端模組難以再繼續採用現有的聲表面波濾波器與體聲波濾波器來進行濾波。

有鑑於此，本發明提出一種創新的濾波器，其採用了在低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術之厚膜上設置微帶線線路之薄膜金屬層的厚薄膜整合型濾波器，可以在毫米波頻段的應用時具有低損耗、優良的止帶抑制等效果。

根據本發明之一實施例所揭露的一種濾波器，包含一介電基板、一接地層、一線路層、二訊號通路以及多個接地通路。接地層形成於介電基板之表面，具有一接地平面及二訊號端點。線路層位於介電基板之另一表面，包含至少三微帶線共振元件、一共接電極、一輸入端點及一輸出端點。輸入端點與輸出端點分別連接微帶線共振元件之其中二者。微帶線共振元件自共接電極向外延伸。訊號通路及接地通路延伸於接地層、介電基板及線路層。訊號端點分別經由訊號通路連接輸入端點與輸出端點。接地平面經由接地通路連接共接電極。濾波器更包含電容耦合單元，電性耦合於微帶線共振元件中相鄰的其中二者。

本發明前述實施例所揭露的濾波器，由於電容耦合單元可電性耦合於相鄰之微帶線共振元件，因此在毫米波的頻段的應用中，本實施例之濾波器可具有明顯的高通帶抑制效果，相較於傳統的聲表面波濾波器(SAWF)與體聲波濾波器(BAWF)等濾波器，本實施例之濾波器更適合更高頻的應用。

以上之關於本發明揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。

並且，為達圖面整潔之目的，一些習知慣用的結構與元件在圖式可能會以簡單示意的方式繪示之。另外，本案之圖式中部份的特徵可能會略為放大或改變其比例或尺寸，以達到便於理解與觀看本發明之技術特徵的目的，但這並非用於限定本發明。依照本發明所揭露之內容所製造之產品的實際尺寸與規格應是可依據生產時的需求、產品本身的特性、及搭配本發明如下所揭露之內容據以調整，於此先聲明之。

另外，以下文中可能會使用「端」、「部」、「部分」、「區域」、「處」等術語來描述特定元件與結構或是其上或其之間的特定技術特徵，但這些元件與結構並不受這些術語所限制。在下文中，也可能會使用「及/或(and/or)」之術語，其是指包含了一或多個所列相關元件或結構之其中一者或全部的組合。以下文中也可能使用「實質上」、「基本上」、「約」或「大約」等術語，其與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍結合使用時，為意欲涵蓋可能存在於該等性質或特性之範圍之上限及/或下限中之偏差、或表示容許製造公差或分析過程中所造成的可接受偏離，但仍可達到所預期的效果。

再者，除非另有定義，本文所使用的所有詞彙或術語，包括技術和科學上的詞彙與術語等包含其通常的意涵，其意涵能夠被熟悉此技術領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙或術語的定義，在本說明書中應被解讀為與本發明相關技術領域包含一致的意涵。除非有特別明確的定義，這些詞彙或術語將不被解釋為過於理想化的或正式的意涵。

首先，請參閱圖1~3，圖1係為依據本發明之一實施例之濾波器1的立體示意圖，圖2係為圖1之濾波器沿2-2的局部側剖示意圖，而圖3係為圖1之濾波器的局部放大上視圖，需說明的是，於此之圖式或後續的圖式中，濾波器中之元件的比例與尺寸可能會有所調整以達到便於理解的目的，但本發明並非以此為限，且其中，為簡化圖式，圖3可能僅繪示部分的元件。

如圖所示，本實施例之濾波器1至少包含一接地層(ground layer)10、一介電基板(dielectric substrate)20、一平坦層(flat layer)30、一線路層40以及至少一電容耦合單元(capacitive coupling unit)50。此外，本實施例之濾波器1還可包含一介電層堆疊(dielectric layer lamination)70以及一接地層80。以下將介紹前述元件之配置。

接地層80是以合適的金屬材質所構成，但本發明並非以此為限，於本實施例中，接地層80包含一接地平面810及二訊號端點830。

介電層堆疊70形成於接地層80上，介電層堆疊70例如是以陶瓷材質所構成，且例如是利用低溫共燒陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術將數層厚度相同或不同之陶瓷基板堆疊而成的結構，其介電常數(dielectric coefficient)可例如約介於3~20，例如可大於5。

此外，在設計上，介電層堆疊70的厚度可依據整體結構強度或高度、設置環境或其他實際需求等進行調整，本發明並非以此為限。另外，介電層堆疊70中可形成貫穿其之多個導電通孔(conductive via)710及二導電通孔730，其中，導電通孔710與接地層80之接地平面810連接，而導電通孔730分別與接地層80之訊號端點830連接。

接地層10形成於介電層堆疊70相對於接地層80的另一表面。接地層10的結構可以但不限於與接地層80相同或相似，是以合適的金屬材質所構成。於本實施例中，接地層10包含一接地平面110以及二訊號端點130，其中接地平面110連接於介電層堆疊70之導電通孔710，而訊號端點130分別連接於介電層堆疊70之導電通孔730。

介電基板20形成於接地層10相對於介電層堆疊70的另一表面。類似於介電層堆疊70，介電基板20例如是利用低溫共燒陶瓷之技術所製成，其介電常數可例如約介於5~20，例如可大於5。

此外，在設計上，介電基板20的厚度不特別予以限制，主要是能符合小型化可操作的需求，舉例來說，介電基板20可選用目前低溫共燒陶瓷技術下可達到最小厚度的單層生胚材料所製成，因此，如圖所示，介電基板20的厚度至少明顯小於介電層堆疊70的厚度，例如，介電基板20厚度可小於150μm，例如可為125μm，然本發明並非以此為限。

另外，介電基板20中可形成貫穿其之多個導電通孔210及二導電通孔230，其中，導電通孔210與接地層10之接地平面110連接，而導電通孔230分別與接地層10之訊號端點130連接。

平坦層30形成於介電基板20相對於接地層10的另一表面，換句話說，介電基板20介於平坦層30與接地層10之間。平坦層30與介電基板20的材質相異，平坦層30例如是以環氧樹脂(Epoxy)、聚醯亞胺(Polyimide，PI)或玻璃所製成，例如可以是具光顯影功能之環氧樹脂或聚醯亞胺。

此外，在設計上，平坦層30的厚度例如可約介於3~20μm，可有效地填平介電基板20上因製程等因素所產生的微小孔洞，從而在介電基板20上形成一個平整度(flatness)高的平面。另外，平坦層30中可形成貫穿其之多個導電通孔310及二導電通孔330，其中導電通孔310與介電基板20之導電通孔210連接，而導電通孔330分別與介電基板20之導電通孔230連接。

線路層40形成於平坦層30相對於介電基板20的另一表面，換句話說，平坦層30介於線路層40與介電基板20之間。由於平坦層30的表面具高平整度，因而得以讓線路層40利用黃光微影製程(photolithography Process)而形成於平坦層30上，從而可具有僅約15μm的厚度。並且，平坦層30的高平整度可使線路層40穩固地附著於其上，且黃光微影製程下的線路層40的金屬粗糙度低，因此，線路層40的底部與表面都可維持於高度的平整，從而具有降低通帶(passband)的損耗的效果。

反言之，在沒有平坦層30的情況下，若欲在介電基板20上直接形成線路層，介電基板20的孔洞和較為粗糙的表面會讓線路層難以用黃光微影製程附著於其上，僅能使用網格印刷的方式形成於介電基板20，因此線路層整體的平整度下降且粗糙度上升，從而導致通帶的損耗上升的結果；並且，直接將線路層形於介電基板20時，線路層容易游離擴散進入介電基板20上的微小孔，從而無法確實形成所需的形狀。

此外，在此配置下，如圖所示，線路層40與平坦層30均是相對薄的層結構，故可相對於其他相對厚的層結構(即介電基板20與介電層堆疊70)被視為一薄膜(層)結構，而該相對厚的層結構的整體則可相對於該薄膜結構而被視為一厚膜(層)結構。也就是說，本實施例之濾波器1是一個厚薄膜(層)整合的疊層結構。即使僅就接地層10以上的部分來看，線路層40與平坦層30相對於介電基板20仍可視為一薄膜(層)結構，而介電基板20可相對於線路層40與平坦層30為一厚膜(層)結構，即也可視為一個厚薄膜(層)整合的疊層結構。

接著，進一步來看線路層40，於本實施例中，線路層40包含一共接電極410、至少三個微帶線共振元件(microstrip resonator)430、一輸入端點(input terminal contact)450以及一輸出端點(output terminal contact)470。共接電極410與平坦層30之導電通孔310連接，而輸入端點450與輸出端點470分別連接於微帶線共振元件430之其中二者，且分別與平坦層30之導電通孔330連接。於此，如圖所示，於本實施例中，線路層40之共接電極410、平坦層30之導電通孔310、介電基板20之導電通孔210、接地層10之接地平面110、介電層堆疊70之導電通孔710及接地層80之接地平面810共同在濾波器1中構成多個接地通路GV，因此線路層40之共接電極410可經由接地通路GV而與接地層80之接地平面810接地；而線路層40之輸入端點450與輸出端點470、平坦層30之導電通孔330、介電基板20之導電通孔230、接地層10之訊號端點130、介電層堆疊70之導電通孔730及接地層80之訊號端點830共同在濾波器1中構成二個訊號通路SV，因此線路層40之輸入端點450與輸出端點470可經由訊號通路SV與接地層80之訊號端點830通訊連接。

微帶線共振元件430連接於共接電極410，且自共接電極410向外延伸而具有一端為開路，而這些微帶線共振元件430彼此相間隔地並列而構成一梳狀(combline)配置。

於此，線路層40下方的介電基板20的厚度在設計上可選用較薄的層結構，因此線路層40之微帶線共振元件430可保持相對較小且足以讓訊號傳遞的間隔距離。此外，由於介電基板20的介電常數高，這可讓微帶線共振元件430在一個較短的長度的情況下，使得其與線路層40所構成之厚薄膜(層)整合疊層結構的整體仍達到所需的共振效果。由此可知，藉由使用厚度相對較薄且介電常數高的介電基板20，線路層40之微帶線共振元件430可具有較短的長度與間距，從而有助於縮小整體尺寸達到小型化的需求。

於本實施例中，電容耦合單元50電性耦合於微帶線共振元件430中相鄰設置的其中二者。具體來看，電容耦合單元50包含多個第一指狀結構510以及多個第二指狀結構520，第一指狀結構510自其中一微帶線共振元件430往相鄰的另一微帶線共振元件430延伸，且彼此間隔並列，而第二指狀結構520則對應地自該另一微帶線共振元件430往第一指狀結構510所在的微帶線共振元件430延伸，且彼此間隔並列，如圖所示，第一指狀結構510與第二指狀結構520在兩個相鄰的微帶線共振元件430之間交錯配置而構成一個指叉型(interdigital)電容。於本實施例中，第一指狀結構510、第二指狀結構520與微帶線共振元件430均形成於平坦層30相對於介電基板20的表面，簡言之，於本實施例中，電容耦合單元50與線路層40形成於同一平面，從而可視為同一層結構。

在設計上，第一指狀結構510與第二指狀結構520之每一者的寬度W至少約小於50μm，例如可約為10μm，而第一指狀結構510與第二指狀結構520之間的間距G至少約小於50μm，例如可約為10μm；藉此，可確保第一指狀結構510與第二指狀結構520可在相鄰的微帶線共振元件430之間產生電容耦合。

接著，請參閱圖4，圖4係為濾波器1與移除電容耦合單元50之濾波器的頻率響應(frequency response)比較圖，其中，實線為具有電容耦合單元50之前述的濾波器1的響應特性，而虛線為將電容耦合單元50從濾波器1移除後的響應特性。可知，藉由電容耦合單元50的電性耦合效果，可在毫米波頻段的應用領域可產生一個明顯的傳輸零點(transmission zero)，即明顯的提升止帶(stop band)抑制的特性。

除此之外，如圖所示，於本實施例或其他實施例中，設置有電容耦合單元50的其中兩個相鄰的微帶線共振元件430的長度L1(例如是以微帶線共振元件430連接於共接電極410的根部至微帶線共振元件430的末端的長邊)至少短於其他的微帶線共振元件430的長度L2。此配置可提升濾波器1之通帶的表現。

於此，請參閱圖5，圖5係為濾波器1的頻率響應圖，其中，曲線S11指反射損耗(return loss)，曲線S21指插入損耗(insertion loss)，而其中實線的部分表示具有長度L1短於長度L2的配置的微帶線共振元件430，而虛線的部分表示長度L1等於長度L2的配置的微帶線共振元件430。可知，前述具有長度L1短於長度L2的配置，有助於提昇通帶之曲線S11與S21的表現。

然於此補充說明的是，其中設置有電容耦合單元50的其中兩個相鄰的微帶線共振元件430的長度可以相同或不相同，本發明並非以此為限。

接著，請參閱圖6，圖6係為採用厚薄膜製程與傳統僅採用純厚膜製程兩者的線路傳輸損耗比較圖，其中，實線為採用厚薄膜製程的傳輸損耗曲線，其線路可如前述之濾波器1設置於平坦層30上，虛線為單純採用純厚膜製程，其沒有如前述之平坦層30，故線路僅能利用網格印刷形成於介電基板上。比較之下可知，由於平坦層30的設置搭配薄膜製程，可使線路層40的底部與表面都可維持於高度的平整，因此可令線路達到較低的傳輸損耗。

於前述實施例中，電容耦合單元50可與微帶線共振元件430位於同一平面，但本發明並非以此為限。例如請參閱圖7，係為依據本發明之另一實施例之濾波器1’的立體示意圖，濾波器1’與前述實施例之濾波器1的主要差異僅在於電容耦合單元的位置，故以下僅針對差異處進行說明，相似或相同的部分可從前述實施例相關段落獲得理解，於此不再贅述。

於本實施例中，濾波器1’之電容耦合單元50’是為一個與線路層40設置於不同平面的單層電容結構。具體來看，於本實施例中，線路層40上方額外形成另一層平坦層30’，此平坦層30’之構成與前述平坦層30實質上相同，故其細節將不再贅述。接著可利用金屬鍍膜的方式在平坦層30’上可形成一個單層的電容，即圖所示之電容耦合單元50’，使得平坦層30’介於線路層40與電容耦合單元50’之間，且就位置上，可使電容耦合單元50’橫跨於線路層40之相鄰的兩個微帶線共振元件430上。這裡所述的「橫跨」，是指從濾波器1’之上視視角來看，電容耦合單元50’至少與所電性耦合的微帶線共振元件430相重疊。經實驗結果，此配置同樣可達到將兩個相鄰的微帶線共振元件430電性耦合，從而可等效地實現前述的高止帶抑制效果。並且，相似地是，於本實施例中，其上橫跨有電容耦合單元50’的其中二微帶線共振元件430的長度，短於其他未被電容耦合單元50’橫跨之微帶線共振元件430的長度。

除前述實施例之外，於此補充說明的是，於本發明中，濾波器上可以但不限於僅設置單個電容耦合單元。例如於其他實施例中，濾波器也可依據實際需求而設置多個電容耦合單元，且可選擇設置於連續相鄰的微帶線共振元件之間或多對相鄰的微帶線共振元件之間。另外，只要能達到前述電容耦合相鄰的微帶線共振元件的效果，電容耦合單元之第一指狀結構與第二指狀結構的數量、形狀及其在微帶線共振元件上的相對位置均可依據實際需求(如傳輸零點的位置)等考量進行調整，本發明並非以此為限。此外，微帶線共振元件的數量也可依據實際需求而進行增減，如僅為三個或四個以上，本發明也非以此為限。

綜上所述，由本發明前述實施例所揭露的濾波器，由於電容耦合單元可電性耦合於相鄰之微帶線共振元件，因此在毫米波的頻段的應用中，本發明之濾波器可具有明顯的高通帶抑制性，相較於傳統的聲表面波濾波器(SAWF)與體聲波濾波器(BAWF)等濾波器，本發明之濾波器更適合更高頻領域的應用。

此外，由於本發明之濾波器具有平坦層，可使線路層在一高平整度平面設置，除了可提升線路層的附著強度，還可讓線路層以黃光顯影製程來形成，使整體之平整更為提升，從而有助於降低傳輸的損耗。

另外，本發明之濾波器的微帶線共振元件的長度短且間距小，從而有助於縮小整體尺寸而滿足小型化的需求。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1、1’:濾波器 10:接地層 20:介電基板 30、30’:平坦層 40:線路層 50、50’:電容耦合單元 70:介電層堆疊 80:接地層 110:接地平面 130:訊號端點 210:導電通孔 230:導電通孔 310:導電通孔 330:導電通孔 410:共接電極 430:微帶線共振元件 450:輸入端點 470:輸出端點 510:第一指狀結構 520:第二指狀結構 710:導電通孔 730:導電通孔 810:接地平面 830:訊號端點 G:間距 GV:接地通路 L1、L2:長度 SV:訊號通路 W:寬度

圖1係為依據本發明之一實施例之濾波器的立體示意圖。圖2係為圖1之濾波器沿2-2的局部側剖示意圖。圖3係為圖1之濾波器的局部放大上視圖。圖4係為圖1之濾波器與移除電容耦合單元之濾波器的頻率響應(frequency response)比較圖。圖5係為圖1之濾波器的頻率響應圖。圖6係為採用厚薄膜整合製程與純厚膜製程的線路傳輸損耗比較圖。圖7係為依據本發明之另一實施例之濾波器的立體示意圖。

1:濾波器

10:接地層

20:介電基板

30:平坦層

40:線路層

50:電容耦合單元

70:介電層堆疊

80:接地層

410:共接電極

430:微帶線共振元件

450:輸入端點

470:輸出端點

510:第一指狀結構

520:第二指狀結構

GV:接地通路

SV:訊號通路

Claims

一種濾波器，包含：一介電基板；一接地層，形成於該介電基板之一表面，具有一接地平面及二訊號端點；一線路層，位於該介電基板之另一表面，包含至少三微帶線共振元件、一共接電極、一輸入端點及一輸出端點，其中該輸入端點與該輸出端點分別連接該至少三微帶線共振元件之其中二者，該至少三微帶線共振元件自該共接電極向外延伸；以及二訊號通路以及多個接地通路，延伸於該接地層、該介電基板及該線路層，該些訊號端點分別經由該些訊號通路連接該輸入端點與該輸出端點，該接地平面經由該些接地通路連接該共接電極；其中該濾波器更包含至少一電容耦合單元，電性耦合於該至少三個微帶線共振元件中相鄰的其中二者。
如請求項1所述之濾波器，其中該至少一電容耦合單元介於該至少三個微帶線共振元件中相鄰的該其中二者之間。
如請求項1所述之濾波器，更包含一平坦層，形成於該介電基板與該線路層之間，該些訊號通路與該些接地通路貫穿該平坦層，該平坦層與該介電基板的材質相異。
如請求項3所述之濾波器，其中該平坦層的材質包含環氧樹脂、聚醯亞胺或玻璃。
如請求項1所述之濾波器，其中該至少一電容耦合單元包含多個第一指狀結構及多個第二指狀結構，該些第一指狀結構與該些第二指狀結構交錯配置而構成一指叉型結構。
如請求項5所述之濾波器，其中該些第一指狀結構與該些第二指狀結構的間距至少約小於50μm。
如請求項5所述之濾波器，其中各該第一指狀結構與各該第二指狀結構的寬度至少約小於50μm。
如請求項1所述之濾波器，其中該些第一指狀結構一體成型於其中一該至少三微帶線共振元件，該些第二指狀結構一體成型於另一該至少三微帶線共振元件，該些第一指狀結構、該些第二指狀結構以及該至少三微帶線共振元件均位於同一平面。
如請求項1所述之濾波器，其中該至少三微帶線共振元件中與該至少一電容耦合單元連接之其中二者的長度較該至少三微帶線共振元件中未與該至少一電容耦合單元連接的其他者的長度短。
如請求項1所述之濾波器，包含另一平坦層，介於該線路層與該至少一電容耦合單元之間，且該至少一電容耦合單元橫跨於該至少三個微帶線共振元件中相鄰的該其中二者。
如請求項10所述之濾波器，其中該至少三微帶線共振元件中被該至少一電容耦合單元所橫跨之該其中二者的長度較該至少三微帶線共振元件中未被該至少一電容耦合單元所橫跨之其他者的長度短。
如請求項1所述之濾波器，其中該線路層僅與單個電容耦合單元電性耦合。