CN109376373B - 一种耦合谐振滤波器的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合谐振滤波器的构建方法，该构建方法包括：获取所述耦合谐振滤波器的模型参数；根据所述耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸；根据所述预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸；获取所述预设贴片的切角宽度；根据所述模型参数、所述预设贴片的尺寸、所述耦合谐振腔的尺寸和所述预设贴片的切角宽度构建所述耦合谐振滤波器模型。本发明所得到的耦合谐振滤波器的工作波段能够达到太赫兹波段，使得耦合谐振滤波器能够实现在太赫兹波段的应用，拓展了耦合谐振滤波器的应用范围。

Description

一种耦合谐振滤波器的构建方法

技术领域

本发明滤波器技术领域，具体涉及一种耦合谐振滤波器的构建方法。

背景技术

微波滤波器因具有损耗小、Q(品质因子)值高、功率容量大等优点，使得其成为无线电通信技术领域中应用最普遍且不可或缺的无源器件之一。在电路实际工作中，一个微波滤波器的性能好坏直接影响到整个系统的稳定性。

谐振滤波器是微波滤波器中应用较为广泛的一种，其主要作用是让有用信号经过滤波器时其有用信号衰减降到最低，让无用信号的衰减达到最高，从而起到有目的性的信号选择的作用，即带内实现无损耗传输和带外实现最大衰减的选频器。

但是，目前在太赫兹波段(即频率在0.1THz到10THz范围的电磁波)，谐振滤波器的优异性能无法实现，从而限制了谐振滤波器的应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种耦合谐振滤波器的构建方法。

本发明的一个实施例提供了一种耦合谐振滤波器的构建方法，所述构建方法包括：

获取所述耦合谐振滤波器的模型参数；

根据所述耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸；

根据所述预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸；

获取所述预设贴片的切角宽度；

根据所述模型参数、所述预设贴片的尺寸、所述耦合谐振腔的尺寸和所述预设贴片的切角宽度构建所述耦合谐振滤波器模型。

在本发明的一个实施例中，所述模型参数包括TSV参数、氧化层厚度、金属层厚度、硅衬底厚度和微带线宽度。

在本发明的一个实施例中，所述TSV参数包括所述TSV的直径和相邻两个所述TSV的中心间距。

在本发明的一个实施例中，根据所述TSV直径和所述谐振频率确定相邻两个所述TSV的中心间距。

在本发明的一个实施例中，所述预设贴片为方形贴片。

在本发明的一个实施例中，根据所述耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸，包括：

根据所述谐振频率的计算模型确定所述方形贴片的尺寸。

在本发明的一个实施例中，所述谐振频率的计算模型为：

其中，f_mn0为所述谐振频率，μ为硅衬底的磁导率，ε_eff为硅衬底的有效介电常数，a为所述方形贴片的边长，m和n为所述耦合谐振滤波器的谐振模式。

在本发明的一个实施例中，根据所述预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸，包括：

根据所述预设贴片的尺寸确定间隔间距；

根据所述间隔间距确定所述耦合谐振腔的尺寸。

在本发明的一个实施例中，在构建所述耦合谐振滤波器模型之前，还包括：

获取所述耦合谐振腔的过渡结构类型和所述微带线的过渡结构类型。

在本发明的一个实施例中，所述耦合谐振腔的过渡结构类型和所述微带线的过渡结构类型均为直接过渡。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所得到的耦合谐振滤波器的工作波段能够达到太赫兹波段，使得耦合谐振滤波器能够实现在太赫兹波段的应用，拓展了耦合谐振滤波器的应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种耦合谐振滤波器的构建方法的流程示意图；

图2a～图2c为本发明实施例提供的一种耦合谐振滤波器的结构参数设置示意图；

图3a为本发明实施例提供的一种加入方形贴片的谐振腔俯视图；

图3b为本发明实施例提供的一种加入方形贴片的谐振腔鸟瞰图；

图4为本发明实施例提供的谐振频率与间隔距离的关系示意图；

图5为本发明实施例提供的一种设置有方形贴片的谐振腔仿真模型的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种谐振频率与方形贴片的切角宽度的关系示意图；

图7为本发明实施例提供的一种耦合谐振滤波器模型的分层结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种谐振频率和分贝的关系示意图；

图9a为本发明实施例提供的一种未加入方形贴片的谐振腔俯视图；

图9b为本发明实施例提供的一种未加入方形贴片的谐振腔鸟瞰图；

图9c为本发明实施例提供的一种未加入方形贴片的本征模仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的耦合谐振滤波器的构建方法的流程示意图。本发明实施例提供的一种耦合谐振滤波器的构建方法，该构建方法包括：

步骤一、获取耦合谐振滤波器的模型参数；

具体地，请参见图2a～图2c，模型参数包括TSV(Through Silicon Vias，即硅通孔)参数、氧化层厚度t_ox、金属层厚度t_metal、硅衬底厚度t_sub和微带线宽度，即TSV是设置在硅衬底上的通孔，TSV的个数需要设置多个，且多个TSV根据硅衬底的形状环绕设置在硅衬底上，如硅衬底的形状为正方形，则多个TSV以正方形环绕设置在硅衬底上。

进一步地，TSV参数包括TSV的直径和相邻两个TSV的中心间距。

其中，TSV的直径为5μm～40μm，所有TSV的直径均相等。

优选地，TSV的直径为10μm；

其中，相邻两个TSV的中心间距需要根据TSV的直径和耦合谐振滤波器的谐振频率进行确定，即相邻两个TSV的中心间距需要同时满足两个约束条件，第一个约束条件为p＜λ/4，p＜4d，p为相邻两个TSV的中心间距，λ为谐振频率的波长，d为TSV的直径，若相邻两个TSV的中心间距不同时满足上述两个约束条件，则会造成耦合谐振滤波器中的谐振腔的漏磁现象，从而影响耦合谐振滤波器的性能。

优选地，p＝22μm。

耦合谐振滤波器的腔体面积大小和谐振频率成反比，而相邻两个TSV的中心间距若过大，则会出现漏磁现象，从而影响耦合谐振滤波器的性能。

进一步地，金属层的厚度为0.1μm～1μm。

优选地，金属层的厚度为0.1μm。

优选地，金属层的材料为铜。

进一步地，氧化层的厚度为0.1μm～1μm。

优选地，氧化层的厚度为0.5μm。

优选地，氧化层的材料为二氧化硅。

进一步地，硅衬底的厚度为60μm～120μm。

优选地，硅衬底的厚度为100μm。

优选地，硅衬底为高阻抗硅，硅衬底的电阻率为20000Ωm。

进一步地，微带线宽度根据硅衬底厚度、微带线的特征阻抗确定。对于窄带传输的情况(即w₀/h＜1，h＝t_sub/2，w₀为微带线宽度，t_sub为硅衬底的厚度，h为位于微带线下方的有效硅衬底的厚度)，微带线的特征阻抗的计算公式为：

其中，Z₀为微带线的特征阻抗，Z_f为自由空间的波阻抗，ε_r为硅衬底的相对介电常数，ε_r＝11.9，ε_eff’为硅衬底的有效介电常数，μ₀为真空磁导率，ε₀为真空介电常数。

根据上述三个公式即可确定微带线宽度。

优选地，微带线宽度w₀＝20μm。

步骤二、根据耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸；

优选地，预设贴片为方形贴片。

耦合谐振滤波器中的方形贴片容易加工，且其和馈线更容易实现连接，在硅衬底上的TSV和方形贴片的结合，使得耦合谐振滤波器更容易实现在太赫兹波段的应用，且更容易实现耦合谐振滤波器的小型化。

具体地，根据谐振频率的计算模型确定方形贴片的尺寸，谐振频率的计算模型为：

其中，f_mn0为谐振频率，μ为硅衬底的磁导率，ε_eff为硅衬底的有效介电常数，a为方形贴片的边长，m和n为耦合谐振滤波器的谐振模式。

进一步地，f_mn0＝100GHz，m和n可以为m＝1、n＝0的TM₁₀₀模式或m＝0、n＝1的TM₀₁₀模式。

其中，波形阻抗和硅衬底的磁导率、硅衬底的介电常数有以下关系：

其中，η为波形阻抗，η₀为空间波阻抗，ε方形贴片的介电常数。

根据上述两个公式可得：

其中，η₀＝120π(Ω)，ε＝ε₀·ε_eff，ε₀＝8.854×10^-12F/m，则当在谐振频率在100GHz时，方形贴片的边长a在430μm左右。

步骤三、根据预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸；

具体地，根据预设贴片的尺寸确定间隔间距；

请同时参见图3a、图3b和图4，图4中的Mode1为TM₁₀₀模式时，Mode2对应为TM₀₁₀，Mode1为TM₀₁₀模式时，Mode2对应为TM₁₀₀，图4的横坐标为间隔间距，纵坐标为谐振频率。方形贴片嵌入在耦合谐振腔的腔体中，所以耦合谐振腔的腔体尺寸需稍微大于方形贴片的尺寸，将方形贴片的边缘距离耦合谐振腔周围的TSV的中心的距离设定为间隔间距。

进一步地，间隔间距为10-60μm。

优选地，间隔间距为30μm。

具体地，根据间隔间距确定耦合谐振腔的尺寸。

进一步，将方形贴片的边长与2个间隔间距求和即为耦合谐振腔的宽度尺寸，即K＝a+2s，其中K为耦合谐振腔的宽度尺寸。

步骤四、获取预设贴片的切角宽度；

具体地，切角宽度就是在方形贴片的对角各切掉一个正方形，形成正方形的缺口，利用此缺口对谐振腔进行微扰，从而分离两个简并模式的频率，将切角宽度记为w_cut。

进一步地，切角宽度为10μm～100μm。

优选地，切角宽度为50μm。

请同时参见图5和图6，图6的横坐标为切角宽度，纵坐标为谐振频率。具体地，利用三维电磁仿真软件HFSS对切角宽度进行本征模式的参数扫描，如图6所示，可以得出切角宽度的大小对耦合谐振腔的简并模式的影响，随切角宽度的增大，谐振腔的简并模式(Mode1和Mode2)的谐振频率Mode1和Mode2逐渐分离，由此可对耦合谐振滤波器的带宽调整提供参考依据，如带宽BW＝5GHz。

步骤五、获取耦合谐振腔的过渡结构类型和微带线的过渡结构类型；

具体地，耦合谐振腔的过渡结构类型和微带线的过渡结构类型均为直接过渡

耦合谐振腔和微带线的过渡结构一般有直接过渡、凸型过渡、凹型过渡和共面波导过渡，而方形贴片的馈电方式一般有直接馈电和耦合馈电，为了不破坏整个方形贴片的完整性，耦合谐振腔的过渡结构类型和微带线的过渡结构类型均定为直接过渡。

步骤六、根据模型参数、预设贴片的尺寸、耦合谐振腔的尺寸和预设贴片的切角宽度构建耦合谐振滤波器模型。

请再次参见图2，并同时参见图7。基于TSV的直径和相邻两个TSV的中心间距、氧化层厚度、金属层厚度、硅衬底厚度、微带线宽度、直接过渡的耦合谐振腔和直接过渡，利用三维电磁仿真软件(HFSS)构建耦合谐振滤波器模型。

步骤七、利用三维电磁仿真软件(HFSS)对耦合谐振滤波器的模型参数进行扫频优化，如果模型参数满足带内带外衰减特性，则构建完成基于最优参数的耦合谐振滤波器模型，否则重复优化过程直到满足带内带外衰减特性。带内带外衰减特性即有用信号经过滤波器时其有用信号衰减降到最低，让无用信号的衰减达到最高，从而起到有目的性的信号选择的作用，即带内实现无损耗传输和带外实现最大衰减。表1为本实施例所得到的最优模型参数。

表1模型参数

请参见图8，图8的横坐标为谐振频率，纵坐标为分贝(Decibel，dB)。在最优模型参数条件下，谐振频率(S11线，回波损耗)为100GHz的达到了-25dB，在100G±2.5GHz处小于-10dB；谐振频率(S21线，插入损耗)为在100GHz处大于-3dB，在100G±10GHz处小于-20dB，满足耦合谐振滤波器的性能要求。

请同时参见图4、图9a～图9c。在同等尺寸下，加入方形贴片的谐振频率降低了近40GHz的频率。这是因为耦合谐振腔的谐振频率随其面积的增大而减小，即耦合谐振腔的面积越大其谐振频率越小，所以如果不加方形贴片的单腔谐振模型要想达到100GHz的谐振频率，其必须增大耦合谐振腔的面积，由此增大了耦合谐振频率器的面积。

本发明实施例在硅衬底上设置TSV，并在谐振腔内设置方形贴片，使得耦合谐振滤波器中同时具备了TSV和方形贴片，将TSV和方形贴片进行结合，所得到的耦合谐振滤波器的工作波段能够达到太赫兹波段，使得耦合谐振滤波器能够实现在太赫兹波段的应用，拓展了耦合谐振滤波器的应用范围。

本发明实施例将TSV与方形贴片进行结合，改善了耦合谐振滤波器的谐振频率，能够进一步缩小耦合谐振滤波器的尺寸，实现耦合谐振滤波器的小型化设计。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种耦合谐振滤波器的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括：

获取所述耦合谐振滤波器的模型参数，所述模型参数包括TSV参数、氧化层厚度、金属层厚度、硅衬底厚度和微带线宽度；

根据所述耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸；

根据所述耦合谐振滤波器的谐振频率确定预设贴片的尺寸，包括：

根据所述谐振频率的计算模型确定方形贴片的尺寸，其中，所述谐振频率的计算模型为：

其中，f_mn0为所述谐振频率，μ为硅衬底的磁导率，ε_eff为硅衬底的有效介电常数，a为所述方形贴片的边长，m和n为所述耦合谐振滤波器的谐振模式；

根据所述预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸；

获取所述预设贴片的切角宽度；

根据所述模型参数、所述预设贴片的尺寸、所述耦合谐振腔的尺寸和所述预设贴片的切角宽度构建所述耦合谐振滤波器模型。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述TSV参数包括所述TSV的直径和相邻两个所述TSV的中心间距。

3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，根据所述TSV直径和所述谐振频率确定相邻两个所述TSV的中心间距。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述预设贴片为方形贴片。

5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，根据所述预设贴片的尺寸确定耦合谐振腔的尺寸，包括：

根据所述预设贴片的尺寸确定间隔间距；

根据所述间隔间距确定所述耦合谐振腔的尺寸。

6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，在构建所述耦合谐振滤波器模型之前，还包括：

获取所述耦合谐振腔的过渡结构类型和所述微带线的过渡结构类型。

7.根据权利要求6所述的构建方法，其特征在于，所述耦合谐振腔的过渡结构类型和所述微带线的过渡结构类型均为直接过渡。

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