CN103811835B - 微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法，其中，该方法包括：根据指标要求设计圆柱形的圆波导介质尺寸，圆波导介质的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔；在真空环境对圆波导介质加热，对圆波导介质进行金属层溅射处理后生成圆波导，由圆波导组成空腔介质滤波器。本发明微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法，在圆波导谐振器中填充介质材料的现有技术基础上，将金属层直接溅射在填充介质上，使金属层更紧密的涂覆在介质材料上，避免了金属层与填充介质之间存在的空气层，缩小了金属层所占的空间，在保证滤波器滤波指标的同时，实现了滤波器的小型化目标。

Description

微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器，适用于无线电通信领域射频信号传输的滤波器件及其制造方法。

背景技术

在现代各类无线通信设备中，滤波器作为一个常用的部件，在无线信息传输技术中发挥着越来越重要的作用。目前，应用在各类无线通信频段的微波滤波器普遍采用同轴线传输方式来实现。它通常由谐振腔、内导体及相应的调谐螺钉等组成，在性能指标要求低损耗和大功率的同时，谐振腔的体积会相应增大，不仅会耗费大量的原材料，还对其制造和加工工艺提出较高的要求，产品温度稳定性的实现也较为困难。

目前，随着第三代移动通信事业的普及和发展，移动通信器件也朝着小型化和集成化的方向发展。现有的微波低波段高选择性空腔介质滤波器，如申请号为200710135565.0的中国发明专利，在一个型材上根据指标要求设计TM₀₁₀模式（或TE₁₁₁）的圆波导谐振器，圆波导谐振器直径越大，谐振频率越低，两者成反比关系，圆波导谐振器直径越小，谐振频率越高。目前，理想尺寸的圆波导谐振器的谐振频率高于民用移动通信的分配频段，为了降低谐振频率，往往采取增大直径的方式。但该方式与现有的谐振器小型化的需要不相符合。为了实现小型化的目标，在该圆波导谐振器中填充介质材料，以降低其谐振频率。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中为了降低谐振频率所采取增大直径的方式与现有的谐振器小型化的需要不相符合的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法。

根据本发明实施例的微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，包括：

根据指标要求设计圆柱形的圆波导介质尺寸，圆波导介质的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔；

在真空环境对圆波导介质加热，对圆波导介质进行金属层溅射处理后生成圆波导，由圆波导组成空腔介质滤波器。

本发明是为了克服现有技术中为了降低谐振频率所采取增大直径的方式与现有的谐振器小型化的需要不相符合的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法。

根据本发明实施例的微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，包括：

根据指标要求设计矩形波导介质尺寸，在与矩形波导介质的电场方向相垂直的表面开设有在电场方向贯通的频率调节孔；

在真空环境对所述矩形波导介质加热，对矩形波导介质进行金属层溅射处理后生成矩形波导，由矩形波导组成空腔介质滤波器。

本发明是为了克服现有技术中为了降低谐振频率所采取增大直径的方式与现有的谐振器小型化的需要不相符合的缺陷，根据本发明的另一个方面，提出一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器。

根据本发明实施例的微波低波段高选择性空腔介质滤波器，包括：

至少一个圆柱形的圆波导，所述圆波导的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔，圆波导由在真空环境对圆柱形的圆波导介质加热，并对圆波导介质进行金属层溅射处理后生成。

本发明微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法，在圆波导谐振器中填充介质材料的现有技术基础上，将金属层直接溅射在填充介质上，使金属层更紧密的涂覆在介质材料上，避免了金属层与填充介质之间存在的空气层，缩小了金属层所占的空间，在保证滤波器滤波指标的同时，实现了滤波器的小型化目标。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明TM₀₁₀模式的滤波器单体的结构示意图；

图2为本发明TM₀₁₀模式的滤波器双联体的结构示意图；

图3为本发明一种TM₀₁₀模式的三腔滤波器无上下盖板的封装外壳的结构示意图；

图4为本发明一种TM₀₁₀模式的三腔滤波器有上下盖板的封装外壳的结构示意图；

图5为本发明另一种TM₀₁₀模式的三腔滤波器无外盖板的封装外壳的结构示意图；

图6为本发明另一种TM₀₁₀模式的三腔滤波器有外盖板的封装外壳的结构示意图；

图7为本发明TM₀₁₀模式的四腔滤波器无外盖板的封装外壳的结构示意图；

图8为本发明TM₀₁₀模式的四腔滤波器有外盖板的封装外壳的结构示意图；

图9为本发明滤波器的表面金属化工艺流程示意图。

结合附图在其上标记以下附图标记：

1-频率调节孔，2-腔间耦合调节孔，3-输入输出接头，4-频率调节杆，5-腔间耦合调节杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-图8所示，本发明公开了微波低波段高选择性空腔介质滤波器，包括多个圆波导，圆波导的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔1，圆波导由在真空环境对圆柱形的圆波导介质加热，并对圆波导介质进行金属层溅射处理后生成。

本发明的圆波导包括TM₀₁₀和TE₁₁₁的两种模式：

在圆波导为TM₀₁₀模式的情形下，如图2、图7-8所示，圆波导紧邻设置在同一平面内，圆波导在相邻曲面形成磁场耦合，在相邻圆波导的连接处位置设有纵向贯通的腔间耦合调节孔2和横向贯通的腔间耦合窗口（图中未标示），腔间耦合调节孔2与腔间耦合窗口相互贯通。

在圆波导为TM₀₁₀模式的情形下，如图3-图6所示，圆波导上下叠放成一体，圆波导在相邻平面形成电场耦合，在相邻圆波导下表面印制有腔间电场耦合窗口（图中未标示，与频率调节孔1同轴设置，腔间电场耦合窗口的印制面积可以大于频率调节孔1的横截面积）。

在圆波导为TE₁₁₁模式的情形下，圆波导紧邻设置在同一平面内，圆波导在相邻曲面形成电场耦合。

在圆波导为TE₁₁₁模式的情形下，圆波导上下叠放成一体，圆波导在相邻平面形成磁场耦合，在相邻圆波导下表面印制有腔间磁场耦合窗口（图中未标示，与频率调节孔同轴设置，腔间磁场耦合窗口的印制面积可以大于频率调节孔的横截面积）。

如图3-图4的三腔滤波器，在圆波导为TM₀₁₀模式的情形下，由三个圆波导以上下叠放成的方式置于封装外壳之内，由上下盖板封装成一体。其中，三个圆波导的上下第一、第三个圆波导（即邻近上下盖板的圆波导）的频率调节孔在插入频率调节杆进行上下调节的过程中，一方面起到频率调节作用，另一方面起到输入/输出激励的作用，第二个圆波导的频率调节孔在插入频率调节杆进行上下调节的过程中，仅起到频率调节作用。

如图5-图6的三腔滤波器，在圆波导为TM₀₁₀模式的情形下，包括三个圆波导，下层包括两个紧邻设置在同一平面的圆波导，下层的两个圆波导中的一个与上层的一个圆波导以上下叠放的方式组装，邻近外盖板的频率调节孔一方面起到频率调节作用，另一方面起到输入/输出激励的作用，其它频率调节孔仅起到频率调节作用。

如图7-图8的三腔滤波器，在圆波导为TM₀₁₀模式的情形下，包括四个圆波导，下层包括两个紧邻设置在同一平面的圆波导，上层包括两个紧邻设置在同一平面的圆波导，上下两层的圆波导以上下叠放的方式组装，邻近外盖板的频率调节孔一方面起到频率调节作用，另一方面起到输入/输出激励的作用，其它频率调节孔仅起到频率调节作用。

需要说明的是，上述腔间电场耦合窗口和腔间磁场耦合窗口的腔间耦合方式是不占多余体积的，可有效缩小滤波器的体积，利于滤波器的小型化；通过灵活的组合还可以方便实现隔腔耦合，有利于滤波器带外抑制指标的提高。

根据本发明实施例，提供了一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，如图1-图4所示，本方法以圆波导TM₀₁₀模式为例进行说明，包括：

步骤1，根据指标要求设计圆柱形的圆波导介质尺寸，该圆波导介质的纵向方向上开设有纵向方向上贯通的频率调节孔1，该频率调节孔可以位于圆波导介质的上下圆平面的任意位置，但处于圆平面的中央位置（如图1所示），频率调节效果最佳，可以以较少调节圈数达到同样的调节效果；

上述频率调节孔1供设置于上下盖板的接头探针（图中未标示）穿设，起到输入/输出激励的作用。

步骤2，对圆波导介质进行清洗处理后，在真空的环境对上述圆波导介质加热，并在其表面进行溅射处理，先溅射一层钛，厚度为几千埃，以提高圆波导介质与金属层的附着力，再溅射一层金属层，厚度也为几千埃，再对其进行电镀加厚金属层处理，使其满足趋肤效应所需的厚度，使电磁场正常传输；在溅射的过程中，分别在腔间电场耦合窗口和频率调节孔处插入掩膜模具，使金属化完成的同时，腔间电场耦合窗口和调节孔同时生成。

具体地，如图9所示，在本步骤即本发明滤波器的表面金属化工艺流程中，种子层是用99.9999%的钛及99.9999%的无氧铜通过磁控溅射工艺完成，其中，钛层的厚度为3000埃，铜层的厚度为4000埃，种子层通过光刻工艺完成所需图形的制作，再通过电镀工艺把图形加厚到大约10微米。步骤3，根据指标要求，组装成空腔介质滤波器，根据该滤波器的结构制成相应的封装外壳，将空腔介质滤波器装入封装外壳，在封装外壳的上下盖板对应位置引出输入输出接头3，并根据频率调节杆和腔间耦合调节杆进行指标调试。

根据两种耦合方式（即平面相邻的磁场耦合、上下叠放的电场耦合）将多个圆波导组成的空腔介质滤波器的腔间耦合形成多种组合方式：

1、圆波导相邻曲面的磁场耦合：圆波导紧邻设置在同一平面内，圆波导在相邻曲面形成磁场耦合，在每相邻的圆波导连接臂的位置设有上下贯通的腔间耦合调节孔2和左右贯通的腔间耦合窗口，可以调节磁场耦合，如图2所示；

2、圆波导的上下叠放的电场耦合：圆波导纵向叠放成一体，圆波导在相邻平面形成电场耦合，在金属化的过程中，在相邻圆波导外表面的下平面的中部印制有腔间电场耦合窗口（图中未标示），该腔间电场耦合窗口一经印制，其耦合量将不能改变；

3、上述方式1与2的结合，可以设置多层，每层数量也可不同；

例如，在底层设置圆波导相邻曲面的磁场耦合，在上层与底层之间设置圆波导的上下叠放的电场耦合，如图5-图6的三腔滤波器和图7-图8的四腔滤波器所示。

在上下叠放的电场耦合中，邻近上下盖板的圆波导的频率调节孔一方面起到频率调节作用，另一方面起到输入/输出激励的作用，其它频率调节孔仅起到频率调节作用；

邻近上下盖板的圆波导的频率调节孔与腔间电场耦合窗口同轴设置，腔间电场耦合窗口开设在邻近上下盖板的圆波导的下表面；

腔间电场耦合窗口也可以起到调节频率的作用，耦合孔印制的面积越大，谐振器的谐振频率将相应升高；

圆波导介质材料包括：低介电常数（ε在10-30）、中介电常数（ε在30-100）和高介电常数（ε在100以上）。

在本步骤中，频率可以调节，圆波导的上下叠放的电场耦合是固定的。

在封装外壳设置穿设在频率调节孔1上的频率调节杆4和穿设在腔间耦合调节孔2内的腔间耦合调节杆5。

与TM₀₁₀模式的圆波导相比，TE₁₁₁模式的圆波导的腔间耦合的特点包括：

（1）圆波导相邻曲面的电场耦合：在电场耦合中，圆波导紧邻设置在同一平面内，圆波导在相邻曲面形成电场耦合，可以通过设置每相邻的圆波导连接臂的长短、宽窄来调节电场耦合的大小，连接臂越短、连接臂越宽，腔间电场耦合量越大（即耦合强度越强）；

（2）圆波导的上下叠放的磁场耦合：圆波导纵向叠放成一体，圆波导在相邻平面形成磁场耦合，在金属化的过程中，在相邻圆波导外表面的上下平面的中部印制有腔间磁场耦合窗口（位置同TM₀₁₀模式的腔间电场耦合窗口），该腔间磁场耦合窗口一经印制，其耦合量将不能改变；

（3）上述方式（1）与（2）的结合，可以设置多层，每层数量也可不同；

与TM₀₁₀模式的圆波导不同，TE₁₁₁模式圆波导的频率调节孔设置在圆柱形圆波导的外曲面位置并横向贯通，也可根据需要并不贯通；在横向排列邻近左右盖板的两外端的频率调节孔与TM₀₁₀模式的邻近上下盖板的圆波导的频率调节孔一样，起到输入/输出激励的作用，在左右盖板的对应位置引出输入输出接头。

需要说明的是，根据TE₁₁₁模式圆波导的模式特性，可以进行模式复用，即一个TE₁₁₁模式谐振器做两个谐振器用，也即在上述原有TE₁₁₁模式谐振器基础上在其对应正交位置上设置同样的装置进行激励得到第二个谐振器，并在二者正交位置旋转45°夹角处设置电场耦合孔，对两个谐振器进行传输过程中的耦合处理，即可实现模式复用的目的。

根据本发明实施例，提供了另一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，本方法以TE₁₀₁模式矩形波导为例进行说明，包括：

步骤1，根据指标要求设计矩形波导介质尺寸，该矩形波导介质由模具制造并烧结而成，即在纵向上排列有多个矩形波导，在该矩形波导TE₁₀₁模式的电场方向垂直的表面开设多个贯通（也可以根据需要不贯通）的调节孔；

其中，每个调节孔对应一个矩形波导，首尾矩形波导的调节孔供接头探针穿设；贯通的首尾矩形波导一方面起到频率调节作用，另一方面起到输入/输出激励的作用；

多个矩形波导组成的滤波器的相邻矩形波导之间开设有腔间耦合调节孔，该腔间耦合调节孔上穿设有腔间耦合调节杆，用于调节相邻波导之间的电磁场耦合；

步骤2，对圆波导介质进行清洗处理后，在真空的环境对上述矩形波导介质加热，并在其表面进行溅射处理，先溅射一层钛，厚度为几千埃，以提高介质与金属层的附着力，再溅射一层金属层，厚度也为几千埃，再对其进行电镀加厚金属层处理，使其满足趋肤效应所需的厚度，使电磁场正常传输；

具体地，如图9所示，在本步骤即本发明滤波器的表面金属化工艺流程中，种子层是用99.9999%的钛及99.9999%的无氧铜通过磁控溅射工艺完成，其中，钛层的厚度为3000埃，铜层的厚度为4000埃，种子层通过光刻工艺完成所需图形的制作，再通过电镀工艺把图形加厚到大约10微米。

步骤3，组装成空腔介质滤波器，根据该滤波器的结构制成相应的封装外壳，将空腔介质滤波器装入封装外壳，首尾矩形波导的相应位置引出输入输出接头，并根据频率调节杆和腔间耦合调节杆进行指标调试。

本发明公开了微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法，在圆波导谐振器中填充介质材料的现有技术基础上，将金属层直接溅射在填充介质上，使金属层更紧密的涂覆在介质材料上，避免了金属层与填充介质之间存在的空气层，缩小了金属层所占的空间，在保证滤波器滤波指标的同时，实现了滤波器的小型化目标。

本发明的微波低波段高选择性空腔介质滤波器及其制造方法，确保了介质材料使用时其有效介电常数的理论值和一致性，圆波导和矩形波导可以单体、双联体、多联体等多种结构组合，装配灵活，适应性强。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图9为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，其特征在于，包括：

根据指标要求设计圆柱形的圆波导介质尺寸，所述圆波导介质的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔；

在真空环境对所述圆波导介质加热，对所述圆波导介质进行金属层溅射处理后生成圆波导，由所述圆波导组成空腔介质滤波器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

制成相应的封装外壳，将所述空腔介质滤波器装入所述封装外壳，在所述封装外壳的相应位置引出输入输出接头。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空腔介质滤波器包括多个圆波导，所述圆波导为TM₀₁₀模式，所述圆波导紧邻设置在同一平面内，所述圆波导在相邻曲面形成磁场耦合，在相邻圆波导的连接处位置设有纵向贯通的腔间耦合调节孔和横向贯通的腔间耦合窗口。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空腔介质滤波器包括多个圆波导，所述圆波导为TE₁₁₁模式，所述圆波导紧邻设置在同一平面内，所述圆波导在相邻曲面形成电场耦合窗口。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空腔介质滤波器包括多个圆波导，所述圆波导为TM₀₁₀模式，所述圆波导纵向叠放成一体，所述圆波导在相邻平面形成电场耦合，在相邻圆波导横向外表面印制有腔间电场耦合窗口。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空腔介质滤波器包括多个圆波导，所述圆波导为TE₁₁₁模式，所述圆波导纵向叠放成一体，所述圆波导在相邻平面形成磁场耦合，在相邻圆波导横向外表面印制有腔间磁场耦合窗口。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对圆波导介质进行金属层溅射处理的过程包括：先对所述圆波导介质外表面进行磁控溅射处理生成种子层，再对所述种子层进行光刻处理，通过电镀工艺进行加厚。

8.一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器的制造方法，其特征在于，包括：

根据指标要求设计矩形波导介质尺寸，在与所述矩形波导介质的电场方向相垂直的表面开设有在电场方向贯通的频率调节孔；

在真空环境对所述矩形波导介质加热，对所述矩形波导介质进行金属层溅射处理后生成矩形波导，由矩形波导组成空腔介质滤波器。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：

制成相应的封装外壳，将所述空腔介质滤波器装入所述封装外壳，在所述封装外壳的相应位置引出输入输出接头。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述对矩形波导介质进行金属层溅射处理的过程包括：先对所述矩形波导介质外表面进行磁控溅射处理生成种子层，再对所述种子层进行光刻处理，通过电镀工艺进行加厚。

11.一种微波低波段高选择性空腔介质滤波器，其特征在于，包括：至少一个圆柱形的圆波导，所述圆波导的纵向上开设有纵向贯通的频率调节孔，所述圆波导由在真空环境对圆柱形的圆波导介质加热，并对所述圆波导介质进行金属层溅射处理后生成。

12.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，所述圆波导为多个，所述圆波导为TM₀₁₀模式，所述圆波导紧邻设置在同一平面内，所述圆波导在相邻曲面形成磁场耦合，在相邻圆波导的连接处位置设有纵向贯通的腔间耦合调节孔和横向贯通的腔间耦合窗口。

13.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，所述圆波导为多个，所述圆波导为TE₁₁₁模式，所述圆波导紧邻设置在同一平面内，所述圆波导在相邻曲面形成电场耦合窗口。

14.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，所述圆波导为多个，所述圆波导为TM₀₁₀模式，所述圆波导纵向叠放成一体，所述圆波导在相邻平面形成电场耦合，在相邻圆波导横向外表面印制有腔间电场耦合窗口。

15.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，所述圆波导为多个，所述圆波导为TE₁₁₁模式，所述圆波导纵向叠放成一体，所述圆波导在相邻平面形成磁场耦合，在相邻圆波导横向外表面印制有腔间磁场耦合窗口。