CN103326094A - 波导滤波器、其制备方法及通信设备 - Google Patents

波导滤波器、其制备方法及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种波导滤波器、其制备方法及通信设备，涉及通信设备零部件技术领域，解决了由于现有的机加工工艺精度低，导致制备出的高谐振频率的波导滤波器无法满足应用要求的问题。该波导滤波器包括：硅材料制成的基底；基底中形成有具有平坦侧壁的刻蚀空腔，刻蚀空腔的深度不大于0.7毫米，且刻蚀空腔的侧壁与竖直方向的夹角不小于1度；基底上开设有波导口，波导口与刻蚀空腔连通并电连接。

Description

波导滤波器、其制备方法及通信设备
技术领域
本发明涉及通信设备零部件，尤其涉及波导滤波器、其制备方法及通信设备。
背景技术
波导滤波器具有插入损耗低、功率容量大和容易批量生产的特点，工作频率可以达到毫米波波段，因此广泛应用在微波通信设备中。
波导滤波器主要由金属腔体和调谐螺钉构成。其中，金属腔体由至少三个谐振腔组成，调谐螺钉设置在金属腔体的壁上，通过调整调谐螺钉进入金属腔体内的深度可以对波导滤波器的谐振频率进行调整。金属腔体的壁上还开设有矩形的波导口，波导口与谐振腔连通，作为信号的输入或输出端口。
现有的制备波导滤波器的工艺主要为切削加工工艺，这种机加工工艺的精度通常为0.02～0.05mm。随着微波频率的提升，在电磁波的波长线性下降，因此微小的物理尺寸误差会造成电磁谐振频率较大的偏移，使得70～80G滤波器可批量的尺寸精度要求达到10～20μm以下；显然采用现有的机加工工艺制备出的高谐振频率的波导滤波器是无法满足应用要求的。
发明内容
本发明的实施例提供一种波导滤波器、其制备方法及通信设备，解决了由于现有的机加工工艺精度低，导致制备出的高谐振频率的波导滤波器无法满足应用要求的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种波导滤波器，包括：硅材料制成的基底；所述基底中形成有具有平坦侧壁的刻蚀空腔，所述刻蚀空腔的深度不大于0.7毫米，且刻蚀空腔的所述侧壁与竖直方向的夹角不小于1度；所述基底上开设有波导口，所述波导口与所述刻蚀空腔连通并电连接。
第二方面，本发明实施例提供了一种波导滤波器的制备方法，包括：提供硅材料制成的基底；采用微机电系统MEMS加工工艺在所述基底内形成刻蚀空腔，且在所述基底上形成与所述刻蚀空腔连通并电连接的波导口。
第三方面，本发明实施例提供了一种通信设备，包括电路板，所述电路板上安装有上述波导滤波器。
本发明实施例提供的波导滤波器、其制备方法及通信设备中，通过在硅材料制成的基底中形成具有平坦侧壁的刻蚀空腔，刻蚀空腔深度可不大于0.7毫米，且刻蚀形成的空腔侧壁具有不小于1度的倾角，由于刻蚀是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称为：MEMS)加工工艺中核心技术之一，具有1微米的加工精度，因此刻蚀空腔作为波导滤波器的谐振腔，具有较小的尺寸和较高的精度，相对于现有的机加工工艺形成的波导滤波器，尺寸缩小了50倍，精度提高了20倍，不仅获得的性能参数能满足应用要求，且可以实现免调试，从而能显著降低高谐振频率的波导滤波器的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例提供的一种波导滤波器的剖视图；
图2为图1所示的波导滤波器沿A-A剖切后上半部分的仰视图；
图3为图1所示的波导滤波器沿A-A剖切后下半部分的俯视图；
图4为本发明实施例提供的另一种波导滤波器的分解剖视图；
图5为本发明实施例提供的又一种波导滤波器的分解剖视图；
图6为本发明实施例提供的一种波导滤波器的制备方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的另一种波导滤波器的制备方法的流程图；
图8为本发明实施例提供的又一种波导滤波器的制备方法的流程图；
图9为本发明实施例提供的通信设备的剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供了一种波导滤波器，如图1至图3所示，包括硅材料制成的基底21；基底21中形成有具有平坦侧壁的刻蚀空腔22，刻蚀空腔22的深度h不大于0.7毫米，且刻蚀空腔22的侧壁与竖直方向的夹角θ不小于1度；基底21上开设有波导口23，波导口23与刻蚀空腔22连通并电连接。
本发明实施例提供的波导滤波器中，通过在硅材料制成的基底中形成具有平坦侧壁的刻蚀空腔，刻蚀空腔深度可不大于0.7毫米，且刻蚀形成的空腔侧壁具有不小于1度的倾角，由于刻蚀是微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称为：MEMS)加工工艺中核心技术之一，具有1微米的加工精度，因此刻蚀空腔作为波导滤波器的谐振腔，具有较小的尺寸和较高的精度，相对于现有的机加工工艺形成的波导滤波器，尺寸缩小了50倍，精度提高了20倍，不仅获得的性能参数能满足应用要求，且可以实现免调试，从而能显著降低高谐振频率的波导滤波器的制造成本。
具体地，MEMS是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，而MEMS加工工艺是在半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的基础上衍生出来的，其加工精度可以达到1微米。
图3所示的波导滤波器是本发明的一个具体的实施方式，其中设置了3个波导口23，左侧两个相邻的波导口23中，标识为TX的波导口23作为信号接收端，标识为RX的波导口23作为信号发送端，右侧标识为ANT的波导口23作为天线端。该波导滤波器在通信电路中用作双工器。图3中虚线箭头所指的方向是信号传输的方向。
当然，本发明并不限于此，波导口可以有两个，使得该波导滤波器只具有单向滤波的功能，波导口也可以有多个，使得该波导滤波器能用作多工器或合路器。
图3所示的波导滤波器设置了3个波导口23，为了保证该波导滤波器的输入阻抗与输出阻抗匹配，防止高频信号在基底21内被反射，图2中，在与天线端相邻的基底21内会设置匹配节25，该匹配节25是位于基底21内的突起，可以是矩形、三角形或其它不规则形状，尺寸也不限于图2所示，只要能起到阻抗匹配的作用即可。
需要说明的是：图1中刻蚀空腔22的截面形状为梯形，且在水平面上水平排布，如本领域技术人员所知，本发明并不限于此，谐振腔的截面形状也可以是三角形或其它刻蚀获得的形状，且谐振腔可以同时在水平面和与水平面垂直的方向上立体排布。
相邻的谐振腔之间通过耦合窗24耦合，耦合窗的大小也是决定波导滤波器性能的一个重要参数，可以根据需要进行设计。
图1所示的波导滤波器中，基底21可以如图4所示，包括底板211、第一基板212和第一盖板213。第一基板212中设有刻蚀通孔41，波导口23设置在第一盖板213中，且在底板211、第一基板212和第一盖板213的表面镀覆有导电层42；当底板211和第一盖板213分别覆盖在刻蚀通孔41的两端并与第一基板212键合时，形成与波导口23连通并电连接的刻蚀空腔。
该实施方式采用三层结构的基底21，由于其中的第一基板212中形成的刻蚀通孔41最终会作为刻蚀空腔，因此只需要选择合适厚度的第一基板212，就可以确定刻蚀空腔的深度，使所形成的刻蚀空腔的深度较易控制。
其中，第一基板可以为单层硅片或多层硅片的堆叠，多层硅片中相邻的硅片键合在一起，以保证各硅片的导电性能一致。硅片可以选用直径范围2寸以上，厚度范围在100微米至2毫米之间的低阻硅片、高阻硅片或纯度较低的硅片。因为纯度较低的硅片价格较低，所以选用纯度较低的硅片可以降低波导滤波器的制备成本。
图1所示的波导滤波器中，基底21还可以如图5所示，包括第二基板214和第二盖板215；第二基板214中设有刻蚀凹槽51，波导口23设置在第二盖板215中，且在第二基板214和第二盖板215的表面镀覆有导电层52；当第二盖板215覆盖在刻蚀凹槽51的开口侧并与第二基板键合时，形成与波导口23连通并电连接的刻蚀空腔。
该实施方式采用两层结构的基底21，可以减少波导滤波器的制造步骤，从而降低成本。
其中，第二基板214为单层硅片或多层硅片的堆叠，多层硅片中相邻的硅片键合在一起，以保证各硅片的导电性能一致。硅片可以选用直径范围2寸以上，厚度范围在100微米至2毫米之间的低阻硅片、高阻硅片或纯度较低的硅片。因为纯度较低的硅片价格较低，所以选用纯度较低的硅片可以降低波导滤波器的制备成本。
需要说明的是：图1、图4和图5所示的波导滤波器的波导口均设置在盖板上，但本发明不限于此，波导口的位置可以根据实际使用的需要设计在其它位置，如基板的侧壁上。
上述实施例提供的波导滤波器中，导电层的材料可以为金、银、铜、铝、钯、镍、钛、铬中任意一种或多种的组合。导电层也可以为多层金属层的堆叠，例如导电层为两层金属层的堆叠，第一层为铝层，第二层为银层。多层金属层的堆叠可以提高波导滤波器表面的导电性能。
而且，多层金属层中的相邻金属层间可以设置有绝缘层，例如在堆叠的铝层和银层之间设置绝缘层，这样设置可以减小波导滤波器的趋肤效应。
本发明实施例还提供了一种波导滤波器的制备方法，如图6及图1至图3所示，该方法包括如下步骤。
601、提供硅材料制成的基底21。
602、采用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称为：MEMS)加工工艺在基底21内形成刻蚀空腔22，且在基底21上形成与刻蚀空腔22连通并电连接的波导口23。
具体地，MEMS是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，而MEMS加工工艺是在半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的基础上衍生出来的，其加工精度可以达到1微米。
本发明实施例提供的波导滤波器的制备方法中，由于采用了高加工精度的MEMS加工工艺，相对于现有的机加工工艺，精度提高了20倍，因此制备出的高谐振频率的波导滤波器能满足应用要求，且由于该波导滤波器的制备精度较高，可以实现免调试，从而能显著降低高谐振频率的波导滤波器的制造成本。
需要说明的是：图1至图3中刻蚀空腔22的截面形状为梯形，且在水平面上水平排布，如本领域技术人员所知，本发明并不限于此，刻蚀空腔的截面形状也可以是三角形或其它不规则的形状，且刻蚀空腔可以同时在水平面和与水平面垂直的方向上立体排布，只要采用MEMS加工工艺能够制造获得，且能达到波导滤波器性能指标要求的刻蚀空腔形状和排布均能用于本发明。
作为上述波导滤波器的制备方法的进一步细化，本发明实施例还提供了两种波导滤波器的制备方法，下面分别参照附图对两种制备方法进行描述。
如图4和图7所示，波导滤波器的制备方法包括如下步骤。
701、提供基底21，该基底21包括底板211、第一基板212和第一盖板213。
702、借助第一光刻掩膜在第一基板212上刻蚀第一通孔41。
703、借助第二光刻掩膜在第一盖板213上刻蚀第二通孔。
704、在底板211、第一基板212和第一盖板213的表面镀覆导电层42。
705、将底板211和第一盖板213分别覆盖在第一通孔的两端并与第一基板212键合，以在基底21内形成由第一通孔41构成的刻蚀空腔，第二通孔与刻蚀空腔连通并电连接，以作为波导口23。
通过将表面镀覆导电层42的底板211、第一基板212和第一盖板213键合，可以实现基底21的内外表面金属化，从而实现基底21表面的电连通，使得电磁波在基底21内沿指定的线路传播。
当波导口的个数为3个时，假设图4中右侧的波导口23需作为天线端使用，使用图7所示的方法制造该具有3个波导口的波导滤波器时，在第一基板212上刻蚀第一通孔的同时，可以在第一基板212内形成标记25所指的匹配节，从而在将底板211、第一基板212和第一盖板213键合后，保证波导滤波器输入阻抗和输出阻抗的匹配。
其中，第一基板212可以为单层硅片或多层硅片的堆叠，多层硅片中相邻的硅片键合在一起，以保证各硅片的导电性能一致。硅片可以选用直径范围2寸以上，厚度范围在100微米至2毫米之间的低阻硅片、高阻硅片或纯度较低的硅片。因为纯度较低的硅片价格较低，所以选用纯度较低的硅片可以降低波导滤波器的制备成本。
图8为本发明实施例提供的另一种波导滤波器的制备方法的流程图，参见图5和图8，该方法包括如下步骤。
801、提供基底21，基底21包括第二基板214和第二盖板215。
802、借助第三光刻掩膜在第二基板214上刻蚀凹槽51。
803、借助第四光刻掩膜在第二盖板215上刻蚀第三通孔。
804、在第二基板214和第二盖板215的表面镀覆导电层52。
805、将第二盖板215覆盖在刻蚀凹槽51的开口侧并与第二基板214键合，以在基底21内形成由刻蚀凹槽51构成的刻蚀空腔，第三通孔与刻蚀空腔连通并电连接，以作为波导口23。
通过将表面镀覆导电层52的第二基板214和第二盖板215键合，可以实现基底21的内外表面金属化，从而实现基底21表面的电连通，使得电磁波在基底21内沿指定的线路传播。
当波导口的个数为3个时，假设图5中右侧的波导口23需作为天线端使用，使用图8所示的方法制造该具有3个波导口的波导滤波器时，在第二基板214上刻蚀凹槽51的同时，可以在第二基板214内形成标记25所指的匹配节，从而在将第二基板214和第二盖板215键合后，保证波导滤波器输入阻抗和输出阻抗的匹配。
其中，第二基板214可以为单层硅片或多层硅片的堆叠，多层硅片中相邻的硅片键合在一起，以保证各硅片的导电性能一致。硅片可以选用直径范围2寸以上，厚度范围在100微米至2毫米之间的低阻硅片、高阻硅片或纯度较低的硅片。因为纯度较低的硅片价格较低，所以选用纯度较低的硅片可以降低波导滤波器的制备成本。
需要说明的是：图4和图5所示的波导滤波器的波导口均设置在盖板上，但本发明不限于此，波导口的位置可以根据实际使用的需要设计在其它位置，如基板的侧壁上。波导滤波器结构不同，相应的制备方法也会发生一些变化，不限于上述两种，只要是能使用MEMS加工工艺制备出所需结构方法步骤均能用于实现本发明。
上述实施例提供的波导滤波器的制备方法中，镀覆导电层的步骤可以采用磁控溅射工艺或电镀工艺。镀覆导电层的目的是让制备的波导滤波器的内外表面都导电，从而使高频信号能够在谐振腔之间传播，并能通过波导滤波器导电的外表面传输给与其电连接的其它元器件。
试验证明，用上述实施例提供的波导滤波器的制备方法，根据预先设计好的尺寸(包括谐振腔长度、高度、耦合窗厚度、耦合窗开口宽度、波导口长度、宽度、匹配节的长度、宽度、高度)制备的波导滤波器，在大于70GHz的频率时，插入损耗小于2.5dB，收发抑制度大于55dB，满足了波导滤波器的射频指标。
本发明实施例还提供了一种通信设备，如图9所示，该通信设备包括电路板91，电路板91上安装有上述实施例描述的波导滤波器92。由于该波导滤波器92相对于现有的机加工工艺形成的波导滤波器，尺寸减小了50倍，精度提高了20倍，不仅能满足应用要求，且可以实现免调试，从而能显著降低制造成本。
图9所示的波导滤波器92与电路板91的安装方式可以为焊接或压接。为了保证波导滤波器92的波导口93与电路板91上对应的端口准确定位，可以采用在电路板91上挖槽，并在电路板91上设置3个或3个以上的限位点(图中未示出)。电路板91上还安装有通信芯片94，与波导滤波器92的波导口93电连接，以对从波导口93获得的高频信号进行处理，或者将处理过的高频信号通过波导口93传输至波导滤波器92。
图9中，空心箭头下方的波导口93为波导滤波器92的天线端，空心箭头表示该波导口93用于连接天线95，波导滤波器92的天线端下方对应的腔体内设置有匹配节96，以保证该波导滤波器92的输入阻抗与输出阻抗匹配。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种波导滤波器，其特征在于，包括：硅材料制成的基底；
所述基底中形成有具有平坦侧壁的刻蚀空腔，所述刻蚀空腔的深度不大于0.7毫米，且刻蚀空腔的所述侧壁与竖直方向的夹角不小于1度；
所述基底上开设有波导口，所述波导口与所述刻蚀空腔连通并电连接。
2.根据权利要求1所述的波导滤波器，其特征在于，所述基底包括底板、第一基板和第一盖板；
所述第一基板中设有刻蚀通孔，所述波导口设置在所述第一盖板中，且在所述底板、所述第一基板和所述第一盖板的表面镀覆有导电层；当所述底板和所述第一盖板分别覆盖在所述刻蚀通孔的两端并与所述第一基板键合时，形成与所述波导口连通并电连接的所述刻蚀空腔。
3.根据权利要求2所述的波导滤波器，其特征在于，所述第一基板为单层硅片或多层硅片的堆叠，所述多层硅片中相邻的硅片键合在一起。
4.根据权利要求1所述的波导滤波器，其特征在于，所述基底包括第二基板和第二盖板；
所述第二基板中设有刻蚀凹槽，所述波导口设置在所述第二盖板中，且在所述第二基板和所述第二盖板的表面镀覆有导电层；当所述第二盖板覆盖在所述刻蚀凹槽的开口侧并与所述第二基板键合时，形成与所述波导口连通并电连接的所述刻蚀空腔。
5.根据权利要求4所述的波导滤波器，其特征在于，所述第二基板为单层硅片或多层硅片的堆叠，所述多层硅片中相邻的硅片键合在一起。
6.根据权利要求2或4所述的波导滤波器，其特征在于，所述导电层的材料为金、银、铜、铝、钯、镍、钛、铬中任意一种或多种的组合。
7.根据权利要求2或4所述的波导滤波器，其特征在于，所述导电层为多层金属层的堆叠。
8.根据权利要求7所述的波导滤波器，其特征在于，所述多层金属层中的相邻金属层间设置有绝缘层。
9.一种波导滤波器的制备方法，其特征在于，包括：
提供硅材料制成的基底；
采用微机电系统MEMS加工工艺在所述基底内形成刻蚀空腔，且在所述基底上形成与所述刻蚀空腔连通并电连接的波导口。
10.根据权利要求9所述的波导滤波器的制备方法，其特征在于，所述基底包括底板、第一基板和第一盖板；
所述采用MEMS加工工艺在所述基底内形成刻蚀空腔，且在所述基底上形成与所述刻蚀空腔连通并电连接的波导口具体包括：
借助第一光刻掩膜在所述第一基板上刻蚀第一通孔；
借助第二光刻掩膜在所述第一盖板上刻蚀第二通孔；
在所述底板、所述第一基板和所述第一盖板的表面镀覆导电层；
将所述底板和所述第一盖板分别覆盖在所述第一通孔的两端并与所述第一基板键合，以在所述基底内形成由所述第一通孔构成的所述刻蚀空腔，所述第二通孔与所述刻蚀空腔连通并电连接，以作为所述波导口。
11.根据权利要求9所述的波导滤波器的制备方法，其特征在于，所述基底包括第二基板和第二盖板；
所述采用MEMS加工工艺在所述基底内形成刻蚀空腔，且在所述基底上形成与所述刻蚀空腔连通并电连接的波导口具体包括：
借助第三光刻掩膜在所述第二基板上刻蚀凹槽；
借助第四光刻掩膜在所述第二盖板上刻蚀第三通孔；
在所述第二基板和所述第二盖板的表面镀覆导电层；
将所述第二盖板覆盖在所述刻蚀凹槽的开口侧并与所述第二基板键合，以在所述基底内形成由所述刻蚀凹槽构成的所述刻蚀空腔，所述第三通孔与所述刻蚀空腔连通并电连接，以作为所述波导口。
12.根据权利要求10或11所述的波导滤波器的制备方法，其特征在于，所述镀覆导电层采用磁控溅射工艺或电镀工艺。
13.一种通信设备，包括电路板，其特征在于，所述电路板上安装有权利要求1-8任一项所述的波导滤波器。
14.根据权利要求13所述的通信设备，其特征在于，所述波导滤波器与所述电路板的安装方式为焊接或压接。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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