基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器

摘要

本发明公开了一种基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器，包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔分别与上层RDL和下层RDL配合形成正耦合与负耦合结合的交叉耦合。采用本发明能够实现在太赫兹频段下的滤波功能。

权利要求

1.基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器，其特征在于：包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔分别与上层RDL和下层RDL配合形成正耦合与负耦合结合的交叉耦合；

六个所述谐振腔按照输入信号的走向依次设置为：第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔及第六谐振腔；

第一谐振腔分别与第二谐振腔和第四谐振腔相邻，第四谐振腔分别与第一谐振腔和第五谐振腔相邻，第六谐振腔仅与第五谐振腔相邻；

所述交叉耦合结构的实现方式为：第一谐振腔与第四谐振腔之间采用电容负耦合结构；第一谐振腔与第二谐振腔之间、第二谐振腔与第三谐振腔之间、第三谐振腔与第四谐振腔之间、第四谐振腔与第五谐振腔之间、第五谐振腔与第六谐振腔之间均通过开窗的方式实现电感正耦合；

所述第一谐振腔与第二谐振腔之间开设有窗口A、第二谐振腔与第三谐振腔之间开始有窗口B、第三谐振腔与第四谐振腔之间开设有窗口C、第四谐振腔与第五谐振腔之间开设有窗口D、第五谐振腔与第六谐振腔之间开设有窗口E；

所述第一谐振腔与第二谐振腔之间完全贯通，所述窗口A为第一谐振腔与第二谐振腔之间的公共侧边；

所述上层RDL上开设有S型缺口槽a；所述下层RDL上开设有S型缺口槽b，S型缺口槽a和S型缺口槽b的位置对应且二者的方向恰好相反，S型缺口槽a和S型缺口槽b恰好位于第一谐振腔和第四谐振腔的公共侧边上。

说明书

基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器

技术领域

[0001] 本发明属于滤波器技术领域，涉及一种基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器。

背景技术

[0002] 近年来，无线通信的快速发展以及频谱资源的稀缺，使得各种无线通信系统的频率间隔非常近，为了避免各种无线通信系统工作时的互相干扰，需要有一种高选择性频率的器件，且随着第五代移动通信技术的快速发展，毫米波技术由于可实现高速的数据传输成为了5G通信的关键技术之一。而滤波器作为通信系统的关键器件，承担着频率选择的重要作用，对通讯系统的传输质量有着至关重要的影响。微波滤波器作为可实现高性能射频滤波的元件之一，由于其高性能、低成本、小尺寸等优点而备受关注。而兼顾矩形波导高品质因数和低损耗以及微带线小体积、易集成优点的SIW结构对微波器件的发展具有十分重要的意义。

[0003] 硅通孔(TSV)为三维集成电路中的垂直互连线，可实现芯片之间垂直互联。随着TSV技术与芯片主流工艺不断融合，无源器件领域也开始运用此技术，可以再在不减小工艺节点的情况下，能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，基于TSV的滤波器拥有面积小、易于集成和高频特性好等优点。

[0004] 伴随无线通信系统通信频带的升高，无线系统工作频段也逐渐向高频段发展,利用基片集成波导结构设计的射频器件可以实现在太赫兹波段的工作，有良好的带内特性且易于与其他平面结构进行集成，因此对其进行研究。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器,采用该滤波器能够实现在太赫兹频段下的滤波功能。

[0006] 本发明所采用的技术方案是，基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器，包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔分别与上层RDL和下层RDL配合形成正耦合与负耦合结合的交叉耦合。

[0007] 六个谐振腔分别为：第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔及第六谐振腔；

[0008] 第一谐振腔分别与第二谐振腔和第四谐振腔相邻，第四谐振腔分别与第一谐振腔和第五谐振腔相邻。

[0009] 交叉耦合结构的实现方式为：第一谐振腔与第四谐振腔之间采用电容负耦合结构；第一谐振腔与第二谐振腔之间、第二谐振腔与第三谐振腔之间、第三谐振腔与第四谐振腔之间、第四谐振腔与第五谐振腔之间、第五谐振腔与第六谐振腔之间均通过开窗的方式实现电感正耦合。

[0010] 第一谐振腔与第二谐振腔之间开设有窗口A、第二谐振腔与第三谐振腔之间开始有窗口B、第三谐振腔与第四谐振腔之间开设有窗口C、第四谐振腔与第五谐振腔之间开设有窗口D、第五谐振腔与第六谐振腔之间开设有窗口E。

[0011] 第一谐振腔与第二谐振腔之间完全贯通，所述窗口A为第一谐振腔与第二谐振腔之间的公共侧边。

[0012] 上层RDL上开设有S型缺口槽a；所述下层RDL上开设有S型缺口槽b，S型缺口槽a和S型缺口槽b的位置对应且二者的方向恰好相反，S型缺口槽a和S型缺口槽b恰好位于第一谐振腔和第四谐振腔的公共侧边上。

[0013] 本发明的有益效果如下：

[0014] 1.本发明采用硅基衬底，与普遍的硅工艺产品相兼容易于与主流的CMOS电路进行集成，且生产成本较低，且采用硅材料作为衬底，具有较大的介电常数，可以实现太赫兹频段的滤波作用。

[0015] 2.本发明中馈线采用微带线和共面波导相结合的方式，使得以足够小的尺寸实现良好的馈电效果。

[0016] 3.本发明利用直接耦合与S型交叉结构实现的负耦合来完成滤波。

附图说明

[0017] 图1是本发明基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器的三维视图；

[0018] 图2是本发明基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器中上层RDL、TSV和下层RDL连接的俯视图；

[0019] 图3是本发明基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器在HFSS(High Frequency Structure Simulator，高频结构仿真)的仿真曲线图。

[0020] 图中，1.TSV，2.输入RDL端口，3.输出RDL端口，4.上层RDL，5.下层RDL，6.第一谐振腔，7.第二谐振腔，8.第三谐振腔，9.第四谐振腔，10.第五谐振腔，11.第六谐振腔，12.S型缺口槽a，13.S型缺口槽b。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0022] 本发明基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器，如图1、2所示，包括相互平行设置的上层RDL4和下层RDL5，分别作为滤波器电路的高低电平区域，上层RDL4与下层RDL5之间设有硅基衬底；硅基衬底的中心处分布有由TSV构成的六个谐振腔，六个谐振腔与上层RDL4、下层RDL5一起实现正耦合和负耦合结合的交叉耦合拓扑功能，上层RDL的相对两侧分别设有输入RDL端口2和输出RDL端口3。

[0023] 本发明基于TSV的非对称串列形交叉耦合滤波器为六阶，即具有六个谐振腔。六个谐振腔分别为第一谐振腔6、第二谐振腔7、第三谐振腔8、第四谐振腔9、第五谐振腔10及第六谐振腔11；

[0024] 第一谐振腔6与第四谐振腔9采用电容负耦合结构。除此之外，其余相邻的两个谐振腔之间依次通过开窗实现电感正耦合。

[0025] 输入RDL端口2和第一谐振腔6之间的耦合结构与输出RDL端口3和第六谐振腔11之间的耦合结构相同，均采用微带线和共面波导结合的方式实现馈电。

[0026] 输入RDL端口2的尺寸为：长150μm、宽220μm。TSV1的尺寸为：直径10μm、高度100μm。

[0027] 上层RDL4的尺寸为：宽440μm、长773.48μm、厚5μm。为了减小不必要的干扰以及降低成本，下层RDL5由两块金属板连接而成；上层RDL4和下层RDL5均为L形结构。

[0028] 上层RDL4上设有S型缺口槽a12；下层RDL5上设有S型缺口槽b13，S型缺口槽a12和S型缺口槽b13的方向恰好相反，S型缺口槽a12和S型缺口槽b13拼接在一起后形成两个整圆。

[0029] 上层RDL4与输入RDL端口2的连接处、上层RDL4与输出RDL端口3的连接处分别开设有两个共面波导缺缺口；四个共面波导槽缺口具有相同尺寸，均为长20μm、宽5μm。

[0030] 第一谐振腔6与第二谐振腔7之间开设有窗口A、第二谐振腔7与第三谐振腔8之间开始有窗口B、第三谐振腔8与第四谐振腔9之间开设有窗口C、第四谐振腔9与第五谐振腔10之间开设有窗口D、第五谐振腔10与第六谐振腔11之间开设有窗口E。图2中A、B、C、D、E分别为五个窗口的位置。

[0031] 第一谐振腔6包括两个侧边，分别为区域I、区域II及区域III，区域II和区域III组成了第一谐振腔6的一个侧边；输入RDL端口2位于第一谐振腔6的一个侧边；

[0032] 区域I包括从左至右共10个TSV1；区域II包括从上至下从3个TSV1；区域III包括从上至下共3个TSV1；

[0033] 第二谐振腔7包括三个侧边，分别为区域IV、区域V及区域VI，区域IV包括从上至下共计10个TSV1；区域V包括从左至右共计11个TSV1；区域VI包括从上至下共计2个TSV1；窗口B位于区域VI中；窗口A为第一谐振腔6与第二谐振腔7的公共侧边。

[0034] 第三谐振腔8包括四个侧边，分别为区域VI、区域VII、区域IX、区域VIII；

[0035] 区域VII包括从左至右共计10个TSV1；区域IX包括从上至下共计9个TSV1；区域VIII包括从左至右共计5个TSV1；窗口C位于区域VIII中。

[0036] 第四谐振腔8包括四个侧边，分别为区域II、区域III、区域VIII、区域XI、区域X；区域II、区域III加起来组成第四谐振腔8的同一个侧边；

[0037] 区域X包括从左至右共计10个TSV1；区域XI包括从上至下共计4个TSV1，窗口D位于区域XI中；

[0038] 第五谐振腔10包括四个侧边，分别为区域XI、区域XIV、区域XIII及区域XII，区域XIV包括从左至右共计10个TSV1；区域XII包括从左至右共计10个TSV1；区域XIII包括从上至下共计2个TSV1；窗口E位于区域XIII中。

[0039] 第六谐振腔11包括三个侧边，分别为区域XIII、区域XVI、区域XV，输出RDL端口3位于第六谐振腔11的第四个侧边处；

[0040] 区域XVI包括从左至右共计9个TSV1；区域XV包括从左至右共计9个TSV1。

[0041] 如图3所示，本发明实现的滤波器的回波损耗和插入损耗性能都很稳定且优异。该滤波器的中心频率为281GHz，插入损耗(S21)为2dB内的通带频率为262.3GHz～300.7GHz,带内最大插入损耗1.38dB,带内最大回波损耗(S11)13.9dB。并且在低于243.3GHz和高于333.5GHz的频率下，该滤波器回波损耗已经高于25dB。除此之外，该结构利用TSV技术实现了优良的电学特性，其中心频率在281GHz左右，属于太赫兹波段，可适用于5G技术的应用中，以及通信、雷达、电子对抗和天文观测等无线系统中。该滤波器具有性能稳定、小型化、高效率和低损耗等特点，可作为在太赫兹频段内实现其良好带内特性和带外特性的射频滤波元件来进行使用。