CN110176660B - 一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，包括自上而下依次设置的上金属层、上玻璃基板、中间金属层、下玻璃基板和下金属层，其中，上金属层上设置有用作差分输入端口的第一金属片和第二金属片，以及用作差分输出端口的第三金属片和第四金属片；上玻璃基板上设置有多个上玻璃基板通孔，上玻璃基板通孔的内部填充有第一金属导体柱；中间金属层上设置有多个辐射窗口，多个辐射窗口均联通上玻璃基板与下玻璃基板；下玻璃基板上设置有多个下玻璃基板通孔，下玻璃基板通孔的内部填充有第二金属导体柱。该滤波器采用玻璃基板制作三维无源器件，可消除高频电路中的涡流效应，显著降低无源器件的高频损耗。

Description

一种基于高次模的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技术领域，具体涉及一种基于高次模的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，其损耗较低。然而，波导结构的体积一般较大，生产成本较高，且与单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)难于集成在一个系统上。随后出现的低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，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其广泛应用。

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(Substrate integrated waveguide，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。但是，目前所使用的半导体硅衬底在高频条件下具有较大的损耗，因此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，本发明提供了一种基于高次模的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：

本发明提供了一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，包括自上而下依次设置的上金属层、上玻璃基板、中间金属层、下玻璃基板和下金属层，其中，

所述上金属层上设置有用作差分输入端口的第一金属片和第二金属片，以及用作差分输出端口的第三金属片和第四金属片；

所述上玻璃基板上设置有多个上玻璃基板通孔，所述上玻璃基板通孔的内部填充有第一金属导体柱；

所述中间金属层上设置有多个辐射窗口，所述多个辐射窗口均联通所述上玻璃基板与所述下玻璃基板；

所述下玻璃基板上设置有多个下玻璃基板通孔，所述下玻璃基板通孔的内部填充有第二金属导体柱。

在本发明的一个实施例中，所述上金属层的第一侧壁上开设有第一凹槽和第二凹槽，所述第一金属片形成于第一凹槽中，第二金属片形成于第二凹槽中；所述上金属层的与所述第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽和第四凹槽，第三金属片形成于第三凹槽中，第四金属片形成于第四凹槽中。

在本发明的一个实施例中，多个所述上玻璃基板通孔在所述上玻璃基板上形成两个对称的长方形结构，且所述第一金属片、所述第二金属片、所述第三金属片和所述第四金属片在所述上玻璃基板的垂直投影范围内未开设上玻璃基板通孔。

在本发明的一个实施例中，所述第一金属导体柱的两端分别连接所述上金属层与所述中间金属层，并且多个所述第一金属导体柱与所述上金属层和所述中间金属层共同形成差分输入谐振腔和差分输出谐振腔；

所述第一凹槽和所述第二凹槽位于所述差分输入谐振腔中所述第三凹槽和所述第四凹槽位于差分输出谐振腔中。

在本发明的一个实施例中，所述中间金属层中开设有第一辐射窗口、第二辐射窗口、第三辐射窗口和第四辐射窗口，其中，

所述第一辐射窗口和所述第二辐射窗口对称分布在所述差分输入谐振腔的下方；

所述第三辐射窗口和所述第四辐射窗口对称分布在所述差分输出谐振腔的下方。

在本发明的一个实施例中，多个所述下玻璃基板通孔在所述下玻璃基板上分布成三个长方形结构。

在本发明的一个实施例中，所述第二金属导体柱的两端分别连接所述中间金属层与所述下金属层，并与所述中间金属层和所述下金属层共同形成第一阶谐振腔、第二阶谐振腔以及第二阶谐振腔。

在本发明的一个实施例中，所述第一阶谐振腔位于所述差分输入谐振腔的下方，所述第三阶谐振腔位于所述差分输出谐振腔的下方。

在本发明的一个实施例中，所述第一阶谐振腔与第二阶谐振腔之间设置有第一耦合窗口和第二耦合窗口，用于进行所述第一阶谐振腔与所述第二阶谐振腔之间的磁耦合；所述第二阶谐振腔与所述第三阶谐振腔之间设置有第三耦合窗口与第四耦合窗口，用于进行所述第二阶谐振腔与所述第三阶谐振腔之间的磁耦合。

在本发明的一个实施例中，所述上金属层、所述中间金属层、所述下金属层、所述第一金属导体柱以及所述第二金属导体柱的材料均为铜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的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。

2、本发明的带通滤波器采用差分输入与差分输出结构，并将下玻璃基板中形成的三个谐振腔用作共模抑制单元，利用腔体的TE102模式构建差模通带，实现良好的共模抑制特性。

3、本发明的带通滤波器采用玻璃基板代替硅衬底制作三维无源器件，玻璃的相对介电常数远小于硅衬底，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，使得功耗显著降低，提高了滤波器的品质因数。

4、本发明的带通滤波器采用高次模(TE102模式)作为滤波器主模，利用其电磁场的对称性设计差分带通滤波器，抑制共模信号的传输。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图；

图2a是本发明实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的上层金属的俯视图；

图2b是本发明实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的上层玻璃基板的俯视图；

图2c是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的中间层金属的俯视图；

图2d是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的下层玻璃基板的俯视图；

图2e是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的下层金属的俯视图；

图3a是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的耦合机制示意图；

图3b是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的等效耦合机制示意图；

图4是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的等效矩形波导谐振腔的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器中谐振腔在TE102模式下的电磁示意图；

图6是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的耦合系数k₁₂的HFSS仿真模型图；

图7是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的外部品质因数Q_E提取模型的示意图；

图8a是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的差分模式频率响应图；

图8b是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的共模模式频率响应图。

附图标记如下：

1-上金属层；11-第一凹槽；12-第二凹槽；13-第三凹槽；14-第四凹槽；2-上玻璃基板；21-上玻璃基板通孔；22-第一金属导体柱；3-中间金属层；31-第一辐射窗口；32-第二辐射窗口；33-第三辐射窗口；34-第四辐射窗口；4-下玻璃基板；41-下玻璃基板通孔；42-第二金属导体柱；43-第一耦合窗口；44-第二耦合窗口；45-第三耦合窗口；46-第四耦合窗口；5-下金属层；6-第一金属片；7-第二金属片；8-第三金属片；9-第四金属片；S-差分输入谐振腔；L-差分输出谐振腔；R1-第一阶谐振腔；R2-第二阶谐振腔；R3-第三阶谐振腔。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请一并参见图1和图2a-图2e，图1是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的结构主视图，图2a至图2e分别是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的上金属层、上层玻璃基板、中间金属层、下层玻璃基板和下金属层的俯视图。该滤波器包括自上而下依次设置的上金属层1、上玻璃基板2、中间金属层3、下玻璃基板4和下金属层5。上金属层1上设置有用作差分输入端口的第一金属片6和第二金属片7，以及用作差分输出端口的第三金属片8和第四金属片9，在本实施例中，第一金属片6、第二金属片7、第三金属片8和第四金属片9的尺寸相同，长边的长度均为470μm、短边的长度为296μm。上玻璃基板2上设置有多个上玻璃基板通孔21，上玻璃基板通孔21可以通过刻蚀得到，上玻璃基板通孔21的内部填充有第一金属导体柱22。在本实施例中，每个上玻璃基板通孔21的直径均为25μm。中间金属层3上设置有多个辐射窗口，多个辐射窗口均联通上玻璃基板2与下玻璃基板4，所述多个辐射窗口均可以通过刻蚀方法得到。下玻璃基板4上设置有多个下玻璃基板通孔41，下玻璃基板通孔41的内部填充有第二金属导体柱42。下玻璃基板通孔41同样可以通过刻蚀得到，在本实施例中，每个下玻璃基板通孔41的直径为25μm。

本实施例的带通滤波器采用玻璃基板代替硅衬底制作三维无源器件，玻璃的相对介电常数远小于硅衬底，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，使得功耗显著降低，提高了滤波器的品质因数。

在使用时，上金属层1接地，上玻璃基板2作为本实施例滤波器的上层基底，中间金属层3作为上玻璃基板2和下玻璃基板4的共用接地层，下玻璃基板4作为本实施例滤波器的下层基底，下金属层5用于将上金属层1上的电荷及时移入大地；第一金属片6和第二金属片7分别作为本实施例滤波器的差分输入端口，第三金属片8和第四金属片9分别作为本实施例滤波器的差分输出端口，所述差分输入端口和差分输出端口分别用于差分输入和差分输出电磁波。第一金属导体柱22与上玻璃基板2构成接地栅结构，下金属层5与上金属层1、中间金属层3、第一金属导体柱22以及第二金属导体柱42共同形成封闭的滤波器谐振腔。

进一步地，如图2a所示，上金属层1的第一侧壁上开设有第一凹槽11和第二凹槽12，第一金属片6形成于第一凹槽11中，第二金属片7形成于第二凹槽12中；上金属层1的与第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽13和第四凹槽14，第三金属片8形成于第三凹槽13中，第四金属片9形成于第四凹槽14中。在本实施例中，四个金属片超出四个凹槽的长度l2均为100μm，四个凹槽的槽宽均为310μm，且金属片的宽度略小于凹槽的槽宽，使得金属片的两侧壁与相应的槽壁之间均存在一定间隙。

进一步地，请参见图2b，多个上玻璃基板通孔21在上玻璃基板2上形成两个对称的长方形结构，且第一金属片6、第二金属片7、第三金属片8和第四金属片9在上玻璃基板2的垂直投影范围内未开设上玻璃基板通孔21，即在每个长方形结构中各形成两个缺口。相邻的两个上玻璃基板通孔21之间的中心间距为50μm，每个上玻璃基板通孔2的内部填充有一个第一金属导体柱22，第一金属导体柱22的两端分别连接上金属层1与中间金属层3，并且多个第一金属导体柱22与上金属层1和中间金属层3共同形成差分输入谐振腔S和差分输出谐振腔L，如图3a所示。此外，第一凹槽11和第二凹槽12位于差分输入谐振腔S中，第三凹槽13和第四凹槽14位于差分输出谐振腔L中。在本实施例中，差分输入谐振腔S和差分输出谐振腔L均为长方形谐振腔体，其长边的长度为1172μm，其短边的长度为长边的1/2。

进一步地，如图2c所示，中间金属层3中开设有第一辐射窗口31、第二辐射窗口32、第三辐射窗口33和第四辐射窗口34，其中，第一辐射窗口31和第二辐射窗口32对称分布在差分输入谐振腔S的下方，第一辐射窗口31和第二辐射窗口32均为圆形形状，其直径均为304μm；第三辐射窗口33和第四辐射窗口34对称分布在差分输出谐振腔L的下方，第三辐射窗口33和第四辐射窗口34均为圆形形状，直径均为304μm，并且第一辐射窗口31、第二辐射窗口32、第三辐射窗口33和第四辐射窗口34均为开设在中间金属层3上的通孔结构。

进一步地，如图2d所示，多个下玻璃基板通孔41在下玻璃基板4上分布成三个长方形结构。每个下玻璃基板通孔41的内部填充有一个第二金属导体柱42，第二金属导体柱42的两端分别连接中间金属层3与下金属层5，并与中间金属层3和下金属层5共同形成第一阶谐振腔R1、第二阶谐振腔R2以及第二阶谐振腔R3。相邻两个下玻璃基板通孔6之间的中心间距为50μm，它的两端分别连接中间金属层4和下金属层7形成第一阶谐振腔R1、第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3，如图3a所示。

第一阶谐振腔R1位于差分输入谐振腔S的下方，第三阶谐振腔R3位于差分输出谐振腔L的下方。更进一步地，第一辐射窗口31和第二辐射窗口32均位于差分输入谐振腔S与第一阶谐振腔R1之间；第三辐射窗口33和第四辐射窗口34均位于差分输出谐振腔L与第三阶谐振腔R3之间。

继续参见图2d，第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间设置有第一耦合窗口43和第二耦合窗口44，用于进行第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2之间的磁耦合。具体地，在第一阶谐振腔R1与第二阶谐振腔R2连接的公共侧壁上开设有多个下玻璃基板通孔61，但是，所述公共侧壁的一部分并未开设有下玻璃基板通孔61，从而形成了第一耦合窗口43和第二耦合窗口44，第一耦合窗口43和第二耦合窗口44的窗口宽度均为368μm，其用于实现第一阶谐振腔R1和第二阶谐振腔R2之间的磁耦合。第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间设置有第三耦合窗口45与第四耦合窗口46，用于进行第二阶谐振腔R2与第三阶谐振腔R3之间的磁耦合。具体地，在第二谐振腔R2与第三阶谐振腔R3连接的公共侧壁上开设有多个下玻璃基板通孔61，但是，所述公共侧壁的一部分并未开设有下玻璃基板通孔61，从而形成了第三耦合窗口45和第四耦合窗口46，第三耦合窗口45和第四耦合窗口46的窗口宽度为368μm，其用于实现第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3之间的磁耦合。第一阶谐振腔R1、第二阶谐振腔R2和第三阶谐振腔R3的宽度与差分输入谐振腔以及差分输出谐振腔的尺寸均相同。

进一步地，上金属层1、中间金属层3、下金属层5、第一金属导体柱10以及第二金属导体柱10的材料均为铜。

本实施例的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。

请参见图3a和图3b，图3a是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的耦合机制示意图；图3b是本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的等效耦合机制示意图。如图所示，差分输入谐振腔S与第一阶谐振腔R1之间的耦合为电耦合；第一阶谐振腔R1、第二阶谐振腔R2以及第三阶谐振腔R3之间的耦合为磁耦合；第三阶谐振腔R3与差分输出谐振腔L之间的耦合为电耦合。本发明实施例滤波器工作时，利用高次模，即TE102模式电磁场的对称性传播差分信号并构成差模响应通带，通带为150GHz-170GHz。当差模信号激励时，差分滤波器对称面可以等效为理想的电壁，差分拓扑结构可以等效为两个并列分布的二端口拓扑结构，等效耦合机制如图3b所示，K₁₂表示等效谐振腔R11与R21之间以及等效谐振腔R12与R22之间的耦合系数，K₂₃表示等效谐振腔R21与R31之间以及等效谐振腔R22与R32之间的耦合系数。具体地，等效输入谐振腔S₁与等效谐振腔R11通过第一辐射窗口31实现电耦合，等效输入谐振腔S₂与等效谐振腔R12通过第二辐射窗口32实现磁耦合；等效谐振腔R11与等效谐振腔R21通过第一耦合窗口43实现磁耦合，等效谐振腔R12与等效谐振腔R22通过第二耦合窗口44实现磁耦合；等效谐振腔R21与等效谐振腔R31通过第三耦合窗口45实现磁耦合，等效谐振腔R22与等效谐振腔R32通过第四耦合窗口46实现磁耦合；等效谐振腔R31与等效输出谐振腔L₁通过第三辐射窗口33实现电耦合，等效谐振腔R32与等效输出谐振腔L₂通过第四辐射窗口34实现电耦合。

本实施例的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的工作过程如下：首先，所需滤波的电磁波从所述差分输入端口输入至输入谐振腔S₁与S₂，传输模式为TE102模式；然后，通过第一辐射窗口31与第二辐射窗口32进行电耦合分别传输至第一阶谐振腔R11与R12；随后，所述电磁波通过第一耦合窗口43与第二耦合窗口44分别传输至第二阶谐振腔R21与R22，耦合方式为磁偶合，传输模式为TE102模式；接下来，所述电磁波继续通过第三耦合窗口45和第四耦合窗口46以磁耦合的方式分别传输至第三阶谐振腔R31与R32，传输模式为TE102模式；之后，所述电磁波再通过第三辐射窗口33与第四辐射窗口34以电偶合的方式传输至差分输出谐振腔L₁与L₂，再从所述输出端口输出，传输模式为TE102模式。

本发明实施例滤波器工作时，利用TE102模式电磁场的对称性传播差分信号并构成差模响应通带。当差模信号激励时，差分滤波器对称面可以等效为理想的电壁，差分拓扑结构可以等效为两个等效的二端口拓扑结构，三阶差分滤波器的差模响应通带的设计可以转化为两个同阶的SIW二端口滤波器设计，进而实现良好的共模抑制特性。

实施例二

在上述实施例的基础上，本实施例对所述双层堆叠式差分微波带通滤波器的设计方法进行详细描述。该设计方法包括：

步骤1：谐振腔尺寸的计算

基于差分输入谐振腔S与S’、差分输出谐振腔L与L’，电磁谐振为TE102模式，所需通带为150GHz-170GHz，根据公式

可得到通带的中心频率f₀＝159.69GHz，其中，f_L为通带的低频，此处取值为150GHz，f_H为通带的高频，此处取值为170GHz。

中心频率f₀与等效矩形波导的尺寸关系为：

其中，c₀为真空中的光速，ε_r为玻璃基板的介电常数，w_eff与l_eff分别为等效矩形波导的宽度与长度，w_eff与l_eff与SIW(基片集成波导)谐振腔尺寸的关系分别表示为：

其中，w为谐振腔的宽度，l为谐振腔的长度，d为围成所述谐振腔的基板通孔的直径，p为相邻基板通孔的中心间距。

对于长方形SIW谐振腔，w_eff＝2l_eff，w＝2l，则公式(2)可简化为：

结合f₀＝159.69GHz，可计算得到等效矩形波导l_eff＝566μm，再根据式(3)最终求得SIW长方形谐振腔的长度l＝586μm。

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4，图4是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的等效矩形波导谐振腔的示意图，如图所示，基板通孔的直径d＝25μm，两个基板通孔之间的中心间距p＝50μm，长方形谐振腔的长度l为580μm，谐振模式设置为2，即同时包括TE101与TE102两种谐振模式。经仿真调整得到，当l为586μm时SIW谐振腔的中心频率为159.69GHz。本实施例滤波器的电磁谐振模式为TE102模式，其腔体内的电场分布参见图5，即关于长方形谐振腔宽边中心线对称，使得TE102模式的电磁波得以激励，而TE101模式的电磁波无法传播。

步骤2：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6，图6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，等效谐振腔R11与R21之间的耦合为磁耦合，耦合窗口为第一耦合窗口43，耦合强度由耦合窗口的宽度w₁₂决定，w₁₂越大耦合越强。把谐振模式设置为2，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43与第二耦合窗口44的宽度w₁₂为368μm时等效谐振腔R11与谐振腔R21之间的耦合系数k₁₂＝0.1292。同理，等效谐振腔R12与谐振腔R22之间的耦合窗口，即第二耦合窗口44的宽度也为368μm。

步骤3：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：

其中，g₀和g₁为切比雪夫低通原型参数，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7，图7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，最终得到本实施例的双层堆叠式差分微波带通滤波器。

请参见图8a和图8b，图8a是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的差分模式频率响应图；图8b是本实施例提供的一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器的共模模式频率响应图。如图8a所示，差分信号得到良好的传输，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。如图8b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。

本实施例的基于高次模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；采用高次模(TE102模式)作为滤波器主模，利用其电磁场的对称性设计差分带通滤波器，抑制共模信号的传输。

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 (5)

1.一种基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的上金属层(1)、上玻璃基板(2)、中间金属层(3)、下玻璃基板(4)和下金属层(5)，其中，

所述上金属层(1)上设置有用作差分输入端口的第一金属片(6)和第二金属片(7)，以及用作差分输出端口的第三金属片(8)和第四金属片(9)；第一金属片(6)、第二金属片(7)、第三金属片(8)和第四金属片(9)的尺寸相同，长边的长度均为470μm、短边的长度为296μm；

所述上玻璃基板(2)上设置有多个上玻璃基板通孔(21)，所述上玻璃基板通孔(21)的内部填充有第一金属导体柱(22)，每个上玻璃基板通孔(21)的直径均为25μm，相邻的两个上玻璃基板通孔(21)之间的中心间距为50μm；

所述中间金属层(3)上设置有多个辐射窗口，所述多个辐射窗口均联通所述上玻璃基板(2)与所述下玻璃基板(4)；

所述下玻璃基板(4)上设置有多个下玻璃基板通孔(41)，所述下玻璃基板通孔(41)的内部填充有第二金属导体柱(42)，每个下玻璃基板通孔(41)的直径为25μm，相邻两个下玻璃基板通孔(6)之间的中心间距为50μm；

多个所述上玻璃基板通孔(21)在所述上玻璃基板(2)上形成两个对称且间隔的第一长方形结构和第二长方形结构，且所述第一金属片(6)、所述第二金属片(7)、所述第三金属片(8)和所述第四金属片(9)在所述上玻璃基板(2)的垂直投影范围内未开设上玻璃基板通孔(21)；

所述中间金属层(3)中开设有第一辐射窗口(31)、第二辐射窗口(32)、第三辐射窗口(33)和第四辐射窗口(34)，其中，

所述第一辐射窗口(31)、所述第二辐射窗口(32)、所述第三辐射窗口(33)和所述第四辐射窗口(34)均为圆形形状，直径均为304μm；

所述第一辐射窗口(31)和所述第二辐射窗口(32)对称分布在所述第一长方形结构的下方；

所述第三辐射窗口(33)和所述第四辐射窗口(34)对称分布在所述第二长方形结构的下方；

所述上金属层(1)的第一侧壁上开设有第一凹槽(11)和第二凹槽(12)，所述第一金属片(6)形成于第一凹槽(11)中，第二金属片(7)形成于第二凹槽(12)中；所述上金属层(1)的与所述第一侧壁相对的第二侧壁上开设有第三凹槽(13)和第四凹槽(14)，第三金属片(8)形成于第三凹槽(13)中，第四金属片(9)形成于第四凹槽(14)中，四个金属片超出四个凹槽的长度均为100μm，四个凹槽的槽宽均为310μm，且金属片的宽度略小于凹槽的槽宽，使得金属片的两侧壁与相应的槽壁之间均存在一定间隙；

所述第一金属导体柱(22)的两端分别连接所述上金属层(1)与所述中间金属层(3)，并且多个所述第一金属导体柱(22)与所述上金属层(1)和所述中间金属层(3)共同形成差分输入谐振腔(S)和差分输出谐振腔(L)；

所述第一凹槽(11)和所述第二凹槽(12)位于所述差分输入谐振腔(S)中所述第三凹槽(13)和所述第四凹槽(14)位于差分输出谐振腔(L)中；

多个所述下玻璃基板通孔(41)在所述下玻璃基板(4)上分布成三个长方形结构。

2.根据权利要求1所述的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述第二金属导体柱(42)的两端分别连接所述中间金属层(3)与所述下金属层(5)，并与所述中间金属层(3)和所述下金属层(5)共同形成第一阶谐振腔(R1)、第二阶谐振腔(R2)以及第三阶谐振腔(R3)。

3.根据权利要求2所述的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述第一阶谐振腔(R1)位于所述差分输入谐振腔(S)的下方，所述第三阶谐振腔(R3)位于所述差分输出谐振腔(L)的下方。

4.根据权利要求3所述的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述第一阶谐振腔(R1)与第二阶谐振腔(R2)之间设置有第一耦合窗口(43)和第二耦合窗口(44)，用于进行所述第一阶谐振腔(R1)与所述第二阶谐振腔(R2)之间的磁耦合；所述第二阶谐振腔(R2)与所述第三阶谐振腔(R3)之间设置有第三耦合窗口(45)与第四耦合窗口(46)，用于进行所述第二阶谐振腔(R2)与所述第三阶谐振腔(R3)之间的磁耦合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于高次模的双层堆叠式差分微波带通滤波器，其特征在于，所述上金属层(1)、所述中间金属层(3)、所述下金属层(5)、所述第一金属导体柱(10)以及所述第二金属导体柱(10)的材料均为铜。

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