CN114284661B - 基于tsv的六阶高性能交叉耦合siw滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器，包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔依次排布呈L型设置；上层RDL的相对两侧分别设有输入RDL端口和输出RDL端口；上层RDL上开设有S槽缺口a，下层RDL上开设有S槽缺口b，S槽缺口a和S槽缺口b拼接在一起恰好形成两个整圆。本发明采用交叉耦合的拓扑结构，用于实现六阶基片集成波导。

Description

基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，涉及一种基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器。

背景技术

随着无线通信的快速发展，军事通信领域500MHz-5GHz频段的资源逐渐短缺。太赫兹频段集成了微波通信以及光通信的优点，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高和穿透性优良等诸多优点，其在军事通信应用广阔的发展前景，已经成为各个研究人员研究开发的热点。

基于TSV 的SIW 滤波器具有结构紧凑、易于集成、体积小、高品质因数和优良的高频特性等特点。因此，基于TSV 的SIW 滤波器在太赫兹频段的频率的研究具有非常深远的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器，该滤波器采用交叉耦合的拓扑结构，用于实现六阶基片集成波导。

本发明所采用的技术方案是，基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器，包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔依次排布呈L型设置；上层RDL的相对两侧分别设有输入RDL端口和输出RDL端口；上层RDL上开设有S槽缺口a，下层RDL上开设有S槽缺口b，S槽缺口a和S槽缺口b拼接在一起恰好形成两个整圆。

本发明的特点还在于：

六个谐振腔分别为：第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔及第六谐振腔；

第四谐振腔分别与第三谐振腔和第五谐振腔相邻，第六谐振腔分别与第五谐振腔和第三谐振腔相邻。

S槽缺口a和S槽缺口b位于第三谐振腔和第六谐振腔的公共边上。

第一谐振腔与第二谐振腔之间设有窗口A；第二谐振腔与第三谐振腔之间设有窗口B；第三谐振腔与第四谐振腔之间设有窗口C；第四谐振腔与第五谐振腔之间设有窗口D；第五谐振腔与第六谐振腔之间设有窗口E；

所述窗口A、窗口B、窗口C、窗口D及窗口E相对两侧的TSV数量相同。

输入RDL端口与窗口A分别位于第一谐振腔的相对两端，所述输出RDL端口与第六谐振腔和第三谐振腔的公共边相对设置。

本发明的有益效果是：本发明提供的六阶基片集成波导交叉耦合滤波器，采用上下两金属层（铜）RDL结构分别作为滤波器电路的高低电平区域，上下两层RDL的结构分别是作为滤波器电路的高低电平区域，上下两层RDL的中间采用TSV进行排布与上下RDL一同实现正耦合和负耦合结合的交叉耦合拓扑功能。

附图说明

图1是本发明基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器（上RDL、下RDL和TSV部分）的俯视图；

图2是本发明基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器的三维模型；

图3是基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器在HFSS（High FrequencyStructure Simulator，高频结构仿真）的仿真曲线图。

图中，1.输入RDL端口，2.上层RDL，3.第一谐振腔，4.第二谐振腔，5.第三谐振腔，6.第四谐振腔，7.第五谐振腔，8.第六谐振腔，9.输出RDL端口，10.硅基衬底，11.下层RDL，12.TSV，13.S槽缺口a，14.S槽缺口b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于TSV（硅通孔）的六阶高性能交叉耦合SIW（SIW，基片集成波导）滤波器，该滤波器为六阶，也就是有六个谐振腔。如图1、2所示，包括沿水平方向平行设置的上层RDL2和下层RDL11，上层2与下层RDL11之间设有硅基衬底10，硅基衬底10上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔依次排布呈L型设置；上层RDL2的相对两侧分别设有输入RDL端口1和输出RDL端口9；上层RDL2上开设有S槽缺口a13，下层RDL11上开设有S槽缺口b14，S槽缺口a13和S槽缺口b14方向相反，二者拼接在一起恰好形成两个整圆。

六个谐振腔分别为：第一谐振腔3、第二谐振腔4、第三谐振腔5、第四谐振腔6、第五谐振腔7及第六谐振腔8；

第四谐振腔6分别与第三谐振腔5和第五谐振腔7相邻，第六谐振腔8分别与第五谐振腔7和第三谐振腔相邻5。

S槽缺口a13和S槽缺口b14位于第三谐振腔5和第六谐振腔8的公共边上。

第一谐振腔3与第二谐振腔4之间设有窗口A；第二谐振腔4与第三谐振腔5之间设有窗口B；第三谐振腔5与第四谐振腔6之间设有窗口C；第四谐振腔6与第五谐振腔7之间设有窗口D；第五谐振腔7与第六谐振腔8之间设有窗口E；

窗口A、窗口B、窗口C、窗口D及窗口E相对两侧的TSV数量相同。

图1中标注的A、B、C、D、E分别为各窗口的位置。

输入RDL端口1与窗口A分别位于第一谐振腔3的相对两端，输出RDL端口9与第六谐振腔8和第三谐振腔5的公共边相对设置。

输入RDL端口1的尺寸为：长170μm、宽45.27μm。

TSV12的尺寸为：直径10μm、高度100μm。

由于上层RDL2和下层RDL11均为L形结构，因此，上层RDL2较长部分长是801.76μm、较短的部分长是419.17μm，上层RDL2左侧部分宽为220μm，上层RDL2右侧部分宽415μm。下层RDL11分为两部分，较长的部分长是852.03μm、较短的部分长是419.17μm，下层RDL11左侧部分宽为220μm、右侧部分宽465.27μm。

第一谐振腔3的四个侧边分别为区域I、区域XI、区域V及输入RDL端口，区域I中包括从左至右共10TSV12；区域XI包括从上至下共4个TSV12；区域V包括从左至右共10个TSV12；

第二谐振腔4的四个侧边分别为：区域XI、区域II、区域XII、区域VI，区域II包括从左至右共10个TSV12；区域XII包括从上至下共计4个TSV12；区域VI包括从左至右共计10个TSV12；

第三谐振腔5的四个侧边分别为：区域XII、区域III、区域XIII及区域XVI，区域III包括从左至右共计10个TSV12；区域XIII包括从上至下共计4个TSV12；区域XVI包括从左至右共计6个TSV12；

第四谐振腔6的四个侧边分别为：区域XIII、区域IV、区域VII及区域XIV；区域IV包括从左至右共计10个TSV12，区域VII包括从上至下共计10个TSV12；区域XIV包括从左至右共计4个TSV12；

第五谐振腔7的四个侧边分别为：区域XIV、区域VIII、区域IX、区域XV，区域VIII包括从上至下共计10个TSV12；区域IX包括从左至右共计14个TSV12；区域XV包括从上至下共计4个TSV12；

第六谐振腔8的四个侧边分别为：区域XV、区域XVI、区域X及输出RDL端口9；

S槽缺口a13和S槽缺口b14位于区域XVI处；区域X包括从上至下共计11个TSV12。

第一个谐振腔3和第二谐振腔4的窗口A之间距离135μm（该距离为窗口A的宽度）。第二谐振腔4和第三谐振腔5的窗口B之间距离130μm（该距离为窗口B的宽度）。第三谐振腔5和第四谐振腔6的窗口C之间距离125μm（该距离为窗口C的宽度）。第四谐振腔6和第五谐振腔7的窗口D之间距离121.25μm（该距离为窗口D的宽度）。第五谐振腔7和第六谐振腔8的窗口E之间距离130.5μm（该距离为窗口E的宽度）。

第一谐振腔3和第二谐振腔4之间的公共边上从上至下依次有四个TSV12：第一个TSV12和相邻长边的中轴线之间的距离为12.5μm（第一个TSV12相邻的长边分别为区域I和区域II，该距离12.5μm指的是区域I最后1个TSV12和区域II第一个TSV12之间的中轴线与第一个TSV12的距离）；第四TSV12和相邻长边的中轴线之间的距离为12.5μm（第四个TSV12相邻的长边分别为区域V和区域VI，该距离12.5μm指的是区域V最后1个TSV12和区域VI第一个TSV12之间的中轴线与第四个TSV12的距离）；第二个TSV12和第三个TSV12中轴线之间的距离为135μm（即窗口A的宽度）。

第二谐振腔4和第三谐振腔5之间的公共边上从上至下依次有四个TSV12：第一个TSV12和相邻长边的中轴线之间的距离为15μm（第一个TSV12相邻的长边分别为区域II和区域III，该距离15μm指的是区域II最后1个TSV12和区域III第一个TSV12之间的中轴线与第一个TSV12的距离）；第四个TSV12和相邻长边的中轴线之间的距离为15μm（第四个TSV12相邻的长边分别为区域VI和区域XVI，该距离15μm指的是区域VI最后1个TSV12和区域XVI第一个TSV12之间的中轴线与第四个TSV12的距离）；第二个TSV和第三个TSV中轴线之间的距离为130μm（该距离为窗口B的宽度）。

第三谐振腔5和第四谐振腔6之间长边上依次有四个TSV12：第一个TSV12和相邻长边的中轴线之间的距离为17.5μm（第一个TSV12相邻的长边分别为区域III和区域IV，该距离17.5μm指的是区域III最后1个TSV12和区域IV第一个TSV12之间的中轴线与第一个TSV12的距离）；第四个TSV和相邻长边的中轴线之间的距离为17.5μm（第四个TSV12相邻的长边分别为区域XVI和区域XIV，该距离17.5μm指的是区域XVI最后1个TSV12和区域XIV第一个TSV12之间的中轴线与第四个TSV12的距离）；第二个TSV和第三个TSV中轴线之间的距离125μm（该距离为窗口C的宽度）。

第四谐振腔6和第五谐振腔7之间的公共边上依次从左至右依次设有四个TSV12：第一个TSV和相邻长边的中轴线之间的距离为21.95μm（第一个TSV12相邻的长边分别为区域XIII和区域XV，该距离21.95μm指的是区域XIII最后1个TSV12和区域XV第一个TSV12之间的中轴线与第一个TSV12的距离）；第四个TSV和相邻长边的中轴线之间的距离为21.95μm（第四个TSV12相邻的长边分别为区域VII和区域VIII，该距离21.95μm指的是区域VII最后1个TSV12和区域VIII第一个TSV12之间的中轴线与第四个TSV12的距离）；第二个TSV和第三个TSV中轴线之间的距离为121.25μm（该距离为窗口D的宽度）。

第五谐振腔7和第六谐振腔8之间的公共边上从上至下依次有四个TSV：第一个TSV和相邻长边的中轴线之间的距离为14.75μm（第一个TSV12相邻的长边分别为区域XVI和区域XIV，该距离14.75μm指的是区域XVI最后1个TSV12和区域XIV第一个TSV12之间的中轴线与第一个TSV12的距离）；第四个TSV和相邻长边的中轴线之间的距离为14.75μm（第四个TSV12相邻的长边为区域IX，该距离14.75μm指的是区域IX的从左起第一个TSV12与第该公共边上第四个TSV之间的距离）；第二个TSV12和第三个TSV12中轴线之间的距离为130.5μm（该距离为窗口E的宽度）。

本发明中采用硅基衬底10，与目前普遍的硅工艺品相兼容。

本发明中的馈线采用微带线和共面波导相结合的方式，使得以足够小的尺寸实现良好的馈电效果。

图3为本发明在HSFF中的仿真曲线图，由图3可以看出，该滤波器实现了通带插入损耗（S₂₁）为2.0dB以内，对应的频段是257.59GHz-302.28GHz，中心频率f₀为279.94GHz,计算后得到的带宽是44.69GHz。通带内对应的回波损耗（S₁₁）最小是10.60dB。并且在低于245.3GHz 和高于324.2 GHz的频率下，该滤波器回波损耗已经高于25 dB。

同时，该滤波器还实现了一个更为优化特性即通带插入损耗（S₂₁）为1.5dB以内，对应的频段是265.48GHz-296.48GHz，中心频率f₀为280.98GHz,计算后得到的带宽是30GHz。通带内对应的回波损耗（S₁₁）最小是11.04dB。并且在低于245.3GHz 和高于324.2GHz的频率下，该滤波器回波损耗已经高于25 dB。

Claims (1)

1.基于TSV的六阶高性能交叉耦合SIW滤波器，其特征在于：包括沿水平方向平行设置的上层RDL和下层RDL，上层RDL与下层RDL之间设有硅基衬底，硅基衬底上分布有六个由TSV构成的谐振腔，六个谐振腔依次排布呈L型设置；上层RDL分别设有输入RDL端口和输出RDL端口；上层RDL上开设有S槽缺口a，下层RDL上开设有S槽缺口b，S槽缺口a和S槽缺口b拼接在一起恰好形成两个整圆；

六个所述谐振腔分别为：第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔、第五谐振腔及第六谐振腔；

第四谐振腔分别与第三谐振腔和第五谐振腔相邻，第六谐振腔分别与第五谐振腔和第三谐振腔相邻；

所述S槽缺口a和S槽缺口b位于第三谐振腔和第六谐振腔的公共边上；

所述第一谐振腔与第二谐振腔之间设有窗口A；第二谐振腔与第三谐振腔之间设有窗口B；第三谐振腔与第四谐振腔之间设有窗口C；第四谐振腔与第五谐振腔之间设有窗口D；第五谐振腔与第六谐振腔之间设有窗口E；

所述窗口A、窗口B、窗口C、窗口D及窗口E相对两侧的TSV数量相同；

所述输入RDL端口与窗口A分别位于第一谐振腔的相对两端，所述输出RDL端口与第六谐振腔和第三谐振腔的公共边相对设置。

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