W波段带通滤波器

摘要

本发明属于滤波器领域，公开了一种W波段带通滤波器。本发明所述滤波器包括金属外壁、金属内芯、外部耦合结构、内部耦合结构和介质支撑条；所述金属内芯、外部耦合结构、内部耦合结构和介质支撑条均内置于金属外壁之中；所述金属内芯通过横截面的宽度变化实现阻抗变换；所述外部耦合结构直径的变化，可以改变滤波器的外部耦合强弱；所述内部耦合结构直径的变化，可以改变滤波器的内部耦合强弱。所述滤波器能够实现器件的体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，同时保持着插入损耗小，功率容量高的良好性能，解决了波导滤波器体积过大的问题，有利于W波段通信系统的小型化、集成化设计。

权利要求

1.一种W波段带通滤波器，其特征在于，包括金属外壁(10)、金属内芯(11)、外部耦合结构(12)、内部耦合结构(13)和周期性分布的介质支撑条(14)；所述金属内芯(11)通过介质支撑条(14)悬置在金属外壁(10)构成的空气腔中；所述金属外壁(10)构成的矩形腔两头较窄，上面开有周期性分布的窗口(101)，矩形腔的两端刻成U槽形状；所述金属内芯(11)为一种中心对称结构，并且它的横截面宽度由中间向两端逐级递减，是由中间向两头经过4级变窄的长条，长条的截面为矩形；所述外部耦合结构(12)和内部耦合结构(13)均为穿过金属内芯(11)的圆柱体，圆柱体的上表面和下表面分别与金属外壁(10)的内腔贴合；所述内部耦合结构(13)相比于外部耦合结构(12)更接近金属内芯(11)的中心；所述介质支撑条(14)贯穿金属内芯(11)，两端插入金属外壁(10)的腔壁中；所述金属内芯(11)最窄的一级与所述金属外壁(10)两端的U型槽共同构成了滤波器的输入输出端口。

2.如权利要求1所述的一种W波段带通滤波器，其特征在于，通过改变金属内芯(11)的截面宽度实现阻抗变换的特性。

3.如权利要求1所述的一种W波段带通滤波器，其特征在于，通过改变外部耦合结构(12)直径的大小，以改变外部耦合的强弱；通过改变内部耦合结构(13)直径的大小，以改变内部耦合的强弱。

4.如权利要求1所述的一种W波段带通滤波器，其特征在于，所述金属外壁(10)和金属内芯(11)共同构成矩形同轴结构，金属外壁(10)和金属内芯(11)的长度相同。

5.如权利要求1所述的一种W波段带通滤波器，其特征在于，采用铜基MEMS工艺制备所述滤波器。

说明书

W波段带通滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及滤波器的技术领域，更具体的说是一种基于3D(3维)矩形同轴结构的W波段带通滤波器。

背景技术

[0002] 随着通信系统的不断发展，微波频段所覆盖的范围已经被使用殆尽，频谱资源日益紧张，人们着眼于更高的频率范围。W波段(即覆盖75‑110GHz的电磁频谱)相比于微波频
段具有更小的波长，这使得W波段通信系统具有以下优势：系统集成化程度高；穿透性强，可
以达到准全天候的标准；可使用的频带宽，提高了通信系统的信道容量；其成像分辨率也大
大提高。滤波器是通信系统中的重要无源器件，它能起到对杂波信号的有效抑制作用，进而
保证整个通信系统高效稳定的工作，所以对于高性能的滤波器设计是十分必要的。由于W波
段电磁波波长短，其辐射损耗增强，微带线结构已经不再适用于W波段滤波器的设计，目前
的设计主要集中在波导结构上，如现有技术，《W‑Band Broadband Waveguide Filter 
Based on H‑Plane Offset Coupling》论文中提出了一种基于波导结构的H面耦合W波段滤
波器。采用波导结构设计的滤波器通常采用机械加工的工艺制作，具有体积大的缺陷，这阻
碍了W波段系统小型化和集成化的设计。

[0003] 本发明中的滤波器基于3D矩形同轴结构，并且采用先进的MEMS(微电子机械系统)制造工艺进行制备。矩形同轴结构具有辐射损耗小，功率容量高的优势；采用MEMS工艺进行
制备，可以使其体积在很大程度上减小，符合小型化的设计要求。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提出一种W波段带通滤波器，该滤波器在实现小型化的同时，保持着插入损耗小、功率容量高的特性。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种W波段带通滤波器，包括金属外壁10、金属内芯11、外部耦合结构12、内部耦合结构13和周期性分布的介质支撑条14；所述金属内芯11通过介质支撑条14悬置在金属外壁
10构成的空气腔中；所述金属外壁10构成的矩形腔两头较窄，上面开有周期性分布的窗口
101，矩形腔的两端刻成U槽形状；所述金属内芯11为由中间向两头经过4级变窄的长条，长
条的截面为矩形；所述外部耦合结构12和内部耦合结构13均为穿过金属内芯11的圆柱体，
圆柱体的上表面和下表面分别与金属外壁10的内腔贴合；所述介质支撑条14贯穿金属内芯
11，两端插入金属外壁10的腔壁中。

[0007] 特别地，通过改变金属内芯11的截面宽度实现阻抗变换的特性。

[0008] 特别地，金属内芯11是一种中心对称结构，并且它的横截面宽度由中间向两端逐级递减。

[0009] 特别地，通过改变外部耦合结构12直径的大小，以改变外部耦合的强弱；通过改变内部耦合结构13直径的大小，以改变内部耦合的强弱。

[0010] 特别地，所述金属外壁10和金属内芯11共同构成矩形同轴结构，金属外壁10和金属内芯11的长度相同。

[0011] 特别地，金属内芯11最窄的一级与金属外壁10两端的U型槽共同构成了滤波器的输入输出端口。

[0012] 特别地，采用铜基MEMS工艺制备所述滤波器。

[0013] 本发明的有益效果为：

[0014] 本发明提供的滤波器在设计上以3D矩形同轴结构为基础，制备上采用先进的铜基MEMS工艺，使得滤波器在保持优异性能的同时体积得到有效的缩减，满足W波段通信系统集
成化和小型化的设计要求。

附图说明

[0015] 图1是滤波器金属外壁结构；

[0016] 图2是滤波器内部结构；

[0017] 图3加工分层示意图；

[0018] 图4是共面波导结构；

[0019] 图5是滤波器S参数仿真结果。

[0020] 附图标号说明：

[0021] 10‑金属外壁；101‑窗口；11‑金属内芯；12‑外部耦合结构；13‑内部耦合结构；14‑介质支撑条。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

[0023] 本发明所述的一种W波段带通滤波器，包括金属外壁10、金属内芯11、外耦合结构12、内部耦合结构13和周期性分布的介质支撑条14。

[0024] 如图1所示，图1是滤波器金属外壁10的结构。其中，(a)图是三维示意图，(b)主视图，(c)俯视图，结合上述几幅图可知，所述金属外壁10所构成的腔体两头较窄，上面开有周
期性分布的窗口101，特别地金属外壁10两端的上半部被去除，形成一种U槽形状。

[0025] 图2是金属内芯11、外部耦合结构12、内部耦合结构13和介质支撑条14的结构示意图。金属内芯11是一种中心对称结构，并且它的横截面宽度由中间向两端逐级递减，一共分
为4级，这种设计可以实现阻抗变换。外部耦合结构12和内部耦合结构13均为圆柱形。通过
改变外部耦合结构直径的大小，以改变外部耦合的强弱；通过改变内部耦合结构直径的大
小，以改变内部耦合的强弱。特别地内部耦合结构13的直径大于外部耦合结构12的直径。介
质支撑条14的数量要根据金属内芯11的宽度和长度来制定，要使介质支撑条14的数量在能
够支撑起金属内芯11的情况下尽可能少，这样可以减小加入介质支撑条14带来的电磁能量
损耗。

[0026] 所述的金属外壁10和金属内芯11共同构成矩形同轴结构，金属外壁10和金属内芯11的长度相同。金属内芯和金属外壁之间填充的是空气，这就减少了此种结构的介质损耗。
由于金属外壁形成了一种较为封闭的空间，其辐射损耗减小；并且由金属构成的3D结构增
加了器件的功率容量。

[0027] 滤波器的制备采用的是铜基MEMS工艺，其工艺流程可以包括以下几步，首先在衬底上涂覆一层光刻胶形成牺牲层；然后使用光刻机对其进行光刻，在牺牲层上制作所需要
的结构；接着采用电化学镀的方法在表面沉积铜并进行平坦化处理，这样就完成了一层结
构的制备。本发明中设计的滤波器需要5层结构，即通过五层结构的叠加形成最终的滤波器
结构，如图3所示，从下到上依次是第一层到第五层，当五层结构叠加完成后，需要用剥离液
将牺牲层去除。特别地，为了剥离液更好的去除牺牲层，需要在金属外壁10上进行周期性的
开窗，窗口101的数量不宜过多也不宜过少，过多会增大辐射损耗，过少会使牺牲层去除不
干净。

[0028] 金属内芯11最窄的一级与金属外壁10两端的U型槽共同构成了滤波器的输入输出端口，如图4所示。在测试时，可以使用地‑信号‑地的探针测试方法；在使用时，可以通过金
丝键合的方式与固态有源芯片互联，即芯片的地与滤波器的地通过金丝相连，芯片的射频
信号输出与滤波器的金属内芯11通过金丝相连。

[0029] 图5是本发明所述滤波器的仿真结果图，此滤波器是一款三阶切比雪夫型滤波器。从S11曲线可以看出，此滤波器具有三个传输极点；从S21曲线可以看出，此滤波器的中心频
点是97.4GHz，3‑dB带宽为7GHz，并且它在3‑dB带宽内的最小插入损耗为0.91dB，损耗较小。

[0030] 特别地，本发明所述滤波器的长度为8.1mm‑8.4mm，宽度为0.85mm‑0.89mm，高度为0.48mm‑0.51mm，所占用的体积较小。

[0031] 上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般
原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领
域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围
之内。