具有多层谐振器的介电滤波器的制作方法

1.本发明涉及一种介电滤波器，更具体言之，尤其涉及一种具有多层谐振器的介电滤波器，多个所述多层谐振器由多个在介电块中延伸的金属层所构成。


背景技术：

2.已知滤波器是用来使那些频率位于特定频段外的信号产生衰减，而不使所需频段内的信号衰减的装置，也知道这类滤波器可采用在陶瓷材料中形成一或多个谐振器的方式来制作。陶瓷滤波器可以设计成如低通(lowpass)、带通(bandpass)、或高通(highpass)等滤波器类型。
3.介电滤波器一般会使用四分之一波长类型的谐振器，其设计成梳状(combline)型态，一端电性开路，另一端接地。这样的设计可达到紧实、细长且矮型的尺寸结构。再者，其也可在谐振器对之间产生传输零点，且只需要在滤波器块体表面产生印制图案即可简单制作完成。
4.尽管如此，公知介电滤波器中的谐振器通常是呈柱状设计，其通过在介电块中预先形成的孔洞中填入或镀上金属材质来形成。这类型的公知谐振器具有相当的尺寸与重量，并不适合用在像5g这种采用巨量天线(massive mimo)架构、每个天线单位都需要个别的滤波器的电信系统中。
5.此外，公知的介电滤波器通常是使用钻孔及填孔工艺制作而成，其不易大量客制化生产。公知工艺中需要进行机械钻孔等动作来形成谐振腔，其固有的良率低且一致性差。还有因为填孔、镀层以及钻孔的精度不容易控制之故，多个钻孔、填孔、镀层工艺后仍需要进行手动调整、校准等二次加工方可完成制作。这些缺点都让公知的介电滤波器不适合用于5g应用。


技术实现要素：

6.为了解决上述公知技术的缺点并开发出适合用于现今5g应用的介电滤波器，本发明特此提出了一种新颖的介电滤波器，其特点在于在一介电块材中形成多个金属层来叠构出柱型的谐振器，其具有轻量化、微型化的优异特点，且这样的做法可以改善制作良率与一致性。
7.本发明的目的在于提出一种具有多层谐振器的介电滤波器，其包含一介电块、至少一多层谐振器位于该介电块中，其中每个该多层谐振器都呈柱状在该介电块中往一第一方向延伸并且是由多个平行且在与该第一方向正交的一第二方向重叠的金属层所构成，且每个该多层谐振器都具有一第一信号端、一第二信号端以及一接地端，多个导孔件往该第二方向延伸并连接多层谐振器中的金属层，以及一接地电极连接到每个该多层谐振器的接地端。
8.本发明的有益效果在于，本发明提供了一种具有多层谐振器的介电滤波器，其具有强化的高拒斥性能以及在滤波器的响应频率范围内具有优异的选择性。这样的介电滤波
器可提供较高的设计自由度与选项来生产具有特殊规格或需求的客制化滤波器，且因为不是用公知机械式钻孔的方法来制作，其受到良好控制的精确度可改善制作良率并提供优异的一致性。
9.本发明的这类目的与其他目的在阅者读过下文中以多种图示与绘图来描述的较佳实施例的细节说明后应可变得更为明了显见。
附图说明
10.本说明书含有附图并于文中构成了本说明书的一部分，以使阅者对本发明实施例有进一步的了解。多个图示描绘了本发明一些实施例并连同本文描述一起说明了其原理。在多个图示中：
11.图1为根据本发明较佳实施例中一介电滤波器的立体示意图；
12.图2为根据本发明较佳实施例中一介电滤波器在第一方向上的截面示意图；
13.图3为根据本发明较佳实施例中一介电滤波器在第二方向上的截面示意图；
14.图4为根据本发明较佳实施例中一多层谐振器在第一方向上的截面放大图；
15.图5为根据本发明另一实施例中一多层谐振器在第一方向上的截面放大图；
16.图6为根据本发明较佳实施例中一多层谐振器在第二方向上的截面放大图；
17.图7为根据本发明另一实施例中一介电滤波器的立体示意图；
18.图8为根据本发明另一实施例中一介电滤波器在第一方向上的截面示意图；
19.图9为根据本发明另一实施例中一介电滤波器在第二方向上的截面示意图；以及
20.图10为根据本发明较佳实施例中一介电滤波器的频率响应图。
21.须注意本说明书中的所有图示皆为图例性质，为了清楚与方便图示说明之故，图示中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现，一般而言，图中相同的参考符号会用来标示修改后或不同实施例中对应或类似的元件特征。
22.附图标记如下：
23.100
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滤波器
24.102
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介电块
25.104
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多层谐振器
26.104a
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第一信号端
27.104b
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第二信号端
28.104c
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接地端
29.106
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接地电极
30.107
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电容
31.108
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第一信号电极
32.110
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第二信号电极
33.112
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金属层
34.114
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导孔件
35.116
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耦合结构
36.116a
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金属条
37.116b
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耦合导通孔
38.118
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介电层
39.119
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接地层
40.120
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耦合金属条
41.d1
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第一方向
42.d2
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第二方向
43.d3
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第三方向
44.h
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高度
45.l
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长度
46.s
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间距
具体实施方式
47.下文中本发明将参照随附的图示来进行详细的说明，这些图示构成了本发明的一部分并以绘图以及可据以施行本发明的特定实施例方式来展示。这些实施例中会描述足够的细节让本领域中的一般技术人士得以施作本发明。为了简明与方便之故，图示中某些部位的尺度与比例可能会刻意缩小或是以夸大的方式来表现。在不背离本发明范畴的前提下，发明中还可以采用其他的实施例，或是具有在结构上、逻辑上以及电性方面的变化。故此，下文的详细说明不应以局限的方式来看待，而本发明的范畴将由随附的权利要求来界定。
48.当用于本公开书的多种实施例中时，“包括”、“可包括”以及其它同义词表示了其对应的功能、操作或组成元件的存在，但其并未限制其它额外的一或多个功能、操作或组成元件的存在。再者，当用于本公开的多种实施例中时，术语“包括”、“具有”、以及它们的同义词仅是要用来表示某一特征、数字、步骤、操作、元件、部件、或它们的组合，它们不应被理解成是初步排除了一或多个其它的特征、数字、步骤、操作、元件、部件、或它们的组合的存在性或可能性。
49.空间相关的术语，如“在...之下”、“低于”、“较低”、“在...之上”、“较高”等词，其在文中常被用来描述如图中所示出的一个元件或特征对于另一个元件或特征的相对关系。阅者应可轻易了解到，本公开书中这类“上”、“之上”、“在...之上”的用词是要以最广义的方式来解读的，如此，“上”将不只是“直接”位于某物之上的意思，它也包含了在其间介有中介特征或层结构的情况下位于某物之上的意思，而“之上”与“在...之上”不只是位于某物“上”或“之上”的意思，它也可包含了在其间没有任何中介特征或层结构的情况下位于某物“上”或“之上”的意思(即直接在某物上)。
50.当含有序数的用词用于本公开书的多种实施例时，如“第一”与“第二”，其是可以变更其中的多种组成元件的，如此这些组成元件将不会被上述的用词所局限。举例言之，上述用词不会限制多个元件的顺序与/或重要性，其仅用来达成区别多个元件的目的。举例言之，尽管都是使用者装置，一第一使用者装置与一第二使用者装置指的会是不同的使用者装置。再举例言之，一第一元件也可被称为一第二元件，同样地，一第二元件在不悖离本公开书的多种实施例范畴的前提下也可被称为一第一元件。
51.须注意，如果一个元件被描述成“耦接”或“连接”至另一元件，其可能是一第一元件直接耦合或连接至一第二元件，而一第三元件也可能“耦接”或“连接”在该第一元件和该
第二元件之间。反之，当一个元件“直接耦接”或“直接连接”至另一元件时，其可理解为一第一元件与一第二元件之间不存在有第三元件。
52.首先请同时参照图1至图3，其分别为根据本发明较佳实施例一梳型滤波器的立体示意图、在一第一方向d1上的截面图以及在一第二方向d2上的截面图。本发明的滤波器100包含一介电块102作为主体。如图1所示，介电块102较佳为一矮型的长方体，由六个四边形的面相接而成，其长度、宽度以及高度分别往该第一方向d1、一第三方向d3以及该第二方向d2延伸，其中该第一方向d1、该第二方向d2以及该第三方向d3较佳为彼此正交。介电块102的材料可为陶瓷，如损耗角正切(loss tangent)介于10-4
至10-5
的basmti,zrtisn或mgsi等材料。与一般pcb工艺中常用、损耗角正切为10-3
的fr4材料相比，这些材料更适合用于5g电信通信所需的高频高拒斥带通滤波器。须注意本发明也可采用pcb工艺来制作。
53.再参照图1至图3。介电块102中形成有一串多层谐振器104。在本发明中，多层谐振器104较佳在介电块102中的第三方向d3上对齐并紧密间隔。多层谐振器104可为一柱形的横向电磁谐振器，其在介电块102中往第一方向d1延伸。柱形多层谐振器104的一端在介电块102中电性开路，另一端则与一接地电极106短路。在本发明中，接地电极106可为一金属材质的屏蔽层，其包覆或焊接在介电块102的外表面上以尽量降低噪声耦合并达到可接受的阻频带、滤频带表现与满意的谐波表现。介电块102中的多层谐振器104会通过其后方的接地端104c连接到介电块102表面上的接地电极106。多层谐振器104的接地端104c可延伸到介电块102外面与接地电极106相接。或者，在一些实施例中，多层谐振器104的接地端104c也可能不会延伸到介电块102外面，接地端104c可通过像是接地路径或是接地层这类接地结构(未图示)来与接地电极106相接。接地电极106的材料可为导电材料，其包含但不限定是铝、钢、铜、银、镍或是金属合金等。在使用期间，无线/微波信号会进入滤波器的屏蔽层中并依循信号路径环绕或是通过多层谐振器104。视谐振器的位置与设置而定，滤波器的频率可以量身订做成适合特定的操作需求。
54.再参照图1至图3。在本发明较佳实施例中，多层谐振器104会通过设置在其间的电容107彼此电容式地串接。或者，在其他实施例中，多层谐振器104可以通过多层谐振器104之间延伸出的金属层直接彼此串接。更具体言之，在本发明实施例中，每个多层谐振器104两侧分别具有一第一信号端104a与一第二信号端104b。一多层谐振器104的第一信号端104a会与一相邻的多层谐振器104的第二信号端104b通过电容或电感进行电容式耦接或电感式耦接。第一信号端104a与第二信号端104b之间会产生lc或rlc的谐振特性。滤波器的频宽与响应取决于每个多层谐振器104与其旁边的谐振器的耦合量，其又取决于谐振器的尺寸、间距以及接地面分离的情况。再者，介电块102在第三方向d3上的相对两侧还分别设置有一第一信号电极108与一第二信号电极110。在本发明较佳实施例中，第一信号电极108可为一输入垫而第二信号电极110可为一输出垫，用来输入与输出滤波器100所要过滤与谐振的信号。同样地，第一信号电极108与第二信号电极110可以通过金属层或是电容、电感等方式直接连接、电容式耦接、或是电感式耦接至第一信号端104a或第二信号端104b。在梳型滤波器中，第一信号(输入)电极108耦接至介电块102一侧串列中的第一个多层谐振器104的第一信号端104a，而第二信号(输出)电极110则耦接至介电块102另一侧串列中的最后一个多层谐振器104的第二信号端104b。第一信号端104a与第二信号端104b可进一步电性连接至外部的pcb板或装置来接收或传送信号。须注意尽管它们都设置在介电块102的外表面，
第一信号电极108与第二信号电极110并未与接地电极(即屏蔽层)106电性连接。
55.请参照图2。在本发明实施例中，多层谐振器104在第二方向d2上的总高度h对多层谐振器104与介电块102外表面(被接地电极106等接地结构所屏蔽)之间的间距s的比例(h:s)较佳介于1:1至1:2之间，以达到最佳的滤波效果。此外，请参照图3，多层谐振器104在第1方向d1上的长度l名义上较佳为中心频率下的λ/4，其中λ为信号的波长。
56.现在请参照图4，其为根据本发明较佳实施例多层谐振器104的截面放大图。本发明的多层谐振器104是特别用多个金属层112所建构的。如图所示，金属层112较佳在第二方向上d2上彼此平行与重叠，该第二方向上d2是正交于多层谐振器104所延伸的第一方向d1。金属层112在第一方向d1上可以有同样的长度。然而，它们在第三方向d3上的宽度可能有所不同，以形塑成多层谐振器104所需的外型。以图中圆形的截面形状为例，相邻的金属层112在第三方向d3上的宽度会有所不同。每个多层谐振器104中相邻的金属层112在第一方向d1上的长度差的比例也可能是介于0％至15％之间，而多层谐振器104较佳会由至少六个金属层112叠构而成，以提供良好的谐振效率。一个多层谐振器104的第一信号端104a或第二信号端104b可能是其中一金属层112的两端，特别是多层谐振器104中在第三方向d3上具有最大宽度的那个金属层112。
57.此外，如图4所示，每个多层谐振器104中都会形成有至少一个竖直的导孔件114，其从最上方的金属层112在第二方向d2上延伸至最下方的金属层112。导孔件114会电性连接多层谐振器104中的每个金属层112，如此这些金属层112可以叠构出类似普通柱形的谐振器并产生同样的功效。导孔件114较佳是形成在多层谐振器104宽度方向(第三方向d3)的中间位置上，此即这些导孔件114会与圆形多层谐振器104的垂直直径对齐。在一些实施例中，多层谐振器104中的导孔件114可能会分成数段(未图示)，其在第三方向d3上彼此偏移并连接多层谐振器104中的所有金属层112(即金属层112不是通过单一竖直的导孔件连接)。连接相邻三个金属层的导孔件分段在第二方向d2上可能有重叠的部位。再者，请参照图6，多层谐振器104可包含多个导孔件114，其中这些导孔件114较佳在第一方向(长度方向)d1上彼此对齐与间隔，以达到较好的滤波功效。而且，为了改善制作良率，这些导孔件114较佳会设置在第一方向d1上离接地电极106或接地端104c至少一半的多层谐振器104长度(l/2)的位置上，而另一半边长度处没有设置导孔件114。在一些实施例中，这些导孔件114也可以沿着整个第一方向d1上的长度、以相同的间距来设置，即两个半边长度处都有设置导孔件114，如此达到较佳的特性。同样的理由，如图所示，多层谐振器104中与第一或第二信号端104a,104b耦接或连接的电容107或金属层较佳会设置在多层谐振器104的开路端，而导孔件114可设置在多层谐振器104在第三方向d3上50％～60％的宽度位置上，较佳为50％的宽度位置上。
58.回到图4。在本发明实施例中，多层谐振器104之间的电容107也可以是由金属层112建构而成。如图所示，两个多层谐振器104之间的电容107是由三个金属层112所构成，这些金属层112中有部分是从多层谐振器104延伸出来的(特别是提供第一信号端104a与第二信号端104b的金属层)。在其他实施例中，两个多层谐振器104可以直接通过共同的金属层连接其第一信号端104a与第二信号端104b，而非使用电容107进行电容式耦接。在本发明中，金属层112的材料可为导电材料，其包含但不限定是铝、钢、铜、银、镍或是金属合金等。
59.此外，多层谐振器104的截面形状较佳但不限定是圆形或环形。例如，如图5所示的
其他实施例中，多层谐振器104的截面形状是由在第三方向d3上具有不同宽度的金属层112所叠构出的椭圆形。事实上，矩形或多边形这类左右对称的形状也很适用于本发明的多层谐振器104。
60.在本发明中，要在介电块102中制作出由多个金属层112所构成的多层谐振器104，其可以通过pcb(印刷电路板)工艺或ltcc(低温共烧陶瓷)工艺来实现。相较于公知谐振器是通过在介电块102中钻出的谐振腔中填入或在其表面镀上金属材料的成型做法，本发明包含金属层112与导孔件114等的谐振器构件都是通过例如ltcc工艺中在生胚上进行图像转移与网印做法一层一层地形成与图案化。整个介电块102是通过烧结层叠、具有谐振器图案的生胚所形成的。此做法的好处在于它可以轻易、精确地制作出复杂、具有客制化图案或形状的谐振器，其谐振器形成后不需再进行二次工艺或加工来手动调整或校准。再者，通过多个金属层进行多层叠构的概念也可减少整体介电滤波器重量与尺寸，因而适用于使用巨量天线的5g电信系统，因为其精密的天线单元会需要个别的滤波器。
61.接下来请同时参照图7至图9，其分别为根据本发明另一实施例一梳型滤波器的立体示意图、在第一方向d1上的截面图以及在第二方向d2上的截面图。在此实施例中，滤波器100中加入了耦合结构来增强或调整多层谐振器104之间的耦合度。如图所示，耦合结构116形成在每两个多层谐振器104的上方(或下方)，其中每个耦合结构116包含了一短的金属条116a，其形成在介电块102上一额外的介电层118中，以及两个耦合导通孔116b，其分别连接金属条116a的两端并往第二方向d2朝对应的两个多层谐振器104伸入介电块102中。请参照图8，介电层118可能为介电块102的一部分，其间设置有一接地层119来隔绝金属条116a与介电块102。介电层118的材料可与介电块102相同或不同。再者，耦合结构116的两个耦合导通孔116b可往第二方向d2延伸穿过接地层119上的孔洞至多层谐振器104的位置。较佳而言，耦合导通孔116b设置在用来连接多层谐振器104中的金属层的导通孔114的正上方或正下方，特别是最靠近多层谐振器104开路端的导通孔114。
62.除了耦合结构116以外，仍参照图7至图9，介电块102中的多层谐振器104下方(或上方)可形成一耦合金属条120。不像耦合结构116只会与两个对应的多层谐振器104耦合，耦合金属条120会往第三方向d3延伸越过至少两个或所有的多层谐振器104并与它们共同耦合。较佳而言，如图9所示，耦合金属条120设置在多层谐振器104后方或是在第一方向d1或第二方向d2上不与多层谐振器104重叠。
63.最后请参照图10，其为本发明梳型介电滤波器100的频率响应图。图中的频率响应在x轴上以ghz(千兆赫兹)为单位，测量范围介于3ghz至4ghz之间。插入(insertion)/回波损耗(return loss)在y轴上以db为单位，测量范围介于0至-100之间。如图所示，此图显示出本发明的高拒斥介电滤波器可在所要的频率范围内提供可靠的频率响应，如在5g应用的约3.5ghz频率下可实现的频宽。此图也显示出了合理的插入损耗以及良好的阻频带及滤频带。
64.根据上述的实施例，本发明提供了一种新颖的梳型介电滤波器，其具有强化的高拒斥性能以及在滤波器的响应频率范围内具有优异的选择性。这样的介电滤波器可提供较高的设计自由度与选项来生产具有特殊规格或需求的客制化滤波器，且因为不是用公知机械式钻孔的方法来制作，其受到良好控制的精确度可改善制作良率并提供优异的一致性。本发明特别适合用在5g无线电信通信领域，其所需的运作频率越来越高，且需要滤波器设
置在电路板上时具有体积小、用材少、布局面积小、矮型等特点，并同时保持高效能并符合日益严格的规范。
65.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。