CN109728390B - 一种双层堆叠式差分微波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层堆叠式差分微波带通滤波器，包括：第一金属层；若干第一导体柱，设置在第一金属层上；第二金属层，设置在第一导体柱上，第二金属层上设置有输入辐射窗口和输出辐射窗口；若干第二导体柱，设置在第二金属层上；第三金属层，设置在第二导体柱上，第三金属层上设置有差分输入端口和差分输出端口；其中，第一金属层、第一导体柱与第二金属层形成至少三个耦合谐振腔，每个耦合谐振腔之间设置有若干个耦合窗口；第二金属层、第二导体柱与第三金属层形成输入谐振腔与输出谐振腔。本发明实施例的滤波器显著抑制了共模信号的传输，同时使得滤波器的谐振频率提取得以显著提高，提高了滤波器的性能。

Description

一种双层堆叠式差分微波带通滤波器

技术领域

本发明属于集成电路制造与封装技术领域，具体涉及一种双层堆叠式差分微波带通滤波器。

背景技术

近年来由于商业应用的驱动，毫米波无线通信得以迅猛的发展，绝大部分毫米波互连与无源器件都是波导形式，其损耗都较低。然而，波导结构的体积一般都较大，生产成本较高，并且与单片微波集成电路(MMICs)难于集成在一个系统上。后来出现的低温共烧陶瓷(LTCC)虽然在微波与毫米波频段内具有稳定的介电常数与较低的损耗，但其较厚的衬底与较大的体积也极大的限制了它的广泛应用。

三维集成技术是将传统的二维集成电路垂直堆叠起来，硅通孔作为三维集成电路中关键结构，用于实现三维集成电路上下层芯片间的信号传输，通过硅通孔实现层间垂直互连与封装，从而显著提高了集成度，同时减小了功耗，提高了系统性能。利用硅通孔三维集成技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在三维系统中的芯片之上，使其能够与其他异构芯片实现三维集成，从而显著减小整个微波电路系统的体积。

但由于半导体硅衬底在高频条件下具有较大的损耗，阻碍了基片集成波导结构在三维集成中的广泛应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种双层堆叠式差分微波带通滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种双层堆叠式差分微波带通滤波器，包括：

第一金属层；

若干第一导体柱，设置在所述第一金属层上；

第二金属层，设置在所述第一导体柱上，所述第二金属层上设置有输入辐射窗口和输出辐射窗口；

若干第二导体柱，设置在所述第二金属层上；

第三金属层，设置在所述第二导体柱上，所述第三金属层上设置有差分输入端口和差分输出端口；其中，

所述第一金属层、所述第一导体柱与所述第二金属层形成至少三个耦合谐振腔，每个所述耦合谐振腔之间设置有若干个耦合窗口；

所述第二金属层、所述第二导体柱与所述第三金属层形成输入谐振腔与输出谐振腔。

在本发明的一个实施例中，还包括：

第一绝缘基板，设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述第一绝缘基板上设置有若干第一通孔，若干所述第一导体柱设置在所述第一通孔中；

第二绝缘基板，设置在所述第二金属层和第三金属层之间，所述第二绝缘基板上设置有若干第二通孔，若干所述第二导体柱设置在所述第一通孔中。

在本发明的一个实施例中，所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板的材质均包括玻璃。

在本发明的一个实施例中，所述第三金属层上还设置有凹槽，所述凹槽设置在所述输入谐振腔和所述输出谐振腔中，所述差分输入端口和所述差分输出端口设置在所述凹槽中。

在本发明的一个实施例中，所述耦合谐振腔包括第一阶耦合谐振腔、第二阶耦合谐振腔和第三阶耦合谐振腔，所述输入辐射窗口包括第一输入辐射窗口和第二输入辐射窗口，所述输出辐射窗口包括第一输出辐射窗口和第二输出辐射窗口，所述输入谐振腔包括第一输入谐振腔和第二输入谐振腔，所述输出谐振腔包括第一输出谐振腔和第二输出谐振腔；

其中，所述第一输入辐射窗口设置在所述第一输入谐振腔和所述第一阶耦合谐振腔之间，所述第二输入辐射窗口设置在所述第一阶耦合谐振腔和所述第二输入谐振腔之间，所述第一输出辐射窗口设置在所述第三阶耦合谐振腔和所述第一输出谐振腔之间，所述第二输出辐射窗口设置在所述第三阶耦合谐振腔和所述第二输出谐振腔之间。

在本发明的一个实施例中，所述凹槽包括第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽，其中，所述第一凹槽设置在所述第一输入谐振腔中，所述第二凹槽设置在所述第二输入谐振腔中，所述第三凹槽设置在所述第一输出谐振腔中，所述第四凹槽设置在所述第二输出谐振腔中。

在本发明的一个实施例中，所述差分输入端口包括第一金属片和第二金属片，其中，所述第一金属片设置在所述第一凹槽中，所述第二金属片设置在所述第二凹槽中；

所述差分输出端口包括第三金属片和第四金属片，其中，所述第三金属片设置在所述第三凹槽中，所述第四金属片设置在所述第四凹槽中。

在本发明的一个实施例中，所述耦合窗口的个数为偶数个，偶数个所述耦合窗口沿所述耦合谐振腔的中心线对称分布。

在本发明的一个实施例中，所述差分输入端口和差分输出端口分别设置在所述第三金属层的相对两侧。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属层、所述第一导体柱、所述第二金属层、所述第二导体柱和所述第三金属层的材料均包括铜。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明在第三金属层上设置差分输入端口和差分输出端口，并利用耦合谐振腔作为共模抑制单元，构建差模通带，从而显著抑制了滤波器的共模信号的传输，同时使得滤波器的谐振频率提取得以显著提高，提高了滤波器的性能。

2、本发明采用玻璃代替硅衬底作为绝缘基板，玻璃的相对介电常数远小于硅，采用玻璃基板代替硅衬底制作滤波器，可以消除传统低阻硅衬底在高频电路中的涡流效应，显著降低滤波器的高频损耗，从而显著降低滤波器的功耗，提高滤波器的品质因数，提高滤波器的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图；

图2为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器中第一导体柱分布的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第二金属层的俯视图；

图4为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第二导体柱的俯视图；

图5为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图；

图6a-图6b为本发明实施例提供的另一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图；

图7为本发明实施例提供的再一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图；

图8为本发明实施例提供的另一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图；

图9为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的耦合机制示意图；

图10是本实施例提供的一种滤波器的一个正方形谐振腔横截面的示意图；

图11是本实施例滤波器的耦合系数k₁₂的HFSS仿真模型图；

图12是本实施例滤波器的外部品质因数Q_E提取模型的横截面示意图；

图13a-图13b是本发明实施例提供的双层堆叠式差分带通滤波器的频率响应图。

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一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图，包括：

第一金属层1；若干第一导体柱2，设置在第一金属层1上；第二金属层4，设置在第一导体柱2上，第二金属层4上设置有输入辐射窗口和输出辐射窗口；若干第二导体柱6，设置在第二金属层4上；第三金属层7，设置在第二导体柱6上，第三金属层7上设置有差分输入端口和差分输出端口；其中，第一金属层1、第一导体柱2与第二金属层4形成至少三个耦合谐振腔R，每个耦合谐振腔R之间设置有若干个耦合窗口；第二金属层1、第二导体柱6与第三金属层7形成输入谐振腔S与输出谐振腔L。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器中第一导体柱分布的俯视图，第一导体柱2均匀分布在第一金属层1上，每个第一导体柱2的直径d_TGV为25μm，每个第一导体柱2之间的中心间距p_TGV为50μm。进一步地，第一导体柱2与第一金属层1、第二金属层4形成至少三个并列的长方体，每个长方体作为差分信号的一阶耦合谐振腔R；耦合谐振腔R的阶数越高，耦合效率越高，其对共模信号的抑制越好。进一步地，每一阶耦合谐振腔R之间设置有若干个耦合窗口，由于耦合谐振腔内的电场是沿着耦合谐振腔的中心线对称分布，因此，耦合窗口的个数为偶数个，偶数个耦合窗口沿耦合谐振腔的中心线对称分布。

图2中，第一导体柱2呈长方形分布，第一导体柱2的两端连接第一金属层1和第二金属层4，因此，第一导体柱2与第一金属层1、第二金属层4形成了三个并列的长方体，从而形成三个耦合谐振腔，分别为第一阶耦合谐振腔R1、第二阶耦合谐振腔R2、第三阶耦合谐振腔R3。从俯视图上看，第一阶耦合谐振腔R1、第二阶耦合谐振腔R2、第三阶耦合谐振腔R3的形状均为长方形，均具有长度l₁和宽度w₁，优选的，宽度w₁为586μm，长度l₁为宽度w₁的2倍。

进一步地，第一阶耦合谐振腔R1和第二阶耦合谐振腔R2之间设置有第一耦合窗口21和第二耦合窗口22，第一耦合窗口21和第二耦合窗口22沿耦合谐振腔的中心线对称分布；第二阶耦合谐振腔R3和第三阶耦合谐振腔R4之间设置有第三耦合窗口23和第四耦合窗口24，第三耦合窗口23和第四耦合窗口24沿耦合谐振腔的中心线对称分布，请参见图2，在耦合窗口处不设置第二导体柱。优选的，第一耦合窗口21和第二耦合窗口22的宽度相同，w₂均为368μm；第三耦合窗口23和第四耦合窗口24的宽度相同，w₃均为368μm。

具体的，第一耦合窗口21和第二耦合窗口22用于实现差分信号在第一阶耦合谐振腔R1和第二阶耦合谐振腔R2之间的磁耦合，第三耦合窗口22和第四耦合窗口23用于实现差分信号在第二阶耦合谐振腔R2和第三阶耦合谐振腔R3之间的磁耦合。

本发明实施例在第一金属层上设置耦合谐振腔，耦合谐振腔作为共模抑制单元，利用耦合谐振腔的TE102模式构建差模通带，从而显著抑制了滤波器的共模信号的传输。

在一个具体实施例中，第二金属层4上设置有输入辐射窗口和输出辐射窗口，输入辐射窗口和输出辐射窗口可以通过刻蚀第二金属层4得到；其中，输入辐射窗口与输入谐振腔、第一阶耦合谐振腔一一对应，即输入辐射窗口设置在输入谐振腔和第一阶耦合谐振腔之间；输出辐射窗口与输出谐振腔、最后一阶耦合谐振腔一一对应，即输出辐射窗口设置在最后一阶耦合谐振腔和输出谐振腔之间。进一步地，输入辐射窗口的形状包括但不限于圆形、矩形等。优选的，输入辐射窗口的个数与输入谐振腔、差分输入端口的个数一致，输出辐射窗口的个数与输出谐振腔、差分输出端口的个数一致。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第二金属层的俯视图，其输入辐射窗口包括第一输入辐射窗口41和第二输入辐射窗口42，第一输入辐射窗口41和第二输入辐射窗口42设置在第一阶耦合窗口之R3上；输出辐射窗口包括第一输出辐射窗口43和第二输出辐射窗口44，第一输出辐射窗口43和第二输出辐射窗口44设置在第三阶耦合窗口R3之上。进一步地，四个辐射窗口的形状均为圆形，优选的，其直径d_C均为304μm。

具体的，第一输入辐射窗口41和第二输入辐射窗口42用于实现差分信号在输入谐振腔S和第一阶耦合谐振腔R1之间的电耦合，第一输出辐射窗口43和第二输出辐射窗口44用于实现经过耦合的差分信号在第三阶耦合谐振腔R3和输出谐振腔L之间的电耦合。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第二导体柱的俯视图。在一个具体实施例中，第二导体柱6均匀分布在第二金属层4上，每个第二导体柱6的直径d_TGV为25μm，每个第二导体柱6之间的中心间距p_TGV为50μm。进一步地，第二导体柱6呈两个日字型均匀分布，第二导体柱6与第二金属层4、第三金属层7形成了输入谐振腔S和输出谐振腔L；进一步地，形成的第一个日字为输入谐振腔S，包括第一输入谐振腔S1和第二输入谐振腔S2；形成的第二个日字为输出谐振腔L，包括第一输出谐振腔L1和第二输出谐振腔L2。进一步地，第一输入谐振腔S1设置在第一输入辐射窗口之41上，第二输入谐振腔S2设置在第二输入辐射窗口42之上，第一输出谐振腔L1设置在第一输出辐射窗口43之上，第二输出辐射窗口L2设置在第二输出辐射窗口44之上。

进一步地，第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2、第一输出谐振腔L1、第二输出谐振腔L2的俯视图形状均为正方形，四个正方形的边长w₄均为586μm。

在一个具体实施例中，第三金属层上设置有差分输入端口和差分输出端口；由于差分输入端口和差分输出端口是用来输入输出差分信号的，因此，差分输入端口的个数为2个，包括第一金属片8和第二金属片9，差分输出端口的个数为2个，包括第三金属片10和第四金属片11。差分输入端口和差分输出端口可以分别设置在第三金属层7的四个侧边，即第一金属片8、第二金属片9、第三金属片10、第四金属片11依次设置在第三金属层7的四个侧边，请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图。差分输入端口和差分输出端口也可以设置在第三金属层的相对两个侧边上，包括两种情况：第一种，第一金属片8和第二金属片9设置在同一侧边，此时第三金属片10和第四金属片11也设置在同一侧边；第二种，第一金属片8和第二金属片9设置在不同侧边，此时第一金属片8和第三金属片10(或第四金属片11)设置在一侧，第二金属片9和第四金属片11(或第三金属片10)设置在一侧，请参见图6a-图6b，图6a-图6b为本发明实施例提供的另一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图。优选的，差分输入端口和差分输出端口设置在第三金属层的相对两侧，采用此种方式可以减小滤波器的面积，提高滤波器的集成度。

需要说明的是，第一金属片8、第二金属片9、第三金属片10、第四金属片11的设置需要满足：第一金属片8、第二金属片9中的任一个与第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2中的任一个相连，以将差分信号输入滤波器；第三金属片10、第四金属片11中的任一个与第一输出谐振腔L1、第二输出谐振腔L2中的任一个相连，以将经过耦合的差分信号进行输出。

进一步地，第一金属片8、第二金属片9、第三金属片10和第四金属片11的形状包括但不限于锥形。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的再一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的第三金属层的俯视图，第三金属层7上还设置有凹槽，凹槽设置在输入谐振腔S和输出谐振腔L中，差分输入端口和差分输出端口设置在凹槽中。具体的，图7中的凹槽包括第一凹槽71、第二凹槽72、第三凹槽73、第四凹槽74；其中，第一凹槽71设置在第一输入谐振腔S1中，第一金属片8设置在第一凹槽71中；第二凹槽72设置在第二输入谐振腔S2中，第二金属片9设置在第二凹槽72中；第三凹槽73设置在第一输出谐振腔L1中，第三金属片10设置在第三凹槽73中；第四凹槽74设置在第二输出谐振腔L2中，第四金属片11设置在第四凹槽74中。

进一步地，第一凹槽71、第二凹槽72、第三凹槽73、第四凹槽74均具有相同的深度h₅和宽度w₅，深度h₅为370μm，宽度w₅为310μm；当在第三金属层7上设置凹槽时，四个金属片的形状包括但不限于矩形，矩形的长l₆为470μm，宽w₆为296μm；差分输入输出端口采用矩形，可以使得滤波器与外部设备和信号相匹配，提高了滤波器的利用率。

本发明实施例在第一金属层上设置凹槽，在凹槽中设置差分输入端口和差分输出端口，减小了滤波器的面积，提高了滤波器的集成度。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的另一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图，该差分微波带通滤波器处上述结构外，还包括：第一绝缘基板3和第二绝缘基板5。

其中，第一绝缘基板3设置在第一金属层1和第二金属层4之间，第一绝缘基板3上设置有若干第一通孔21，若干第一导体柱2设置在第一通孔21中；进一步地，第一通孔21可以通过刻蚀得到，每个第一通孔21的直径与第一导体柱2的直径相同，均为25μm；第一通孔21之间的中心间距与第一导体柱2之间的中心间距相等，均为50μm；第一通孔21的分布形状与第一导体柱2的分布形状相同。

第二绝缘基板5设置在第二金属层4和第三金属层7之间，第二绝缘基板5上设置有若干第二通孔61，若干第二导体柱6设置在第二通孔61中；进一步地，第二通孔61可以通过刻蚀得到，每个第二通孔61的直径与第二导体柱6的直径相同，均为25μm；第二通孔61之间的中心间距与第二导体柱6之间的中心间距相等，均为50μm；第一通孔61的分布形状与第一导体柱6的分布形状相同。

本发明实施例将导体柱设置在绝缘基板的通孔中，有利于滤波器进行三维集成，避免了滤波器在进行集成时发生损坏，提高了工艺的兼容性。

由于玻璃的相对介电常数远小于硅，故第一绝缘基板3和第二绝缘基板5的材质均采用玻璃，采用玻璃基板可以消除传统低阻硅衬底在高频电路中的涡流效应，显著降低滤波器的功耗，提高滤波器的品质因数，从而提高滤波器的性能。

在一个具体实施例中，第一金属层1、第一导体柱2、第二金属层4、第二导体柱6和第三金属层7的材料均包括金、银、铜中的任一种，优选的为铜；金属层和导体柱采用铜，一方面可以使得差分信号得以良好传输，另一方面降低了滤波器的制作成本。

在本发明实施例中，第三金属层7接地，第二绝缘基板5作为滤波器的上层基底，第二金属层4作为第一绝缘基板3和第二绝缘基板5的共用接地层，第二绝缘基板5作为滤波器的下层基底，第一金属层1接地，第一金属层1用于将第三金属层7上的电荷及时移入大地。

需要说明的是，本发明实施例滤波器的尺寸是根据电磁谐振模式为TE₁₀₁与TE₁₀₂、通带为150GHz-170GHz进行计算得到的，但是本发明实施例的滤波器结构还可适用于其他电磁谐振模式和通带，滤波器的尺寸不限于上述尺寸。

请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的耦合机制示意图，其中，K₁₂表示第一阶耦合谐振腔R1与第二阶耦合谐振腔R2之间的耦合系数，K₂₃表示第二耦合阶谐振腔R2与第三阶耦合谐振腔R3之间的耦合系数。具体的，第一输入谐振腔S1与第一阶耦合谐振腔R1通过第一输入辐射窗口41实现磁耦合；第二输入谐振腔S2与第一阶耦合谐振腔R1通过第二辐射窗口42实现磁耦合；第一阶耦合谐振腔R1与第二阶耦合谐振腔R2通过第一耦合窗口21和第二耦合窗口22实现电耦合；第二阶耦合谐振腔R2与第三阶耦合谐振腔R3通过第三耦合窗口23和第四耦合窗口24实现磁耦合；第三阶耦合谐振腔R3与第一输出谐振腔L1通过第一辐射窗口43实现磁耦合；第三阶耦合谐振腔R3与第二输出谐振腔L2通过第二输出辐射窗口44实现磁耦合。

本发明实施例滤波器的工作过程如下：首先，所需滤波的电磁波从第一金属片8和第二金属片9输入至第一输入谐振腔S1与第二输入谐振腔S2；然后，通过第一输入辐射窗口41与第二输入辐射窗口42进行电耦合传输至第一阶耦合谐振腔R1。之后，电磁波通过第一耦合窗口21与第二耦合窗口22传输至第二阶耦合谐振腔R2，耦合方式为磁偶合，传输模式为TE102模式；再然后，电磁波继续通过第三耦合窗口23和第四耦合窗口24以磁耦合的方式传输至第三阶耦合谐振腔R3，传输模式为TE102模式；之后，电磁波再通过第一输出辐射窗口43与第二输出辐射窗口44以电耦合的方式传输至第一输出谐振腔L1与第二输出谐振腔L2，再从第三金属片10和第四金属片11输出。

本发明实施例滤波器工作时，同时传播TE101模式与TE102模式的电磁波，差模相应通带由第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2、第一输出谐振腔L1和第二输出谐振腔L2的TE101模式以及第一阶耦合谐振腔R1、第二阶耦合谐振腔R2、第三阶耦合谐振腔R3的TE102模式构成。当差模信号激励时，差分滤波器对称面可以邓小伟理想的电壁，差分拓扑结构可以简化为一个等效的二端口拓扑结构，四阶差分滤波器的差模响应通带的设计可以转化为一个同阶的SIW单端口滤波器设计，进而实现良好的共模抑制特性。

本发明实施例在第三金属层上设置差分输入端口和差分输出端口，并且第一金属层、第一导体柱与第二金属层形成至少三个耦合谐振腔，利用耦合谐振腔作为共模抑制单元，构建差模通带，从而显著抑制了滤波器的共模信号的传输，同时使得滤波器的谐振频率提取得以显著提高，提高了滤波器的性能。

本发明实施例采用玻璃代替硅衬底作为绝缘基板，玻璃的相对介电常数远小于硅，采用玻璃基板代替硅衬底制作滤波器，可以消除传统低阻硅衬底在高频电路中的涡流效应，显著降低滤波器的高频损耗，从而显著降低滤波器的功耗，提高滤波器的品质因数，提高滤波器的性能。

本发明实施例还提供了一种双层堆叠式差分微波带通滤波器的设计方法，该设计是针对具有三阶耦合谐振腔、两个输入辐射窗口、两个输出辐射窗口、两个输入谐振腔、两个输出谐振腔的滤波器结构进行的，包括步骤：

S1、谐振腔尺寸的计算。

对于第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2、第一输出谐振腔L1与第二输出谐振腔L2，电磁谐振为TE101模式，通带为150GHz-170GHz，则中心频率为：

由(1)可得f₀＝159.69GHz。

f₀与等效矩形波导的尺寸关系为：

其中，w_eff与l_eff分别为等效矩形波导的宽度与长度，其与SIW谐振腔尺寸的关系分别表示为：

对于正方形SIW谐振腔，则有w_eff＝l_eff，因此式(2)可简化为：

结合f₀＝159.69GHz，可计算得到weff＝566μm，再根据式(3)最终求得SIW正方形谐振腔的边长w＝580μm。根据所计算的SIW谐振腔尺寸，在高频结构仿真(HFSS)三维电磁仿真软件中建模，请参见图10，图10是本实施例提供的一种滤波器的一个正方形谐振腔横截面的示意图，如图所示，基板通孔的直径d_TGV＝25μm，两个基板通孔之间的中心间距p_TGV＝50μm，正方形谐振腔的边长w为580μm，谐振模式设置为TE101。经仿真调整得到，当w为586μm时SIW谐振腔的中心频率为159.69GHz。

为了构成一个完整的通路，第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2、第一输出谐振腔L1与第二输出谐振腔L2的TE101模式需要和第一阶耦合谐振腔R1、第二阶耦合谐振腔R2和第三阶耦合谐振腔R3的TE102模式对应的频率相等，通过公式变换可得：

由式(6)可知，第一阶耦合谐振腔R1、第二阶耦合谐振腔R2和第三阶耦合谐振腔R3的宽度是第一输入谐振腔S1、第二输入谐振腔S2、第一输出谐振腔L1与第二输出谐振腔L2的两倍，起到抑制共模信号并传输差模信号的作用。

S22：耦合系数计算；

由切比雪夫低通原型参数g₁～g₃的值，进一步可得到谐振腔之间的耦合系数，其计算公式为：

其中，FBW为SIW带通滤波器的相对带宽，其计算公式为：

因此，可计算得到k₁₂＝k₂₃＝0.1292。

请参见图11，图11是本实施例滤波器的耦合系数k₁₂的HFSS仿真模型图，如图所示，第一阶耦合谐振腔R1与第二阶耦合谐振腔R2之间的耦合为电耦合，耦合强度由第一耦合窗口和第二耦合窗口的宽度w₁₂决定，w₁₂越大耦合越强。把谐振模式设置为TE102，仿真可得到两个谐振频率f₁与f₂，根据f₁与f₂可计算k₁₂为：

经仿真调整得到，当第一耦合窗口21与第二耦合窗口22的宽度w₁₂为368μm时，第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间的耦合系数k₁₂＝0.1292。

同理，第二阶耦合谐振腔R2与第三阶耦合谐振腔R3之间的耦合窗口，即第三耦合窗口23与第四耦合窗口24的直径为368μm。

S23：外部品质因数Q_E计算

谐振腔的外部品质因数Q_E由下式计算：

计算可得Q_E＝6.8。

在HFSS三维电磁仿真软件中，外部品质因数Q_E可由下式表示：

其中，ω₀＝2πf₀，Q_E正比于谐振器的S11群时延τ_S11，因此可计算出HFSS三维电磁仿真软件中τ_S11的理论值为2.71×10^-11s。请参见图12，图12是本实施例滤波器的外部品质因数Q_E提取模型的横截面示意图，如图所示，在HFSS三维电磁仿真软件中建模，当各参数分别调整为：w₁＝296μm，w₂＝320μm，w₃＝346μm，l₁＝470μm，l₂＝370μm，d_c＝320μm时，τ_S11的仿真值达到最大值2.71×10^-11s，且最大值的位置在f₀＝159.69GHz。根据以上所述计算结果，将各个谐振腔按照所述耦合机制进行综合，最终得到双层堆叠式差分微波带通滤波器。

请参见图13a-图13b，图13a-图13b是本发明实施例提供的双层堆叠式差分带通滤波器的频率响应图，如图13a所示，差分信号得以良好的传输，形成150-170GHz的通带，带内插损为-1.6dB，回波损耗优于15dB，带内有三个明显的极点。共模信号的频率响应如图13b所示，共模信号被显著抑制，在较宽的频带内插损共模抑制优于-40dB，回波损耗优于-2dB。

本发明实施例的双层堆叠式差分微波带通滤波器，采用双层堆叠的方法，将部分谐振腔放置于下玻璃基板上，显著减小了该滤波器结构的面积；采用差分输入与差分输出的双模式传输结构，即利用TE102模式提供差分信号通带，显著抑制了共模信号的传输；采用玻璃基板代替硅衬底制作三维无源器件，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数，使得双层堆叠式差分微波带通滤波器的功耗显著降低，提高了滤波器的品质因数；另外，同时采用玻璃基板和三维集成技术，使得SIW结构的特征尺寸显著减小，进而使得滤波器的谐振频率提取得以显著提高。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，包括：

第一金属层；

若干第一导体柱，设置在所述第一金属层上；

第二金属层，设置在所述第一导体柱上，所述第二金属层上设置有第一输入辐射窗口、第二输入辐射窗口、第一输出辐射窗口和第二输出辐射窗口，所述第一输入辐射窗口、所述第二输入辐射窗口、所述第一输出辐射窗口和所述第二输出辐射窗口的形状为圆形；

所述第一金属层、所述第一导体柱与所述第二金属层形成第一阶耦合谐振腔、第二阶耦合谐振腔和第三阶耦合谐振腔，相邻两个耦合谐振腔之间设置有若干个耦合窗口；

若干第二导体柱，设置在所述第二金属层上；

第三金属层，设置在所述第二导体柱上，所述第三金属层上设置有第一凹槽、第二凹槽、第三凹槽、第四凹槽、第一金属片、第二金属片、第三金属片和第四金属片，其中，所述第一金属片设置在所述第一凹槽中，所述第二金属片设置在所述第二凹槽中，所述第三金属片设置在所述第三凹槽中，所述第四金属片设置在所述第四凹槽中，所述第一金属片和所述第二金属片形成差分输入端口，所述第三金属片和所述第四金属片形成差分输出端口；

所述第二金属层、所述第二导体柱与所述第三金属层形成第一输入谐振腔、第二输入谐振腔、第一输出谐振腔和第二输出谐振腔；其中，所述第一凹槽设置在所述第一输入谐振腔中，所述第二凹槽设置在所述第二输入谐振腔中，所述第三凹槽设置在所述第一输出谐振腔中，所述第四凹槽设置在所述第二输出谐振腔中；所述第一输入辐射窗口设置在所述第一输入谐振腔和所述第一阶耦合谐振腔之间，所述第二输入辐射窗口设置在所述第一阶耦合谐振腔和所述第二输入谐振腔之间，所述第一输出辐射窗口设置在所述第三阶耦合谐振腔和所述第一输出谐振腔之间，所述第二输出辐射窗口设置在所述第三阶耦合谐振腔和所述第二输出谐振腔之间；

所述双层堆叠式差分微波带通滤波器同时传播TE101模式与TE102模式的电磁波，由所述TE101模式和所述TE102模式构成差模通带，其中，所述第一输入谐振腔、所述第二输入谐振腔、所述第一输出谐振腔和所述第二输出谐振腔工作TE101模式下，所述第一阶耦合谐振腔、所述第二阶耦合谐振腔、所述第三阶耦合谐振腔工作在TE102模式；

第一绝缘基板，设置在所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述第一绝缘基板上设置有若干第一通孔，若干所述第一导体柱设置在所述第一通孔中；

第二绝缘基板，设置在所述第二金属层和所述第三金属层之间，所述第二绝缘基板上设置有若干第二通孔，若干所述第二导体柱设置在所述第一通孔中；

所述第一绝缘基板和所述第二绝缘基板的材质均包括玻璃。

2.如权利要求1所述的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述耦合窗口的个数为偶数个，偶数个所述耦合窗口沿所述耦合谐振腔的中心线对称分布。

3.如权利要求1所述的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述差分输入端口和差分输出端口分别设置在所述第三金属层的相对两侧。

4.如权利要求1所述的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述第一金属层、所述第一导体柱、所述第二金属层、所述第二导体柱和所述第三金属层的材料均包括铜。

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