CN110380172B

CN110380172B - 一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器

Info

Publication number: CN110380172B
Application number: CN201910490764.6A
Authority: CN
Inventors: 刘晓贤; 朱樟明; 杨银堂; 刘阳; 卢启军; 尹湘坤
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: CN110380172A

Abstract

本发明公开了一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，包括自上而下依次设置的上金属层、上石英基板、中间金属层、下石英基板和下金属层，其中，上金属层上设置有用第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片；上石英基板上设置有多个第一金属导体柱，第一金属导体柱的两端分别与上金属层和中间金属层接触；下石英基板上设置有多个第二金属导体柱，第二金属导体柱的两端分别与中间金属层和下金属层接触；中间金属层上开设有多个辐射窗口以及绕辐射窗口分布的多个耦合窗口。本发明将基片集成波导结构集成在体积较小的三维芯片***中，显著减小了滤波器结构的面积，且显著降低了滤波器结构的功耗。

Description

一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器

技术领域

本发明属于集成电路制造与封装技术领域，具体涉及一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器。

背景技术

近年来，由于商业应用的驱动，毫米波无线通信得以迅猛的发展，绝大部分毫米波互连与无源器件都是波导形式，其损耗较低。然而，波导结构的体积通常较大，生产成本较高，且与单片微波集成电路(MMICs)难于集成在一个***上。随后出现的低温共烧陶瓷(LTCC)虽然在微波与毫米波频段内具有稳定的介电常数与较低的损耗，但其较厚的衬底与较大的体积也极大的限制了它的广泛应用。

三维集成技术是将传统的二维集成电路垂直堆叠起来，硅通孔作为三维集成电路中关键结构，用于实现三维集成电路上下层芯片间的信号传输，通过硅通孔实现层间垂直互连与封装，从而显著提高了集成度，同时减小了功耗，提高了***性能。利用硅通孔三维集成技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在三维***中的芯片之上，使其能够与其他异构芯片实现三维集成，从而显著减小整个微波电路***的体积。然而，由于半导体硅衬底在高频条件下具有较大的损耗，阻碍了基片集成波导结构在三维集成中的广泛应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，包括自上而下依次设置的上金属层、上石英基板、中间金属层、下石英基板和下金属层，其中，

所述上金属层上设置有用作差分输入端口的第一金属片和第二金属片，以及用作差分输出端口的第三金属片和第四金属片；

所述上石英基板上设置有多个第一金属导体柱，所述第一金属导体柱的两端分别与所述上金属层和所述中间金属层接触；所述下石英基板上设置有多个第二金属导体柱，所述第二金属导体柱的两端分别与所述中间金属层和所述下金属层接触；

所述中间金属层上开设有多个辐射窗口以及绕所述辐射窗口分布的多个耦合窗口，所述多个辐射窗口和所述多个耦合窗口均联通所述上石英基板与所述下石英基板。

在本发明的一个实施例中，所述上石英基板上开设有多个上石英基板通孔，每个所述上石英基板通孔中均填充有一个所述第一金属导体柱；

所述下石英基板下开设有多个下石英基板通孔，每个所述下石英基板通孔中均填充有一个所述第二金属导体柱。

在本发明的一个实施例中，多个所述第一金属导体柱在所述上石英基板上形成对称的两个上长方形结构，并且多个所述第一金属导体柱、所述上金属层和所述中间金属层在所述两个上长方形结构处分别形成第一阶谐振腔和第四阶谐振腔。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属片和所述第二金属片的至少一部分延伸到第一阶谐振腔的上方，所述第三金属片和所述第四金属片的至少一部分延伸到第四阶谐振腔的上方。

在本发明的一个实施例中，所述上金属层的第一侧壁上开设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一金属片形成于第一凹槽中，第二金属片形成于第二凹槽中；

所述上金属层的与所述第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽和第四凹槽，第三金属片形成于第三凹槽中，第四金属片形成于第四凹槽中。

在本发明的一个实施例中，所述中间金属层中开设有第一辐射窗口、第二辐射窗口、第三辐射窗口和第四辐射窗口，其中，

所述第一辐射窗口和所述第二辐射窗口对称分布在所述第一阶谐振腔的下方；

所述第三辐射窗口和所述第四辐射窗口对称分布在所述第四阶谐振腔的下方。

在本发明的一个实施例中，所述中间金属层上还开设有位于同一列的第一耦合窗口、第二耦合窗口、第三耦合窗口和第四耦合窗口；以及位于同一列的第五耦合窗口、第六耦合窗口、第七耦合窗口、第八耦合窗口；

所述第一耦合窗口、所述第二耦合窗口、所述第三耦合窗口和所述第四耦合窗口、所述第五耦合窗口、所述第六耦合窗口、所述第七耦合窗口和所述第八耦合窗口均位于第一阶谐振腔的下方。

在本发明的一个实施例中，所述中间金属层上还开设有位于同一列的第九耦合窗口、第十耦合窗口、第十一耦合窗口和第十二耦合窗口；以及位于同一列的第十三耦合窗口、第十四耦合窗口、第十五耦合窗口、第十六耦合窗口；

所述第九耦合窗口、所述第十耦合窗口、所述第十一耦合窗口、所述第十二耦合窗口、所述第十三耦合窗口、所述第十四耦合窗口、所述第十五耦合窗口、所述第十六耦合窗口均位于第四阶谐振腔的下方。

在本发明的一个实施例中，多个所述第二金属导体柱在所述下石英基板上形成对称的两个下长方形结构，并且多个所述第一金属导体柱、所述下金属层和所述中间金属层在所述两个下长方形结构处分别形成第二阶谐振腔和第三阶谐振腔。

在本发明的一个实施例中，所述第二阶谐振腔与所述第三阶谐振腔之间设置有第一下基板耦合窗口、第二下基板耦合窗口、第三下基板耦合窗口和第四下基板耦合窗口，用于实现所述第二阶谐振腔与所述第三阶谐振腔之间的磁耦合。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器采用双层堆叠的方法，将部分谐振腔放置于下石英基板上，显著减小了该滤波器结构的面积。

2、该滤波器采用差分输入与输出结构，将石英基板上的四个谐振腔用作共模抑制单元，利用腔体的TE102模式电磁波构建第一差模通带，另外通过电耦合与磁耦合相结合的方式激励TE104模式电磁波，利用TE104模式电磁波构建滤波器的第二差模通带，同时抑制共模信号的传输。

3、本发明采用石英作为上下基板，石英的相对介电常数远小于硅衬底，且介电常数的高频稳定性较高，采用石英基板代替硅衬底制作三维无源器件，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数，使得本发明的滤波器的功耗显著降低，提高了滤波器的品质因数。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的结构主视图；

图2是本发明实施例提供的一种上金属层的俯视图；

图3是本发明实施例提供的一种上石英基板的俯视图；

图4是本发明实施例提供的一种中间金属层的俯视图；

图5是本发明实施例提供的另一种中间金属层的俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种下石英基板的俯视图；

图7是本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器TE102模式电磁波的电磁谐振分布图；

图8是本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器TE104模式电磁波的电磁谐振分布图；

图9是本发明实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的耦合机制示意图；

图10是本发明实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的等效耦合机制示意图；

图11是本发明实施例滤波器的一个长方形谐振腔横截面的示意图；

图12是本发明实施例滤波器的耦合系数k12的第一种HFSS仿真模型图；

图13是本发明实施例滤波器的耦合系数k12的第二种HFSS仿真模型图；

图14是本发明实施例滤波器的耦合系数k23的HFSS仿真模型图；

图15是本发明实施例滤波器的第一种外部品质因数QE的HFSS仿真模型图；

图16是本发明实施例滤波器的第二种外部品质因数QE的HFSS仿真模型图。

图17是本发明实施例滤波器的S参数仿真示意图。

附图标记如下：

1-上金属层；11-第一凹槽；12-第二凹槽；13-第三凹槽；14-第四凹槽；2-上石英基板；21-第一金属导体柱；22-上石英基板通孔；3-中间金属层；301-第一辐射窗口；302-第二辐射窗口；303-第三辐射窗口；304-第四辐射窗口；305-第一耦合窗口；306-第二耦合窗口；307-第三耦合窗口；308-第四耦合窗口；309-第五耦合窗口；310-第六耦合窗口；311-第七耦合窗口；312-第八耦合窗口；313-第九耦合窗口；314-第十耦合窗口；315-第十一耦合窗口；316-第十二耦合窗口；317-第十三耦合窗口；318-第十四耦合窗口；319-第十五耦合窗口；320-第十六耦合窗口；4-下石英基板；41-第二金属导体柱；42-下石英基板通孔；43-第一下基板耦合窗口；44-第二下基板耦合窗口；45-第三下基板耦合窗口；46-第四下基板耦合窗口；5-下金属层；6-第一金属片；7-第二金属片；8-第三金属片；9-第四金属片；R1-第一阶谐振腔；R2-第二阶谐振腔；R3-第三阶谐振腔；R4-第四阶谐振腔。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

本实施例的滤波器电磁谐振模式为TE102与TE104，第一通带为75GHz-80GHz，中心频率为77.46GHz，第二通带的中心频率为120GHz。请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的结构主视图，图2是本发明实施例提供的一种上金属层的俯视图。本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，包括自上而下依次设置的上金属层1、上石英基板2、中间金属层3、下石英基板4和下金属层5。上金属层1上设置有用作差分输入端口的第一金属片6和第二金属片7，以及用作差分输出端口的第三金属片8和第四金属片9。在本实施例中，第一金属片6、第二金属片7、第三金属片8和第四金属片9的尺寸相同，均为970μm×400μm。上石英基板2上设置有多个第一金属导体柱21，第一金属导体柱21的两端分别与上金属层1和中间金属层3接触；下石英基板4上设置有多个第二金属导体柱41，第二金属导体柱41的两端分别与中间金属层3和下金属层5接触；中间金属层3上开设有多个辐射窗口以及绕辐射窗口分布的多个耦合窗口，多个辐射窗口和多个耦合窗口均联通上石英基板3与下石英基板5。

在本实施例中，上金属层1、中间金属层3、下金属层5、第一金属导体柱21和第二金属导体柱41的材料为铜。

进一步地，上石英基板2上开设有多个上石英基板通孔22，每个上石英基板通孔22中均填充有一个第一金属导体柱21；下石英基板4下开设有多个下石英基板通孔42，每个下石英基板通孔42中均填充有一个第二金属导体柱41。在本实施例中，上石英基板通孔22和下石英基板通孔42的直径均为35μm，高度为180μm，均可以通过刻蚀方法得到。

进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种上石英基板的俯视图。多个第一金属导体柱21在上石英基板2上形成对称的两个上长方形结构，且所述两个上长方形结构具有一个公共边。

此外，所述多个第一金属导体柱21、上金属层1和中间金属层3在所述两个上长方形结构处分别形成第一阶谐振腔R1和第四阶谐振腔R4，如图3所示。进一步地，第一金属片6和第二金属片7的至少一部分延伸到第一阶谐振腔R1的上方，第三金属片8和第四金属片9的至少一部分延伸到第四阶谐振腔R4的上方。换句话说，第一金属片6和第二金属片7在上石英基板2上的投影的一部分伸入到第一阶谐振腔R1中；第三金属片8和第四金属片9在上石英基板2上的投影的一部分伸入到第四阶谐振腔R4中。进一步地，如图2和图3所示，第一金属片6、第二金属片7、第三金属片8和第四金属片9在上石英基板2的垂直投影范围内未开设上石英基板通孔22，即在每个上长方形结构中各形成两个缺口。

本实施例采用石英作为上下基板，石英的相对介电常数远小于硅衬底，且介电常数的稳定性较高，采用石英基板代替硅衬底制作三维无源器件，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数。

继续参见图2，在本实施例中，上金属层1的第一侧壁上开设有第一凹槽11和第二凹槽12，第一金属片6形成于第一凹槽11中，第二金属片7形成于第二凹槽12中；上金属层1的与第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽13和第四凹槽14，第三金属片8形成于第三凹槽13中，第四金属片9形成于第四凹槽14中。在本实施例中，四个凹槽的尺寸均为539μm×430μm，使得金属片的两侧壁与相应的槽壁之间均存在一定间隙。需要说明的是，图2中用虚线表示的圆圈为上石英基板2上的多个第一金属导体柱21在上金属层1上的投影位置。

在实际使用过程中，上金属层1接地，上石英基板2作为本实施例滤波器的上层基底，中间金属层3用作上石英基板2与下石英基板4的共用接地层，下石英基板4作为本实施例滤波器的下层基底，下金属层4用于将上金属层1上的电荷及时移入大地；第一金属片6和第二金属片7分别作为本实施例滤波器的差分输入端口，第三金属片8和第四金属片9分别作为本实施例滤波器的差分输出端口，所述输入端口和输出端口分别用于差分输入和差分输出电磁波。所述第一金属导体柱21与上石英基板2构成接地栅结构，下金属层5与上金属层1、中间金属层3、第一金属导体柱21以及第二金属导体柱41形成封闭的滤波器谐振腔。

接着，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种中间金属层的俯视图。在本实施例中，中间金属层3中开设有第一辐射窗口301、第二辐射窗口302、第三辐射窗口303和第四辐射窗口304，其中，第一辐射窗口301和第二辐射窗口302对称分布在第一阶谐振腔R1的下方；第三辐射窗口303和第四辐射窗口304对称分布在第四阶谐振腔R4的下方。在图4中，以虚线表示的圆圈为上石英基板2上的所述多个第一金属导体柱21在中间金属层3上的投影位置，即第一辐射窗口301和第二辐射窗口302位于第一阶谐振腔R1的投影区域中，第三辐射窗口303和第四辐射窗口304位于第四阶谐振腔R4的投影区域中。

继续参见图4，中间金属层3上还开设有位于同一列的第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308；以及位于同一列的第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311、第八耦合窗口312；第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308、第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312均位于第一阶谐振腔R1的下方。

具体地，第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308、第五耦合窗口309、第六耦合窗口310和第七耦合窗口311、第八耦合窗口312均为长方形通孔结构，可以连通上石英基板2和下石英基板5。在本实施例中，第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308具有相同的尺寸，第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312具有相同的尺寸，并且第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308的长度大于第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312的长度，而第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308的宽度大于第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312的宽度。

需要说明的是，中间金属层3上开设的各个辐射窗口和耦合窗口的尺寸可以根据所需耦合系数进行调整，如一下仿真过程将具体说明的。

进一步地，中间金属层3上还开设有位于同一列的第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315和第十二耦合窗口316；以及位于同一列的第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320；第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316、第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320均位于第四阶谐振腔R4的下方。

具体地，第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316、第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320均为长方形通孔结构，可以连通上石英基板2和下石英基板5。在本实施例中，第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316具有相同的尺寸，第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320具有相同的尺寸，并且第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316的长度大于第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320的长度，而第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316的宽度大于第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320的宽度。

在本实施例中，如图4所示，中间金属层3的各个辐射窗口和耦合窗口的分布呈现出轴对称，中间金属层3相对于第一阶谐振腔R1和第四阶谐振腔R4的公共边对称。进一步地，第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308沿同一轴线分布在邻近所述公共边的一侧，第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316沿同一轴线分布在邻近所述公共边的另一侧。第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312沿同一轴线分布在远离所述公共边的一侧；第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320沿同一轴线分布在远离所述公共边的另一侧。

应该指出的是，在其他实施例中，各个辐射窗口和耦合窗口还可以具有其他形式的分布。请参见图5，图5是本发明实施例提供的另一种中间金属层的俯视图。在该实施例中，与图4中的中间金属层的不同之处在于第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312的分布，以及第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320的分布。

具体地，第六耦合窗口310和第七耦合窗口311平行设置在第一辐射窗口301和第二辐射窗口302之间，第七耦合窗口311和第八耦合窗口312分别设置在第一辐射窗口301和第二辐射窗口302相互远离的两侧；第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319平行设置在第三辐射窗口303和第四辐射窗口304之间，第十三耦合窗口317和第十六耦合窗口320分别设置在第三辐射窗口303和第四辐射窗口304相互远离的两侧。且第五耦合窗口309、第六耦合窗口310、第七耦合窗口311和第八耦合窗口312、第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、以及第十六耦合窗口320的长轴均相互平行。

优选地，在本实施例中，第一辐射窗口301与第二辐射窗口302为正方形，其边长为600μm；第一耦合窗口305至第四耦合窗口308为长方形，其尺寸为460μm×120μm；当第五耦合窗口309至第八耦合窗口312的排布为图4时，其尺寸为300μm×100μm；第五耦合窗口309至第八耦合窗口312的排布为图5时，其尺寸为400μm×80μm。

相应地，第三辐射窗口303与第四辐射窗口304为正方形，其边长为600μm；第九耦合窗口313至第十二耦合窗口316为长方形，其尺寸为460μm×120μm；当第十三耦合窗口317至第二十耦合窗口320的排布为图4时，其尺寸为300μm×100μm；当第十三耦合窗口317至第二十耦合窗口320的排布为图5时，其尺寸为400μm×80μm。

接着，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种下石英基板的俯视图。所述多个第二金属导体柱41在下石英基板4上形成对称的两个下长方形结构，并且多个第一金属导体柱41、下金属层5和中间金属层3在两个下长方形结构处分别形成第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3。进一步地，第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R4之间设置有第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46，用于实现第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R4之间的磁耦合。第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46均位于第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3的公共边上且相邻下基板耦合窗口之间具有相同的间距。

具体地，在第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3连接的公共边上包括多个第二金属导体柱41，但是，所述第二金属导体柱41并非均匀分布，而是在公共边的指定部分没有设置第二金属导体柱41，如图6所示，从而在不包括第二金属导体柱41的位置依次形成了第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46，第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46的窗口宽度均为513.5μm，其用于实现第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3之间的磁耦合。

进一步地，第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46用于激励TE102模式电磁波，同时也激励TE104模式的电磁波，请参见图7和图8，图7是本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器TE102模式电磁波的电磁谐振分布图；图8是本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器TE104模式电磁波的电磁谐振分布图。在本实施例中，第一阶谐振腔R1、第二阶谐振腔R2、第三阶谐振腔R3以及第四阶谐振腔R4的宽度相同，且长度均为宽度的2倍。

接着，请参见图9，图9是本发明实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的耦合机制示意图。其中，K₁₂表示第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间的耦合系数，K₂₃表示第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间的耦合系数，K₃₄表示第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间的耦合系数。具体地，第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2通过第一辐射窗口301与第二辐射窗口302实现电耦合，通过第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308、第五耦合窗口309、第六耦合窗口310和第七耦合窗口311、第八耦合窗口312实现磁耦合。第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3通过第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46实现磁耦合；第三阶谐振腔R3与第四阶谐振腔R4通过第三辐射窗口303与第四辐射窗口304实现电耦合，通过第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316、第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320实现磁耦合。

本实施例滤波器的工作过程如下：首先，所需滤波的电磁波从所述差分输入端口输入至第一谐振腔R1；然后，通过第一辐射窗口301和第二辐射窗口302实现电耦合、通过第一耦合窗口305、第二耦合窗口306、第三耦合窗口307和第四耦合窗口308、第五耦合窗口309、第六耦合窗口310和第七耦合窗口311、第八耦合窗口312传输至第二谐振腔R2。随后，所述电磁波通过第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45和第四下基板耦合窗口46传输至第三谐振腔R3；再然后，所述电磁波再通过第三辐射窗口303、第四辐射窗口304、第九耦合窗口313、第十耦合窗口314、第十一耦合窗口315、第十二耦合窗口316、第十三耦合窗口317、第十四耦合窗口318、第十五耦合窗口319、第十六耦合窗口320传输至第四阶谐振腔R4，再从所述输出端口输出。

请参见图10，图10是本发明实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的等效耦合机制示意图，本发明实施例的滤波器在工作时，同时传播TE102模式与TE104模式的电磁波，其中，第一差模响应通带由谐振腔R1-R4的TE102模式构成，第二差模响应通带由谐振腔R1-R4的TE104模式构成。当差模信号激励时，差分滤波器对称面可以等效为理想的电壁，差分拓扑结构可以简化为一个等效的二端口拓扑结构，四阶差分滤波器的差模响应通带的设计可以转化为一个同阶的SIW(基片集成波导)单端口滤波器设计，进而实现良好的共模抑制特性，并通过调节相应辐射窗口与耦合窗口的大小来控制对应的耦合系数。

本实施例的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器采用双层堆叠的方法，将部分谐振腔放置于下石英基板上，显著减小了该滤波器结构的面积。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例对所述双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器的设计方法进行详细描述，该设计方法包括：

S1：谐振腔尺寸的计算。

以第一通带75GHz-80GHz为例，对于差分谐振腔R1-R4，第一通带电磁谐振为TE102模式，该谐振模式的中心频率f₁₀₂为：

其中，f_L＝75GHz，f_H＝80GHz，计算可得f₁₀₂＝77.46GHz。

中心频率f₁₀₂与等效矩形波导的尺寸关系为：

其中，w_eff与l_eff分别为等效矩形波导的宽度与长度，其与SIW谐振腔尺寸的关系分别表示为：

对于长方形SIW谐振腔，则有w_eff＝2l_eff，因此式(2)可简化为：

结合f₁₀₂＝77.46GHz，可计算得到w_eff＝1400μm，再根据式(3)最终求得SIW长方形谐振腔的宽度和长度。根据所计算的SIW谐振腔尺寸，在高频结构仿真(HFSS)三维电磁仿真软件中建模，请参见图11，图11是本发明实施例滤波器的一个长方形谐振腔横截面的示意图，d_TGV＝35μm为基板通孔的直径，p_TGV＝70μm为两个基板通孔之间的中心间距，w为长方形谐振腔的长度，谐振模式设置为1并仿真调整w，当w＝1431μm时谐振腔的中心频率达到77.46GHz。

S2：耦合系数计算；

由切比雪夫低通原型参数g₁～g₄的值，进一步可得到谐振腔之间的耦合系数，其计算公式为：

其中，FBW为SIW带通滤波器的相对带宽，其计算公式为：

因此，可计算得到k₁₂、k₂₃以及k₃₄。以通带内波纹L_ar＝0.5dB，通带内最小插损L_as＝20dB，g₀＝g₅＝1，g₁＝g₄＝1.309，g₂＝g₃＝1.542为例，可计算得k₁₂＝k₃₄＝0.0454，k₂₃＝0.0419。

当差模信号激励时，平衡滤波器对称面可以等效为理想的电壁，差分拓扑结构可以简化为一个等效的二端口拓扑，四阶差分滤波器的差模响应通带的设计可以转化为一个同阶的SIW单端口滤波器的设计。请参见图12和图13，分别是本实施例滤波器的耦合系数k₁₂的两种不同的HFSS仿真模型图，如图所示，第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间的耦合为电耦合与磁耦合的混合耦合方式，为第一辐射窗口301与第二辐射窗口302，第一耦合窗口305至第四耦合窗口308，以及第五耦合窗口309至第八耦合窗口312，且耦合强度由耦合窗口的开口尺寸决定，其中，中间金属层上的耦合窗口有两种分布方式，如图4、图5、图12和图13所示。把谐振模式设置为2，仿真可得到两个谐振频率f₁与f₂，根据f₁与f₂可计算k₁₂为：

仿真调整各辐射窗口与耦合窗口的开口尺寸，得到第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间的耦合系数k₁₂，其中，第一辐射窗口301与第二辐射窗口302为正方形，其边长为600μm；第一耦合窗口305至第四耦合窗口308为长方形，其尺寸为460μm×120μm；当第五耦合窗口309至第八耦合窗口312的排布为图4时，其尺寸为300μm×100μm；第五耦合窗口309至第八耦合窗口312的排布为图5时，其尺寸为400μm×80μm。同理，请参见图14，图14是本实施例滤波器的耦合系数k23的HFSS仿真模型图。仿真调整第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间的耦合窗口，即第一下基板耦合窗口43、第二下基板耦合窗口44、第三下基板耦合窗口45、第四下基板耦合窗口46的开口尺寸为513.5μm，得到第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间的耦合系数k₂₃。类似地，仿真调整各辐射窗口与耦合窗口的开口尺寸，得到第三阶谐振腔R3与第四阶谐振腔R4之间的耦合系数k₃₄，其中，第三辐射窗口303与第四辐射窗口304为正方形，其边长为600μm；第九耦合窗口313至第十二耦合窗口316为长方形，其尺寸为460μm×120μm；当第十三耦合窗口317至第二十耦合窗口320的排布为图4时，其尺寸为300μm×100μm；当第十三耦合窗口317至第二十耦合窗口320的排布为图5时，其尺寸为400μm×80μm。

S23：外部品质因数Q_E计算

谐振腔的外部品质因数Q_E由下式计算：

其中，g₀和g₁为切比雪夫低通原型参数，计算可得Q_E＝6.8。

在HFSS三维电磁仿真软件中，外部品质因数Q_E可由下式表示：

其中，ω₀＝2πf₁₀₂，Q_E正比于谐振器的S11群时延τ_S11，因此可计算出HFSS三维电磁仿真软件中τ_S11的理论值。请参见图15和图16，图15和图16是本实施例滤波器的两种外部品质因数Q_E提取模型的示意图，如图所示，在HFSS三维电磁仿真软件中建模并适当调整上金属层1上第一凹槽11与第一金属片6的尺寸，使得τ_S11的仿真值达到最大值，且最大值的位置在f₁₀₂＝77.46GHz处，当第一凹槽的尺寸为539μm×430μm，且第一金属片的尺寸为970μm×400μm时满足要求。根据以上所述计算结果，将各个谐振腔按照所述耦合机制进行综合，最终得到本实施例的双层堆叠式差分微波带通滤波器，并在HFSS三维电磁仿真软件中建模，得到理想的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其S参数如图17所示，分别示出了具有图4和图5中不同中间金属层结构的滤波器的S参数曲线图。如图所示，第一通带由TE102模式的电磁波激励，其中心频率为77.46GHz，3dB带宽为5GHz；第二通带由TE104模式的电磁波激励，其中心频率为120GHz，3dB带宽为5GHz。

本发明的双层堆叠式差分微波带通滤波器，采用双层堆叠的方法，将部分谐振腔放置于下石英基板上，显著减小了该滤波器结构的面积。采用差分输入与差分输出的结构，采用双模式传输，即利用TE102模式与TE104模式提供差分信号的第一通带与第二通带，充分利用了滤波器的频带资源，并显著抑制了共模信号的传输。采用石英基板代替硅衬底制作三维无源器件，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数，使得本发明的滤波器的功耗显著降低，提高了滤波器的品质因数。利用石英基板介电常数的高频稳定性，保证了微波条件下双通带的稳定性。同时采用石英基板和三维集成技术，使得SIW结构的特征尺寸显著减小，进而使得本发明的滤波器的谐振频率提取得以显著提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的上金属层(1)、上石英基板(2)、中间金属层(3)、下石英基板(4)和下金属层(5)，其中，

所述上金属层(1)上设置有用作差分输入端口的第一金属片(6)和第二金属片(7)，以及用作差分输出端口的第三金属片(8)和第四金属片(9)；

所述上石英基板(2)上设置有多个第一金属导体柱(21)，所述第一金属导体柱(21)的两端分别与所述上金属层(1)和所述中间金属层(3)接触；所述下石英基板(4)上设置有多个第二金属导体柱(41)，所述第二金属导体柱(41)的两端分别与所述中间金属层(3)和所述下金属层(5)接触；

所述中间金属层(3)上开设有多个辐射窗口以及绕所述辐射窗口分布的多个耦合窗口，所述多个辐射窗口和所述多个耦合窗口均联通所述上石英基板(3)与所述下石英基板(5)；

多个所述第一金属导体柱(21)在所述上石英基板(2)上形成对称的两个上长方形结构，并且多个所述第一金属导体柱(21)、所述上金属层(1)和所述中间金属层(3)在所述两个上长方形结构处分别形成第一阶谐振腔(R1)和第四阶谐振腔(R4)；

所述中间金属层(3)中开设有第一辐射窗口(301)、第二辐射窗口(302)、第三辐射窗口(303)和第四辐射窗口(304)，其中，所述第一辐射窗口(301)和所述第二辐射窗口(302)对称分布在所述第一阶谐振腔(R1)的下方；所述第三辐射窗口(303)和所述第四辐射窗口(304)对称分布在所述第四阶谐振腔(R4)的下方；

所述中间金属层(3)上还开设有位于同一列的第一耦合窗口(305)、第二耦合窗口(306)、第三耦合窗口(307)和第四耦合窗口(308)；以及位于同一列的第五耦合窗口(309)、第六耦合窗口(310)、第七耦合窗口(311)、第八耦合窗口(312)；

所述第一耦合窗口(305)、所述第二耦合窗口(306)、所述第三耦合窗口(307)和所述第四耦合窗口(308)、所述第五耦合窗口(309)、所述第六耦合窗口(310)、所述第七耦合窗口(311)和所述第八耦合窗口(312)均位于第一阶谐振腔(R1)的下方；

所述中间金属层(3)上还开设有位于同一列的第九耦合窗口(313)、第十耦合窗口(314)、第十一耦合窗口(315)和第十二耦合窗口(316)；以及位于同一列的第十三耦合窗口(317)、第十四耦合窗口(318)、第十五耦合窗口(319)、第十六耦合窗口(320)；

所述第九耦合窗口(313)、所述第十耦合窗口(314)、所述第十一耦合窗口(315)、所述第十二耦合窗口(316)、所述第十三耦合窗口(317)、所述第十四耦合窗口(318)、所述第十五耦合窗口(319)、所述第十六耦合窗口(320)均位于第四阶谐振腔(R4)的下方。

2.根据权利要求1所述的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，所述上石英基板(2)上开设有多个上石英基板通孔(22)，每个所述上石英基板通孔(22)中均填充有一个所述第一金属导体柱(21)；

所述下石英基板(4)下开设有多个下石英基板通孔(42)，每个所述下石英基板通孔(42)中均填充有一个所述第二金属导体柱(41)。

3.根据权利要求1所述的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，所述第一金属片(6)和所述第二金属片(7)的至少一部分延伸到第一阶谐振腔(R1)的上方，所述第三金属片(8)和所述第四金属片(9)的至少一部分延伸到第四阶谐振腔(R4)的上方。

4.根据权利要求3所述的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，所述上金属层(1)的第一侧壁上开设有第一凹槽(11)和第二凹槽(12)，所述第一金属片(6)形成于第一凹槽(11)中，第二金属片(7)形成于第二凹槽(12)中；

所述上金属层(1)的与所述第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽(13)和第四凹槽(14)，第三金属片(8)形成于第三凹槽(13)中，第四金属片(9)形成于第四凹槽(14)中。

5.根据权利要求1所述的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，多个所述第二金属导体柱(41)在所述下石英基板(4)上形成对称的两个下长方形结构，并且多个所述第一金属导体柱(41)、所述下金属层(5)和所述中间金属层(3)在所述两个下长方形结构处分别形成第二阶谐振腔(R2)和第三阶谐振腔(R4)。

6.根据权利要求5所述的双层堆叠式差分双通带微波带通滤波器，其特征在于，所述第二阶谐振腔(R2)与所述第三阶谐振腔(R4)之间设置有第一下基板耦合窗口(43)、第二下基板耦合窗口(44)、第三下基板耦合窗口(45)和第四下基板耦合窗口(46)，用于实现所述第二阶谐振腔(R2)与所述第三阶谐振腔(R4)之间的磁耦合。