CN101295808A

CN101295808A - 一种可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法

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Publication number: CN101295808A
Application number: CNA2007101030095A
Authority: CN
Inventors: 倪其良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-29
Filing date: 2007-04-29
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2027-04-29
Also published as: CN101295808B

Abstract

本发明为一种以有限宽度背面导体共面波导结构来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其是依照所述的共面波导结构，并以特殊波导与连接孔洞(Via Holes)金属柱体(Metallic Post)的结构图(Configurations)的安排，以选择特定频率的共面波导电磁波模态(Modes)，与相关电磁波模态，以完成宽带滤波器的设计；此设计方法可以应用在单层或多层介质如集成电路(Integrated Circuits)，薄膜晶体管电路，低温或高温共烧陶瓷(LTCC/HTCC)，PCB，PC软板等不同的金属介电材料上做滤波器的设计与制造，并能加上开关(Switches)装置，以达成以电讯改变或选择频率与滤波器类别的功能；此设计进一步可以运用在电路的阻抗匹配，达到在预定频率功率传输的最佳化。

Description

一种可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法

技术领域

本发明涉及的是一种以有限宽度背面导体共面波导结构来设计滤波器的设计方法，尤指一种可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法。

背景技术

随着电讯业的快速发展，各种不同的电讯产品，如手机、无线网络(WiFi，WiMAX)、无线识别(RFID)、数字电视等，在收发所使用的频段与规格上，因不同国别与不同标准，互有差异。随着产品技术的发展，研发与业界正朝着功能整合的方向迈进。在此趋势中，用在选择或阻断特定频率的可调频宽带滤波器是关键性的电子组件的一。此类电讯产品随着可携式无线产品的大量需求的趋势，朝着短小轻薄的微型化方向发展。

滤波器微型化随着系统包装化(System On Package，SOP)与系统芯片化(System On Circuit，SOC)的趋势，在设计上有有不同的发展。在系统包装化方面，新一代的滤波器及其它主动与被动组件，如集成电路与天线整合在低温或高温共烧陶瓷(LTCC)包装内。在系统芯片化方面，主动式的滤波器随着高Q值芯片电感研发，稳定发展(参见W.Kuhn，etal“DynamicRangePerformanceofOn-ChipRFBandpassFilter”，IEEETrans.OnCircuitsandSystems，Vol.50，No.10，Oct2003，pp.685-694)。

近年来，微型化的努力应用光能隙(Photonic Band Gap，PBG)或电磁能隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)在基板上以周期性结构设计带通与带阻的频段，或用以抑制高次谐波(参见Y.Qian，V.Radisic，andT.Itoh，“Simulationandexperimentofphotonicband-gapstructuresformicrostripcircuits”，Asia-PacificMicrowaveConf.，HongKong，Dec.1997，pp.585-588)。另有以缺陷接地结构(Defected Ground Structure，DGS)(参见C.Kim，etal，“ANovell-Dperiodicdefectedgroundstructureforplanarcircuits”，MicrowaveandGuidedWaveLetters，Vol.10，Issue4，April2000，pp.131-133)产生接地共振腔，加上与传输间的耦合效果，部分共振频率的能量便被接地层所吸收，形成带阻(BandStop)的效果。

微型化却无直接满足可变换类别与可调频宽带滤波器的新需求。本发明采取微型化技术以新的结构与设计方法以达成此宽带可换类别与可调频滤波器的功能。本发明所参考的背景技术为：

有限宽度背面导体的共面波导。

连接孔洞(Via Holes)。

开关装置(如PIN二极管、FET晶体管、薄膜晶体管、微机电MEMS等)。

共面波导由C.P.Wen在1969提出后，因为可以应用在微波集成电路(MMIC)信号的馈入与传导，受到重视与广泛研发。例如本案发明人在1990设计以共面波导馈入高频与宽带微带天线(参见D.Ni，etal，“Millimeter-Wave GenerationandCharacterization of a Ga As FET by Optical Mixing”，IEEE Tran.On MicrowaveTheory and Techniques，Vol.38，No.5，May，1990，pp.608-614)。一般集成电路芯片都焊在有限体积的金属与介电质包装内，所以有限宽度背面导体的共面波导受到详细的研究。例如下列研究论文：

M.Riaziat，I.Feng，R.Majidi-Ahy，and B.Auld，“Single-Mode Operation of CoplanarWaveguides”，Electronic Letters，Nov.19，1987，Vol.23，No.24，pp.1281-1283；

C-C.Tien，C-K.C.Tzuang，S.T.Peng，and C-C.Chang，”Transmission Characteristicsof Finite-Width Conductor-Backed Coplanar Waveguide”，IEEE Trans.On MicrowaveTheory and Techniques，Vol.41，No.9，Sept.1993，pp.1616-1624；

近年来由于系统包装化的发展，许多被动组件与主动组件都整合在次厘米(Sub-Millimeter)厚多层低温共烧陶瓷(LTCC)包装内，共面波导及其它波导的传导特性再受到研发的重视。

连接孔洞(Via Holes)在高频微波集成电路扮演着重要的角色。近年来由于多层低温共烧陶瓷包装的发展，相当多的研究在于参数，如电感与电容，与干挠的计算与测量。例如下列研究论文：

K.L.Finch and N.G.Alexopoulos，“Shunt Postsin Micro strip TransmissionLines”，IEEETrans.On Microwave Theory and Techniques，Vol.38，No.11，Nov.1990，pp1585-1594；

M.E.Gold farb and R.A.Pucel，“Modeling Via Hole Ground sin Microstrip”，IEEEMicrowave and Guided Wave Letters，Vol.1，No.6，June 1991，pp.135-137；

E.Laermans，J.D.Geest，D.Zutter，F.Olyslager，S.Sercu，and D.Morlion，“ModelingDifferential Via Holes”，IEEE Trans.On Advanced Packaging，Vol.24，No.3，August2001

这些研究中有在微带波导以连接孔洞接地来形成固定频率的带通滤波器(Band pass Filter)。

随着多层陶瓷的发展，连接孔洞有相当广泛的用途，例如：

1)隔离波导间信号干挠；

2)形成多层介质共振腔的电感壁；

3)形成多层介质的接地壁；

4)以连接孔洞的长度与半径大小来调整电感与电容值用在阻抗匹配。

下列研究论文与专利说明这些用途：

J.A.Ruiz-Cruz，Y.Zhang，K.A.Zaki，A.J.Piloto，and J.Tallo，″Ultra-Wide band LTCCRidge Waveguide Filters″；与美国专利5689216，美国专利6137383，美国专利7053729B2，美国专利7113060B2，美国专利7170373B2，美国专利7142074B2。

可调频的功能一般以开关装置(如PIN二极管、FET晶体管、薄膜晶体管、微机电MEMS等)来连接不同频率反应的模块。可调频共面波导滤波器以PIN二极管与微机电MEMS以连接或选择固定共振腔或波导图式。由于固定共振腔或波导图式的实体大小的限制，可调变的频率范围有其限制。利用磁性介质，如BSTO(Barium Strontium Titanate Oxide)，可改变阻抗来调变频率，但也有其它的限制，如频率反应与可调频宽。下列研究论文与专利详加说明这些用途：美国专利5142255，美国专利5693429，美国专利6606017，美国专利7148770。

发明内容

本发明主要目的乃在于提供一种以有限宽度背面导体共面波导结构(Finite-Width Conductor-Backed Coplanar Waveguide Structures)来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其是依照所述的共面波导结构，并以特殊波导、连接孔洞(Via Holes)金属柱体(Metallic Post)的结构图(Configurations)的安排，以选择特定频率的共面波导电磁波模态(Modes)，与相关电磁波模态，如类微带电磁波模态(Micro strip-Like Modes，MSL)之间的耦合与能量转换，以完成宽带滤波器如带阻(Band Stopor Band Reject)，带通(Band Pass)，多带(Multi-Band)滤波器等的设计。

本发明再一目的乃在于提供一种以有限宽度背面导体共面波导结构来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其是可以应用在单层或多层介质如集成电路(Integrated Circuits)，薄膜晶体管电路，低温或高温共烧陶瓷(LTCC/HTCC)，PCB，PC软板等不同的金属与介电材料上做滤波器的设计与制造。

本发明又一目的乃在于提供一种以有限宽度背面导体共面波导结构来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其是利用加上开关(Switches)装置，以达成以电讯改变或选择频率与滤波器类别的功能。

本发明另一目的乃在于提供一种以有限宽度背面导体共面波导结构来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其进一步可以运用在电路的阻抗匹配，达到在预定频率功率传输的最佳化。

附图说明

图1是本发明有限宽度背面导体的共面波导的结构图一实施例图；

图2是显示图1连接孔洞结构的俯视面图；

图3是显示图1连接孔洞结构的结构剖面图，其具有单层介电质且所述的连接孔洞金属柱体与金属地线波导与背面导体连接；

图4是具有连接孔洞有限宽度背面导体的共面波导等效电路图；

图5是加上开关的具有连接孔洞有限宽度背面导体的共面波导等效电路图；

图6是砷化镓集成电路有限宽度背面导体的共面波导传导S21、S11与S22图；

图7是砷化镓集成电路电路带阻滤波器的S21、S11与S22图；

图8是砷化镓集成电路电路带阻滤波器频率反应图；

图9是显示连接孔洞结构的又一实施例剖面图，其具有单层介电质且所述的连接孔洞金属柱体与金属背面导体不连接；

图10是显示连接孔洞结构的另一实施例剖面图，其具有两层介电质且所述的连接孔洞金属柱体与金属背面导体不连接；

图11是具有连接孔洞而连接孔洞金属柱体与金属背面导体不连接的有限宽度背面导体的共面波导等效电路图；

图12是显示连接孔洞结构的另一实施例剖面图，其具有单层介电质且所述的连接孔洞金属柱体是形成两段分离结构且与金属地线波导与金属背面导体不连接。

附图标记说明：101-金属信号波导(或中心导体)；102-金属地线波导(或接地导体)；103-金属地线波导(或接地导体)；104-金属背面导体；105-连接孔洞(ViaHoles)金属柱体(Post)；106-连接孔洞(Via Holes)金属柱体(Post)；107-介电质；108-无金属地线波导覆盖的介电质界面；109-无金属地线波导覆盖的介电质界面；110-金属信号波导与金属地线波导间的介电质界面；111-金属信号波导与金属地线波导间的介电质界面；112-介电质(多层介电质的实例)；401-金属信号波导的电感等效电路；402-金属地线波导的电感等效电路；403-接地的金属背面导体的等效电路；404开关。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

图1是本发明有限宽度背面导体的共面波导结构的一实施例图，图2是显示图1结构的俯视图，图3是显示图1结构的剖面图，其中，101为金属信号波导；102、103分别为金属地线波导；104为金属背面导体；105、106为地线波导与金属背面导体104之间的连接孔洞金属柱体，107为介电质；108、109为无金属地线波导覆盖的介电质界面；110、111分别为金属信号波导101与金属地线波导102、103之间的介电质界面；而此实施例的结构是具有单层介电质107，且所述的连接孔洞金属柱体105、106是分别与金属地线波导102、103与金属背面导体104连接。所述的连接孔洞金属柱体105、106可以直接与金属背面导体104接触如图3所示，或不直接与金属背面导体104接触如图9、图10所示；或连接孔洞金属柱体105、106可形成多段分离结构且不直接与金属地线波导102，103与金属背面导体104接触如图12所示。

本发明是以有限宽度背面导体的共面波导的结构(如图1所示)，依据下列方法设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，兹参考图1、图2、图3所示，说明本发明的步骤如下：

<1>、金属信号波导(或中心导体)101以频段的中心频率，模态匹配与转换做为设计的考虑；利用介电质107的长度(L)，宽度(W)，厚度(H)，信号导宽波度(Ws)，金属地线波导102、103的宽度(Wg)，无金属地线波导覆盖的介电质界面108、109的宽度(Wd)，金属信号波导(或中心导体)101与金属地线波导102、103的距离(G)，与相对介电质系数(εr)的调整以达成频段与频宽最佳化设计。

<2>、利用金属地线波导102、103与金属背面导体104与两者之间穿过介电质107的金属连接孔洞(ViaHoles)金属柱体(Post)105、106的结构图(Configuration)选择电磁波模态与决定滤波器类别；利用改变在金属地线波导102、103与金属背面导体104与两者之间穿过介电质107的连接孔洞金属柱体105、106的结构图与半径，以达成共面波导阻抗的匹配；又所述的连接孔洞金属柱体105、106可以直接与金属背面导体104接触如图3所示，或不直接与金属背面导体104接触如图9、10所示；或不直接与金属地线波导102，103与金属背面导体104接触如图12所示；又设在金属地线波导102、103与金属背面导体104两者之间的介电质可设计为具有单层介电质107如图3、图9所示，或两层介电质107、112如图10所示，或两层以上的多层介电质(图未示)。

<3>、在金属地线波导102，103与连接孔洞金属柱体105、106之间或连接孔洞金属柱体105、106与金属背面导体104之间设置复数组开关，来改变在金属地线波导102、103，金属背面导体104与两者之间的连接孔洞金属柱体105、106的结构图(Configuration)，以调变滤波器的中心频率。

<4>、在金属地线波导102，103与连接孔洞金属柱体105、106之间或连接孔洞金属柱体105、106与金属背面导体104之间设置复数组开关，来改变在金属地线波导102、103、金属背面导体104与两者之间的连接孔洞金属柱体105、106的结构图(Configuration)，以改变滤波器的类别如带通，带阻，多频，低通(LowPass)，高通(High Pass)等。

本发明与一般固定特性与可调变滤波器的设计与结构上的主要差别在于：

共面波导的金属信号波导(或中心导体)101在改变滤波器的类别或调变滤波器的中心频率时其结构图(Configuration)维持不变。此特性让本发明的结构比其它已知结构更能处理宽带信号。

金属地线波导102、103，金属背面导体104与两者之间穿过介电质的金属连接孔洞金属柱体105、106的结构图(Configuration)能提供充分的可调变的参数组合，充份提供宽带网络的阻抗匹配的达成，利于设计可变换类别与可调频的宽带滤波器。

加上的开关不直接与共面波导的金属信号波导(或中心导体)连接，简化结构与信号隔离问题。

凭借连接孔洞金属柱体105、106的金属圆柱所产生的电感，可以参照上列电感或是电容计算与测量论文所提出或类似的公式计算的。例如：

L＝(μ0/2π){Hxln[(H+(R2+H2)1/2)/R]+3/2[R-(R2+H2)1/2]}

其中，L代表电感，μ0为介磁系数，H为连接孔洞柱体高度，R为连接孔洞金属柱体半径。

再参考图4所示，其是显示连接孔洞金属柱体105、106直接与金属背面导体104接触如图3所示时的等效电路图，其中，401为金属信号波导101的电感等效电路；402为金属地线波导102、103的电感等效电路；403为接地的金属背面导体104的等效电路；金属地线波导102、103与金属背面导体104之间由于不同设计结构图(Configuration)产生的一系列的等效共振腔，以电容电感(LC)电路表示。连接孔洞金属柱体105、106所产生的共振腔，加上与传输间的耦合效果，部分共振频率的能量便被接地层所吸收，形成带阻(Band Stop)的效果。如果能利用相邻谐波(Harmonics)的带阻效果，可形成带通(Band Pass)滤波器、多频滤波器等；又图11显示连接孔洞金属柱体105、106不直接与金属背面导体104接触时如图9、图10所示的等效电路图。

图5是表示图4中加上开辟的等效电路；401为金属信号波导的电感等效电路；402为金属地线波导的电感等效电路；403为接地的金属背面导体的等效电路；404为开关。一般开关组件不但会有寄生电容与电感，并且须加以电压与电流来产生与维持接通或断路的状态。已知可变类别或可调频的滤波器都将开关组件直接连接到信号传输导体上(如本发明所指的金属信号波导401)，这会引起滤波器特性的变化，增加制造的成本。本发明将开关组件连接在金属地线波导102、103，可以避免这些问题与降低相当比例的制造成本。

依照图2俯视图为本发明的设计方法用在砷化镓集成电路电路带阻滤波器的设计实例。共面波导的设计主要将电磁波能量集中在金属信号波导101与金属地线波导102、103之间。本发明以选择部分共振频率的能量便由金属信号波导101耦合至金属地线波导102、103，再经由金属连接孔洞金属柱体105、106连接到金属背面接地导体104；决定其共振频率的选择性，耦合效率，与电磁模态的传导，图2中，长度(L)，宽度(W)，厚度(H)，金属信号导宽波度(Ws)，金属地线波导宽度(Wg)，介电质宽度(Wd)，金属信号波导101与金属地线波导102、103之间距离(G)等设计参数的比例与相对介电系数(εr)如下：

长度(L)：10

宽度(W)：15

厚度(H)：10

信号导宽波度(Ws)：1

地线波导宽度(Wg)：3

介电质宽度(Wd)：3

信号导宽波度与地线波导距离(G)：3

相对介电质系数(εr)：12.9(砷化镓)

图6为砷化镓集成电路共面波导(无连接孔洞柱体)的S21、S11与S22图。此图显示以上列参数的比例与相对介电系数所产生的单一电磁模态，且信号强度无衰减的反应。

图7显示加上金属连接孔洞金属柱体105、106的结构图后的频率带阻滤波器的S21、S11与S22图。以上列参数的比例与相对介电系数设计，其带阻衰减20dB(分贝)以上。图6可视为连接所述的连接孔洞金属柱体结构图的开关为断路，图7可视为连接所述的金属连接孔洞金属柱体结构图的开关为闭路导通。图8为改变连接孔洞金属柱体结构图所产生不同中心频率的带阻滤波器的中心频率与衰减量分布图范例，其可调变频率超过30GHz。图7与图8显示其可调频的宽带特性。

综合上述，本设计方法包含以下的步骤：

金属信号波导以频段的中心频率与电磁模态匹配做为决定长度(L)，宽度(W)，厚度(H)，金属信号导宽波度(Ws)，金属地线波导宽度(Wg)，介电质宽度(Wd)，金属信号波导与金属地线波导距离(G)比例的设计的考虑；

决定频宽与对应在利用金属地线波导与金属背面导体与两者之间的连接孔洞柱体结构图(Configuration)的设计以决定；

利用金属地线波导的开关结构设计为决定可调变频率或可变换类别的宽带滤波器的机制。

以上所示仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种利用有限宽度背面导体的共面波导结构设计宽带滤波器的设计方法，其特征在于：包含下列步骤：

以滤波器频段宽度，中心频率、电磁波模态匹配与转换做为有限宽度背面导体的共面波导长度，宽度，厚度，金属信号波导宽波度，金属地线波导宽度，介电质宽度，金属信号导宽波度与金属地线波导距离比例；

利用金属地线波导、金属背面导体与两者之间由复数组的金属连接孔洞金属柱体所形成的结构图所产生的参数组合，以调整所产生复数组的等效共振腔；

利用所述的复数组的等效共振腔以选择特定频率的复数组的共面波导电磁波模态，凭借金属信号波导与金属地线波导的耦合，将所述的特定频率的复数组的共面波导电磁波模态，转换成为相关复数组的电磁波模态；

利用金属地线波导与金属背面导体间连接孔洞金属柱体的导通，部份从金属信号波导耦合至金属地线波导的相关复数组的电磁波模态被金属背面导体接地层所吸收，以产生滤波效果。

2.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的设计方法所使用的金属为任何可导通电流的材料，其所使用的介电质为任何可导通电磁波的材料。

3.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的设计方法不限定在特定的频率范围。

4.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的设计方法不限定在特殊的滤波器种类。

5.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的金属地线波导与金属背面导体及其它组件共同使用。

6.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：设在金属地线波导与金属背面导体之间的介电质为单层或多层。

7.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的连接孔洞金属柱体可直接与金属地线波导与金属背面导体连接，或不直接与金属地线波导与/或金属背面导体接触。

8.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述的连接孔洞金属柱体为多段分离结构。

9.根据权利要求1的设计方法，其特征在于：所述波导或滤波器与被动组件，与/或主动组件整合成次系统。

10.根据权利要求9的设计方法，其特征在于：所述的波导或滤波器调整所述的次系统的阻抗匹配。

11.一种利用根据权利要求1的设计方法来设计可变换类别与可调频的宽带滤波器的设计方法，其特征在于：包含下列步骤：

利用金属地线波导与金属背面导体间连接孔洞金属柱体的导通，部份从金属信号波导耦合至金属地线波导的相关复数组的电磁波模态被金属背面导体接地层所吸收，以产生滤波效果；与进一步

在金属地线波导与连接孔洞金属柱体之间或连接孔洞金属柱体与金属背面导体之间设置复数组开关，用以切断或导通金属地线波导与金属背面导体之间的复数组连接孔洞金属柱体，以改变所述的结构图，并以改变滤波器的特性。

12.根据权利要求11的设计方法，其特征在于：所述的复数组开关的设置位置与/或种类不限制。

13.根据权利要求11的设计方法，其特征在于：将所有连接所述的连接孔洞金属柱体的复数组开关设定为断路或不连接状态，使有限宽度背面导体共面波导结构形成单一功能的波导，而不具有滤波器功能。

14.根据权利要求11的设计方法，其特征在于：利用所述的复数组开关来控制所述的结构图，以设计一可调频率的滤波器。

15.根据权利要求11的设计方法，其特征在于：利用所述的复数组开关来设定所述的结构图，以设计一可变类别的滤波器。

16.根据权利要求11的设计方法，其特征在于：利用所述的方法所设计出的波导或滤波器可与被动组件，与/或主动组件整合成次系统。

17.根据权利要求16的设计方法，其特征在于：利用所述的方法所设计出的波导或滤波器调整所述的次系统的阻抗匹配。