CN1747225A - 双调谐传输零点微机械微波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明对传统的切比雪夫抽头线微波滤波器设计方法进行了改进，基本结构采用分布式耦合线结构，中间(2)～(N－1)节微波传输线的长度为设计频率的四分之一波长，并且该传输线的一端通过微机械通孔(V₂～V_N－1)接地，首尾两节(1)、(N)微波传输线的两端均通过微机械通孔(V₁、V₁′)、(V_N、V_N′)接地，信号耦合采用抽头线结构(T₁、T₂)，抽头线T₁ (T₂)距V₁、V₁′(V_N、V_N′)的长度分别为L₁、L₂，通过L₁、L₂的调整，实现滤波器在适当的频率位置出现两个传输零点，改善了滤波器的带外抑制性能。通过微机械通孔接地和首尾两节(1)、(N)微波传输线的折叠结构等紧凑设计，实现滤波器的微型化。

Description

双调谐传输零点微机械微波滤波器

技术领域

本发明属于微波电路、微电子和微机电***交叉领域，在微波电路中用以把所需频段的信号以尽可能小的衰减通过，同时把不需频段的信号衰减掉。尤其是一种广义切比雪夫带通滤波器类型的滤波器，具体地说是一种双调谐传输零点微机械微波滤波器。

背景技术

微波滤波器设计要求体积小、插损小、带外抑制要高、阻抗匹配特性要好。微波滤波器的种类主要有集总元件(电感、电容)形式、分布传输线式、陶瓷、腔体式等。在卫星、通信以及航空、航天等***中要求电子***体积小、重量轻和成本低，在采用了大规模集成电路的今天，微波滤波器等无源元件的集成就成了***的瓶颈。因此为追求***的小型化，微波滤波器通常的实现方式有交指线、梳状线、发夹线以及平行耦合线型微带或带状线滤波器，设计方法采用切比雪夫低通滤波器原型，转换成微波滤波器的物理尺寸，实现滤波器的功能。上述交指线和梳状线滤波器尺寸紧凑，是微波滤波器小型化设计的热点。但微波接地技术是微波集成电路工艺制作的难点，故限制了其发展，成为微型滤波器发展的瓶颈之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种整体结构较小、带外抑制性能好、插损小、具有两个调谐传输零点的双调谐传输零点微机械微波滤波器。

本发明的技术方案是：

一种双调谐传输零点微机械微波滤波器，在衬底S上设有N节分布式耦合微波传输线，滤波器的输入输出采用中间抽头线式，抽头线输入端T₁与第一节微波传输线1相连，第一节微波传输线1与作为谐振器的中间传输线2，...，N-1耦合直至最后一节微波传输线N，抽头线输出端T₂与最后一节微波传输线N相连，其特征是：①第一节微波传输线1和最后一节微波传输线N都两端接地，接地端分别为V₁、V₁’和V_n、V_n’；②抽头线T₁到微波传输线1的接地端V₁和V₁’的长度分别为L₁和L₂，抽头线输出端(T₂)到最后一节微波传输线(N)的接地端V_n、V_n’的长度也分别为L₁和L₂，L₁和L₂分别等于滤波器两个传输零点所在频率点的二分之一波长。

本发明还进一步采取了以下技术措施：

每节微波传输线的接地方式或为每一条微波传输线通过微机械加工通孔与衬底S的背面地平面相连实现接地，或为先与公共接地母线相连，公共接地母线通过微机械加工通孔与衬底S背面地平面相连实现接地。

所述的微波传输线可以是微带线、共面波导线或带状线。

所述的衬底为高阻硅、砷化镓、氧化铝陶瓷或玻璃。

微波传输线的节数N为奇数时，其结构为对称式，N为偶数时，其结构为反对称式。

输入输出端抽头线T₁，T₂结构为微带线、共面波导线或带状线，耦合方式为窄线电感耦合或锥形耦合。

作为谐振器的2，…，N-1节中间耦合微波传输线为交指型或梳状线单端接地结构，谐振器的长度等于滤波器中心频率的四分之一波长。

本发明的有益效果：

一、采用双调谐传输零点技术，提高了滤波器性能

传统的耦合传输线滤波器要实现较高的带外抑制必须增加滤波器的节数，然而节数的增加不仅使滤波器的体积增大，而且会使滤波器的***损耗随之变大。采用双调谐传输零点技术，在滤波器节数不变的情况下，在通带两边即上边带和下边带适当的频率点出现传输零点，大大改善了滤波器的带外抑制性能。

二、双调谐传输零点技术，优化调整方便实用

通常微波传输线滤波器中，传输零点是采用使滤波器中不相邻的谐振器间交叉耦合的方法来实现的。这种方法的缺点是滤波器必须具有至少四节的谐振器，而且结构相对比较复杂，从而容易导致插损变大。

本发明只需调整L₁、L₂的长度和抽头线位置，故调整方便。

三、采用微机械通孔技术，减小芯片的面积，提高了微波滤波器的寄生通带。

由于工艺的限制，采用抽头输入式的发夹状微带线滤波器和开路环微带线滤波器也可以避免交叉耦合结构来实现两个传输零点，但结构不够紧凑、相对体积较大，并且寄生通带在滤波器设计中心频率的2倍频处。

使用微机械通孔技术，避免接地方式通过芯片***的金属层来连接接地平面，并且可以在芯片的任何地方实现与背面金属层接地，增加了设计的灵活性。并且寄生通带在滤波器设计中心频率的3倍频处，提高了滤波器的使用频段。

四、本发明为使芯片小型化，使用了抽头线式设计和微波通孔接地技术；为改善选择性使用了广义切比雪夫相应和双调谐有限传输零点技术；为使物理可实现性，选择了微波集成电路工艺和射频微机电***中的体硅加工技术。因而具有结构简单、调整方便，工艺兼容性好，可直接用于加工体积小、重量轻的射频多芯片电路模块或单片子***。

五、与传统的耦合微带线滤波器相比具有体积小，带外抑制性能好、插损小等优点。且与一般具有传输零点的微带线滤波器相比，具有结构简单、紧凑、易于实现、传输零点任意可调等优点。

附图说明

图1是本发明的对称式微机械滤波器的结构示意图。

图2是发明的反对称式微机械滤波器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示。图1、2中：1是第一节微波传输线；2～N-1是中间微波耦合传输线谐振器；N是最后一节微波传输线；T₁是抽头线输入端；T₂是抽头线输出端；L是中间传输线谐振器长度；L₁，L₂是抽头线连接处距传输线两接地端的距离长度；M是传输线匹配拐角。S是衬底。

抽头线输入端(T₁)与第一节微波传输线1相连，第一节微波传输线1与中间耦合传输线谐振器2，…，N-1耦合直至最后一节微波传输线N，抽头线输出端T₂与最后一节微波传输线N相连。第一节微波传输线1和最后一节微波传输线N都两端接地，接地端分别为V₁、V₁’和V_n、V_n’。

抽头线T₁到微波传输线1的接地端V₁和V₁’的长度分别为L₁和L₂，L₁和L₂分别等于滤波器两个传输零点所在频率点的二分之一波长。抽头线输出端T₂到最后一节微波传输线(N)的接地端V_n、V_n’的长度分别为L₁和L₂，L₁和L₂分别等于滤波器两个传输零点所在频率点的二分之一波长。见公式1。通过改变L₁、L₂，优化调整传输零点的频点位置。使滤波器的带外抑制、***损耗、输入输出阻抗匹配达到最佳。

传输零点位置与L₁和L₂的关系式如下：

$f_n=\frac{c}{2L_n\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}},(n=\mathrm{1,2})---\left(1\right)$

其中，c为真空中的光速，ε_re为衬底介质有效相对介电常数。

中间耦合微波传输线谐振器2，…，N-1采用单端接地方式，接地端为V₂～V_n，V₂’～V_n’。传输线耦合结构可为交指型或梳状线结构，传输线形式可以是微带线、共面波导线或带状线。传输线长度等于滤波器中心频率的四分之一波长。见公式(2)。根据具体情况进行优化，稍作调整。

$f_0=\frac{c}{4L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}}---\left(2\right)$

微波传输线接地端V₁～V_n，V₁’～V_n’通过由MEMS工艺形成的微机械通孔与衬底背面地平面相连实现接地。具体方式可以是每一条微波传输线通过微机械加工通孔与衬底背面地平面相连实现接地，也可以通过先与公共接地母线相连，公共接地母线通过微机械加工通孔与衬底背面地平面相连实现接地。

滤波器总体结构可采用对称式(见图1)和反对称式(见图2)，分别对应滤波器节数(N值)为奇数节和偶数节。

输入输出端抽头线T₁，T₂结构可采用微带线、共面波导线或带状线，耦合方式可采用窄线电感耦合或锥形耦合。

第一节1和最后一节微带线谐振器N可使用传输线匹配拐角M使结构更紧凑。

滤波器衬底S可以采用高阻硅、砷化镓、氧化铝陶瓷或玻璃。

具体制作例：

在电阻率为3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的硅片S表面用微电子工艺形成1μm厚的SiO₂绝缘介质层，再用微电子工艺在SiO₂层上形成约1μm厚的金属铝层。用微电子工艺形成通孔图形，图形去除铝和SiO₂，ICP(电感耦合等离子体)深反应离子在通孔图形内刻蚀硅约450μm深。去除铝层并清洗硅片，再用微电子工艺在SiO₂绝缘介质层上形成由钛/金层构成的首尾两节传输线1，N、中间耦合传输线谐振器2～N-1、输入抽头线T₁输出抽头线T₂。首尾两节传输线长度为5000μm，宽度为250μm，其中L₁为3600μm，L₂为1400μm，中间耦合传输线长度L为2500μm，宽度为500μm。抽头线长度为500μm，两端宽度分别为300μm和100μm。各传输线间耦合间隙不等，在100μm～500μm范围内。硅片背面减薄至380μm，形成微机械通孔V₁～V_n，V₁′，V_n′，用微电子工艺在硅片背面形成钛/金层，并使通孔金属化，通孔V₁～V_n，V₁′，V_n′内径200μm，外径300μm。划片得到总体尺寸为10mm×5mm×0.4mm的滤波器芯片。

Claims (7)

1、一种双调谐传输零点微机械微波滤波器，在衬底S上设有N节分布式耦合微波传输线，滤波器的输入输出采用中间抽头线式，抽头线输入端(T₁)与第一节微波传输线(1)相连，第一节微波传输线(1)与作为谐振器的中间传输线(2，...，N-1)耦合直至最后一节微波传输线(N)，抽头线输出端(T₂)与最后一节微波传输线(N)相连，其特征是：①第一节微波传输线(1)和最后一节微波传输线(N)都两端接地，接地端分别为V₁、V₁’和V_n、V_n’；②抽头线T₁到微波传输线(1)的接地端V₁和V₁’的长度分别为L₁和L₂，抽头线输出端(T₂)到最后一节微波传输线(N)的接地端V_n、V_n’的长度也分别为L₁和L₂，L₁和L₂分别等于滤波器两个传输零点所在频率点的二分之一波长。

2、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是每节微波传输线的接地方式或为每一条微波传输线通过微机械加工通孔与衬底S的背面地平面相连实现接地，或为先与公共接地母线相连，公共接地母线通过微机械加工通孔与衬底S背面地平面相连实现接地。

3、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是所述的微波传输线可以是微带线、共面波导线或带状线。

4、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是所述的衬底为高阻硅、砷化镓、氧化铝陶瓷或玻璃。

5、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是微波传输线的节数N为奇数时，其结构为对称式，N为偶数时，其结构为反对称式。

6、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是输入输出端抽头线(T₁，T₂)结构为微带线、共面波导线或带状线，耦合方式为窄线电感耦合或锥形耦合。

7、根据权利要求1所述的双调谐传输零点微机械微波滤波器，其特征是作为谐振器的(2，...，N-1)节中间耦合微波传输线为交指型或梳状线单端接地结构，谐振器的长度等于滤波器中心频率的四分之一波长。

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