CN117748067A - 基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及射频器件技术领域，公开了基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，包括GaAs衬底，GaAs衬底的上层设置有微带线结构，微带线结构的表面设置有折叠微带线结构；其中，微带线结构包括两组对称设置的波导八分之一模谐振器，且波导八分之一模谐振器为直角三角形，波导八分之一模谐振器的表面直角边一侧刻蚀有矩形槽，且两组波导八分之一模谐振器上的矩形槽相互连通；折叠微带线结构包括两组对称设置的四分之一波长短路谐振器，且四分之一波长短路谐振器位于矩形槽的内部。本发明提出的GaAs片上集成波导混合式带通滤波器具有紧凑的尺寸、较低的插入损耗，较宽的工作带宽，陡峭的选择性和良好的带外抑制特性。
Description
技术领域
本发明涉及射频器件技术领域，具体来说，涉及基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器。
背景技术
随着无线通信和雷达系统的工作频率、带宽、频段不断增加，高性能、小型化的滤波网络越发重要，对其开展研究具有重要的实际意义。
基片集成波导(SIW)滤波网络因其在重量、体积、加工成本等方面优于传统金属波导滤波网络，并且在毫米波频段可以有效解决微带滤波网络导体损耗和辐射损耗大的问题，从而在微波高频段应用广泛。然而，在5G大规模多输入多输出(Massive MIMO)阵列架构中，SIW滤波网络的物理尺寸仍然偏大，不符合系统小型化、集成化设计要求。此外，在毫米波较高频段如V波段、W波段，SIW滤波网络如果使用传统印制电路板(PCB)工艺加工，则精度有限(通常为0.02mm)且一致性难以保证，这些加工误差甚至损毁会严重影响滤波网络的幅相特性。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，通过采用基于GaAs工艺的片上集成波导与微带传输结构的带通滤波器，实现灵活的拓扑网络，超紧凑的结构以及高阶带通滤波响应，实现在毫米波尤其是W波段具有低损耗、宽频段、高选择性与高阻带抑制特性的带通滤波器，从而可以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，包括GaAs衬底，GaAs衬底的上层设置有微带线结构，微带线结构的表面设置有折叠微带线结构；微带线结构一侧的两端均设置有90度转接线，90度转接线的另一端连接有过渡阻抗变换线，过渡阻抗变换线的另一端连接有欧姆微带线；其中，微带线结构包括两组对称设置的波导八分之一模谐振器，且波导八分之一模谐振器为直角三角形，波导八分之一模谐振器的表面直角边一侧刻蚀有矩形槽，且两组波导八分之一模谐振器上的矩形槽相互连通；折叠微带线结构包括两组对称设置的四分之一波长短路谐振器，且四分之一波长短路谐振器位于矩形槽的内部。
进一步的，GaAs衬底的厚度为100um，GaAs衬底的底部电镀金。
进一步的，两组波导八分之一模谐振器之间纵向设置有若干金属化通孔。两个波导八分之一模谐振器通过开窗的金属化通孔实现电感性耦合特性。
进一步的，90度转接线包括与波导八分之一模谐振器连接的滤波器输入输出馈线，滤波器输入输出馈线的另一端连接有滤波器馈线转角，滤波器馈线转角的另一端连接有滤波器馈线，且滤波器馈线的另一端与过渡阻抗变换线的一端连接。
进一步的，四分之一波长短路谐振器的一端为开路连接端，四分之一波长短路谐振器的另一端为短路连接端。短路连接端的四分之一波长短路谐振器与波导八分之一模谐振器呈现电感性耦合特性，两组开路连接端的四分之一波长短路谐振器之间呈现出电容性耦合特性。
本发明的有益效果为：本发明考虑到毫米波频段的精度和集成化需求，采用基于GaAs工艺的毫米波单片集成电路(MMIC)技术制备SIW滤波网络，不仅拥有较高的集成度和成熟的工艺，还表现出高速、低介质损耗和高可靠性等优势，具有紧凑的尺寸、较低的插入损耗，较宽的工作带宽，陡峭的选择性和良好的带外抑制特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器中GaAs衬底的工艺示意图；
图3是根据本发明实施例的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器中基于GaAs工艺的混合式滤波器的耦合拓扑图；
图4是根据本发明实施例的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器中基于GaAs工艺的混合式滤波器的频率响应图。
图中：
1、欧姆微带线；2、过渡阻抗变换线；3、滤波器馈线；4、滤波器馈线转角；5、滤波器输入输出馈线；6、波导八分之一模谐振器；7、四分之一波长短路谐振器；8、金属化通孔；9、开路连接端；10、短路连接端；11、矩形槽；12、GaAs衬底。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器。
本发明考虑到毫米波频段的精度和集成化需求，采用基于GaAs工艺的毫米波单片集成电路(MMIC)技术制备SIW滤波网络，为和PCB工艺区别，以下称基于该工艺技术的SIW滤波网络为片上集成波导滤波网络。该技术不仅拥有较高的集成度和成熟的工艺，还表现出高速、低介质损耗和高可靠性等优势，尤其近些年GaAs工艺的制备成本正在不断降低，应用范围不断增大。目前，GaAs工艺已逐渐应用于无源器件的设计，并实现了较好的工作性能，为高集成、宽频段、高选择性的毫米波片上集成滤波网络研究提供了极佳的契机。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-图2所示，根据本发明实施例的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，包括GaAs衬底12，且GaAs衬底12的厚度为10um，GaAs衬底12的底部电镀金，GaAs衬底12的上层设置有微带线结构，微带线结构的表面设置有折叠微带线结构；微带线结构一侧的两端均设置有90度转接线，90度转接线的另一端连接有过渡阻抗变换线2，过渡阻抗变换线2的另一端连接有欧姆微带线1；
其中，90度转接线包括与波导八分之一模谐振器6连接的滤波器输入输出馈线5，滤波器输入输出馈线5的另一端连接有滤波器馈线转角4，滤波器馈线转角4的另一端连接有滤波器馈线3，且滤波器馈线3的另一端与过渡阻抗变换线2的一端连接。
微带线结构包括两组对称设置的波导八分之一模谐振器6，且波导八分之一模谐振器6为直角三角形，两组波导八分之一模谐振器6之间纵向设置有若干金属化通孔8，波导八分之一模谐振器6的表面直角边一侧刻蚀有矩形槽11，且两组波导八分之一模谐振器6上的矩形槽11相互连通；
折叠微带线结构包括两组对称设置的四分之一波长短路谐振器7，且四分之一波长短路谐振器7位于矩形槽11的内部。四分之一波长短路谐振器7的一端为开路连接端9，四分之一波长短路谐振器7的另一端为短路连接端10。
具体应用时，基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，包括第一层金属M1，第二层金属M2，中间GaAs衬底，衬底厚度为100um，底部电镀金，所述的片上集成波导混合式滤波器的工艺示意图如图1所示。
两个输入输出50欧姆微带线与过渡阻抗变换线呈现对称结构，过渡阻抗变换线连接一段90度转接线及微带线至片上集成波导八分之一模谐振器；两个八分之一模谐振器呈现对称分布，且共用一列金属化通孔，该金属化通孔可看作为电壁，两个八分之一模谐振器通过开窗的金属化耦合孔实现电感性耦合特性；此外，在两个八分之一模谐振器表面靠近中心位置处刻蚀一个对称的矩形槽，并在矩形槽中加载两个对称的折叠微带线，该折叠微带线长度约为四分之一波长，一端呈现开路而另一端呈现短路状态。其中，短路连接端的四分之一波长短路谐振器与波导八分之一模谐振器呈现电感性耦合特性，而两个开路端的四分之一波长短路谐振器之间呈现出电容性耦合特性。
如图3所示，基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器的耦合拓扑。其中，节点1、4表示片上集成波导八分之一模谐振器(即波导八分之一模谐振器)，节点2、3表示片上集成微带四分之一波长短路谐振器(即四分之一波长短路谐振器)。谐振器1与2，谐振器3与4以及谐振器1与4之间表现为电感性的磁耦合关系，谐振器2与3之间表现为电容性的电耦合关系。图2中金属化通孔的横截面为图1所示的通孔，其俯视图呈金属化通孔所示椭圆形结构；图2中其余部分的横截面为图1所示的顶层双层金属布线。
如图4所示，基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器的仿真S参数示意图，展现了本实施例中片上集成波导与微带混合式带通滤波器的回波损耗与传输系数仿真值，S11代表反射系数，S21代表传输系数，可以得出该片上滤波器的中心频率为94.5GHz，传输系数大于3dB的工作带宽为85GHz 104GHz，回波损耗最小值为27.8dB，传输系数最小值为1.72dB,带通滤波响应左右两侧各有一个传输零点，分别为80.96GHz与116.72GHz，抑制度大于20dB的高阻带抑制特性为1.94f0。可以看出，该基于GaAs工艺的片上集成波导混合式滤波器的通带范围内插入损耗低，工作频段宽，带外抑制特性良好。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明考虑到毫米波频段的精度和集成化需求，采用基于GaAs工艺的毫米波单片集成电路(MMIC)技术制备SIW滤波网络，不仅拥有较高的集成度和成熟的工艺，还表现出高速、低介质损耗和高可靠性等优势，具有紧凑的尺寸、较低的插入损耗，较宽的工作带宽，陡峭的选择性和良好的带外抑制特性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，包括GaAs衬底(12)，所述GaAs衬底(12)的上层设置有微带线结构，所述微带线结构的表面设置有折叠微带线结构；
所述微带线结构一侧的两端均设置有90度转接线，所述90度转接线的另一端连接有过渡阻抗变换线(2)，所述过渡阻抗变换线(2)的另一端连接有欧姆微带线(1)；
其中，所述微带线结构包括两组对称设置的波导八分之一模谐振器(6)，且所述波导八分之一模谐振器(6)为直角三角形，所述波导八分之一模谐振器(6)的表面直角边一侧刻蚀有矩形槽(11)，且两组所述波导八分之一模谐振器(6)上的矩形槽(11)相互连通；
所述折叠微带线结构包括两组对称设置的四分之一波长短路谐振器(7)，且所述四分之一波长短路谐振器(7)位于所述矩形槽(11)的内部。
2.根据权利要求1所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，所述GaAs衬底(12)的厚度为100um。
3.根据权利要求1所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，所述GaAs衬底(12)的底部电镀金。
4.根据权利要求1所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，两组所述波导八分之一模谐振器(6)之间纵向设置有若干金属化通孔(8)。
5.根据权利要求4所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，两个所述波导八分之一模谐振器(6)通过开窗的所述金属化通孔(8)实现电感性耦合特性。
6.根据权利要求1所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，所述90度转接线包括与所述波导八分之一模谐振器(6)连接的滤波器输入输出馈线(5)，所述滤波器输入输出馈线(5)的另一端连接有滤波器馈线转角(4)，所述滤波器馈线转角(4)的另一端连接有滤波器馈线(3)，且所述滤波器馈线(3)的另一端与所述过渡阻抗变换线(2)的一端连接。
7.根据权利要求1所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，所述四分之一波长短路谐振器(7)的一端为开路连接端(9)，所述四分之一波长短路谐振器(7)的另一端为短路连接端(10)。
8.根据权利要求7所述的基于GaAs工艺的片上集成波导混合式单通带滤波器，其特征在于，短路连接端的所述四分之一波长短路谐振器(7)与所述波导八分之一模谐振器(6)呈现电感性耦合特性，两组开路连接端的所述四分之一波长短路谐振器(7)之间呈现出电容性耦合特性。
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