CN1324503A - 多层介电消散模式波导滤波器 - Google Patents

Abstract

提供一种使用通孔技术的具有谐振器(10a、11a)的多层介电消散模式波导带通滤波器(100),能够实现极窄带宽与最小插入损失以及在微波频率下的高选择性。谐振器(10a、11a)也可被用作馈送段位(1、2)。该滤波器(100)的典型施行方案是用高介电常数陶瓷的软基板多层电介质制成的。该滤波器(100)典型地比目前可得的其他滤波器占空小。虽然可实现诸如约0.5GHz至约60GHz的其他中心频率,典型实施形态在1GHz中心频率下工作。滤波器(100)的周边可由通孔或经电镀缝隙来限定。

Description

多层介电消散模式波导滤波器

发明领域

本发明系涉及消散模式波导带通滤波器，具体地本发明揭示滤波器的拓扑学，该滤波器典型地操作在微波频率并利用谐振器的通孔技术来实现具有最小插入损失和高选择性的极窄带宽。

发明背景

数十年来，无线通信系统已变得技术更先进，在较小尺寸、较高频率的操作上的功能增加以及在其他因素当中在波宽、对一给定功率输出的较低功耗和稳健性的伴随增加；向更佳通信系统发展的趋势对这些系统的制造商提出更高要求。

当今，典型地操作在500MHz至60GHz或更高频率的微波技术正迎合着卫星、军事、和其他割边数字通信系统的需求；许多这些系统使用带通滤波器来减少杂讯或可能出现在微波信号中的其他不要频率。

用于窄带宽应用的一种常用滤波器为SAW(表面声波)滤波器，其典型地用于涉及频率从VHF至L频带的应用。SAW滤波器具有对静电敏感的缺点，且在较高频处它们具有损耗的缺点。例如，由于耦合的乏效、欧姆损失及阻抗不匹配，SAW滤波器在超过0.8GHz的频率处变得损耗而不能用。在更高频率(如几GHz)处，SAW滤波器被亚微米电极的几何形状所局限。

带通滤波器的另一典型实施方案使用消散模式波导。消散模式波导可具备有任意横截面形状并有至少一个谐振器的导管。选择横截面的尺度可允许以所需操作频率进行波传播而使其他频率迅速衰减。消散模式波导的断面长度可以表示为电感器的π或T部分，其值为断面长度、介电常数和波导横截面的函数。共振段位可以穿透消散模式波导的宽壁的方式被插入，因而在波导的相对导壁间形成一分路电容性元件。分路电感和分路电容的组合结果形成一共振：通过沿着波导以不同距离间隔安置多重谐振器段位，多重共振被引入导致一很多种带通功能。产生的滤波器为集总电感性和电容性带通滤波器的微波等效者。

目前存在的消散模式波导在尺寸和重量上相当大，特别是操作中心频率减小的情况。此限制的存在是因为要实现谐振器的高无载品质因素(Q)和可实现负载电容的总量两者所需的横截面波导尺度随滤波器中心频率减小而增加。无载Q反比于插入损失的总量及滤波器的带宽。因此，对于有高选择性的低损失滤波器，高的无载谐振器Q是期望的，导致需要物理上大的波导以在中心频率减小时维持性能。

典型地使用调谐螺丝在波导上形成谐振器段位。在调谐螺丝的端部和波导壁间的间隙形成分路电容。在空气介质波导中，因为螺丝的物理直径必须保持足够小不致干扰波导的模型性能，故对可实现的分路电容的总量有一物理限制。通过举例，因为涉及如螺丝的螺纹微度的必需微小物理容限，利用调谐螺丝的窄带滤波器在制造上昂贵或难以调谐。另一限制为调谐螺丝的端部和波导壁间的容许物理邻近度。由于所需的精密度，对于小于0.025mm的物理邻近度，制造适合于作谐振器段位的调谐螺丝机构是困难且昂贵的。另一方面，因为制造和调谐它们的实际困难，通常不使用可增大无负载谐振器Q和有负载电容两者的充介质波导。

此外，利用调谐螺丝的波导滤波器通常被做成无法在多层基底结构上与其他组件共用空间的个别单元。因此，微波电路将不具有嵌入的波导滤波器，而是连接于分开制造的个别波导滤波器。个别组件的制造和随后的连接导致最终产品的成本、尺寸、重量、及稳健性的增加。

发明概要

本发明涉及在微波频率下能够以最小插入损失和高选择度来实现极窄带宽的一种多层介电消散模式波导带通滤波器。此滤波器的典型实施方案用高介电常数陶瓷的软基底多层介质和通孔技术制成。

本发明的一个目的是提供一种易于使用多层技术制造的消散模式波导带通滤波器。

本发明的另一目的是提供一种截面尺寸比传统微波带通滤波器更小的同时维持谐振器的等效无载Q的消散模式波导带通滤波器。

本发明的另一目的是提供一种与具有等效截面的传统充气波导相比具有较低截止频率和增大的无载Q的消散模式波导带通滤波器。

本发明的另一目的是提供一种消散模式波导带通滤波器，以消除通常在传统波导结构发现的电气和机械限制。

本发明的又一目的是提供一种可使用多层技术制造从而可与其他多层装置直接集成的消散模式波导带通滤波器。

本发明的再一目的是提供一种可在宽的操作频率范围上制造的消散模式波导带通滤波器。

本发明的再一目的是提供一种具有优于其他现有滤波器的功率处理能力的消散模式波导带通滤波器。

本发明的另一目的是提供一种尺寸小并不静电敏感的消散模式波导带通滤波器。

本发明的又一目的是提供一种温度稳定的消散模式波导带通滤波器。

本发明的再一目的是提供一种通过提供嵌入于较低介电常数材料的高介电陶瓷以形成电容值远大于那些用调谐螺丝实现的电容器来消除对调谐螺丝的需要的消散模式波导带通滤波器。

本发明的再一目的是提供一种利用电镀技术允许波导的传导壁绕着填充介质材料而形成的消散模式波导带通滤波器。

本发明的另一目的是提供一种利用通孔技术来限定滤波器的周边的消散模式波导带通滤波器。

本发明的又一目的是提供一种利用缝隙来限定滤波器的周边的消散模式波导带通滤波器。

本发明的再一目的是提供一种利用通孔作为馈送段位的消散模式波导带通滤波器。

附图简述

下面一些图描写电路图案，包括在基底层上的铜材蚀刻和孔。虽然诸如孔的某些结构在图中被放大以显示清晰度，对于用于本发明的较佳实施例的各种结构的形状及相对位置而言，这些图画得正确。

图1a是消散模式波导滤波器的较佳实施例的示意图，其中滤波器的断面使用电感器的T网络来模型化。

图1b是显示在图1a中的消散模式波导滤波器的示意图，其中滤波器的断面使用电感器的π网络来模型化

图2是显示在图1a和1b中的消散模式波导滤波器的组合图。

图3a显示具有0.9％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘返回损失对频率的性能曲线。

图3b显示具有0.9％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘传输对频率的性能曲线。

图3C显示具有0.9％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘归一化幅度对频率的性能曲线。

图3d显示具有0.9％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘群延迟对频率的性能曲线。

图4a显示具有0.3％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘返回损失对频率的性能曲线。

图4b显示具有0.3％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘传输对频率的性能曲线。

图4c显示具有0.3％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘归一化幅度对频率的性能曲线。

图4d显示具有0.3％的功能频带宽的消散模式波导滤波器的较佳实施例的描绘群延迟对频率的性能曲线。

图5a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成结合的第一、第一、和第三层的侧视图。

图5b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散摸式波导滤波器的未完成结合的第一、第二、和第三层的顶视图。

图5c是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成结合的第一、第二、和第三层的底视图。

图6a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成结合的第四、第五、第六、和第七层的侧视图。

图6b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成结合的第四、第五、第六、和第七层的顶视图。

图6c是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成结合的第四、第五、第六、和第七层的底视图。

图7a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第八层的侧视图。

图7b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第八层的顶视图。

图7C是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第八层的底视图。

图8a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的陶瓷板的侧视图。

图8b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的陶瓷板的顶视图。

图9a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第九层的侧视图。

图9b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第九层的顶视图。

图9c是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的未完成的第九层的底视图。

图10a是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的完成组件的侧视图，有一切面，以表明图8a的一平板的放置。

图10b是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的完成组件的顶视图，有一切面，以表明图8a的一平板的放置。

图10c是具有0.3％的功能频带宽的九层消散模式波导滤波器的完成组件的底视图。

图11a是打开消散模式波导滤波器的组件图。

图11b是图11a所示的打开消散模式波导滤波器的示意图。

图12a是有内部微带线功率馈送的消散模式波导滤波器的组件图。

图12b是图12a中所示的有内部微带线功率馈送的消散模式波导滤波器的示意图。

图13a是消散模式波导滤波器的一替换较佳实施例的示意图，其中滤波器的断面使用电感器的T网络来模型化。

图13b是图13a中所示的消散模式波导滤波器的示意图，其中滤波器的断面使用电感器的π网络来模型化。

图14是图13a和13b中所示的消散模式波导滤波器的组件图。

图15是利用接地通孔来限定周边的消散模式波导滤波器的截面图。

图16是利用接地通孔的一格架来限定一周边的消散模式波导滤波器的侧视图。

图17a是图16中所示的消散模式波导滤波器的中间层的顶视图。

图17b是在图16中所示的消散模式波导滤波器的中间层的顶视图，相邻于图17a中所示的中间层。

图18是利用接地缝隙来限定周边的消散模式波导滤波器的截面图。

发明的详细描述

本发明的操作

请参考图1a和1b，不考虑介电损失，图中示出第二级(n=2)消散模式波导带通滤波器100的较佳实施例的示意图。图1a和1b是相同消散模式波导带通滤波器100的不同表示，对那些熟悉模拟电路设计者是明显的，代表波导部分4、5、6、7、8的电感器T网络可容易地转换成电感器的π网络。在图2中示出滤波器100的组件图。在较佳实施例中，信号从输入TEM传输线被电感性地馈送至较佳地为通孔的馈送段位，因而激励波导带通滤波器100的主导TE₁₀消散模式。波导带通滤波器100的波导部分4、5、6、7、8形成电感性T或π部分并构成滤波器元件。在较佳实施例中，其中波导带通滤波器100被短路，电阻3a、9a模拟端端传导壁3b、9b的面电阻(在另一较佳实施例中，如在图11a和11b中的波导带通滤波器110的打开端波导不是端屏蔽)。谐振器通孔10A、11A被插入波导带通滤波器100使得电容器10B、11B形成与电感部分5、6、7的共振，实现期望的形状因子。期望的形状因子依赖于期望的滤波器性能特性，典型地定义成60dB带宽对6dB带宽的比率。较佳为一通孔的馈送段位2将信号转输至输出TEM传输线。

本发明的物理构造

在较佳实施例中，波导带通滤波器100被制作在包含其典型电容率范围从约1至约100的软基底PTFE叠层的多层结构中，虽然有电容率范围从约3至约10的叠层通常可在市场获得。以下将描述用于构造如此多层结构的过程。

在较佳实施例中，馈送段位1、2从TEM线延伸，从传导壁112馈送至波导带通滤波器100的传导壁114，或在另一较佳实施例中，使用环型馈送结构且馈送段位1从传导壁3b延伸至传导壁112或传导壁114且段位2从传导壁9b延伸至传导壁112或传导壁114。波导带通滤波器100在传导壁3b、9b处被短路。输入和输出馈送线(未显示)可为例如同轴或表面安装的印刷线。谐振器通孔10A、11A从波导带通滤波器100的顶传导壁延伸并分别被电容器10B、11B的顶电极10C、11C所终止。电容器10B、11B被短路于波导110的底传导壁114。谐振器通孔10A、11A是在较佳实施例中为5∶1的高纵横比所制作。

传导壁3b、9b、112、114，以及从传导壁112的长边延伸至传导壁114的长边的传导侧壁是通过对波导带通滤波器100的整个表面积电镀而形成，虽然在替换的实施例中，例如顶传导壁112和底传导壁114的包含不需电镀的传导材料。

在较佳实施例中，波导带通滤波器100包括多层介电材料。在替换的实施例中，波导带通滤波器100内的材料基本上被移除并用空气或另一气体取代，作为有载材料。

波导带通滤波器100的各种尺寸从以下的公式计算。在较佳实施例中，对无载谐振器Q的一预设值计算截面尺寸。截面尺寸可被修正以符合其他期望形状，如只作为双脊波导。使用作为电感的函数的消散模式部分长度的修正公式来计算谐振器隔间。

虽然期望的滤波器可以不同方式来构成和/或具有较高级次，使用下列计算来设计一简单的第二级滤波器。为了简化涉及的计算并做出基本上对称的带通滤波器，波导带通滤波器100设计成物理对称(例如，在本较佳实施例中电容器10B、11B具有相同介电常数和相同电容，虽然在另一较佳实施例中电容器10B、11B具有唯一介电常数和不同电容)。

可使用电感器的π或T网络来模拟波导带通滤波器100的长度。例如，对如在图1b中显示的π网络，电感值为：

L_串联=Xsinh(rl)和

可容易地将电感器的π网络转换成电感器的T网络。下列公式适用于基于T网络(如图1a所示)的一模型。对于电感器的T网络，电感值为：和

这里l是电感器部分的长度而波导带通滤波器100的复数传播常数为： $\mathrm{\γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{{\left(\frac{f_c}{f}\right)}^2-1}$ $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$ $f_c=\frac{c}{2a\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$ $X=\frac{120\mathrm{\πb}}{a\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}\sqrt{{\left(\frac{f_c}{f}\right)}^2-1}}$

a=波导宽度

b=波导高度

c=光速

ε_r=波导的介电常数

f_c=波导的截止频率

在另一较佳实施例中，用气体作为装载材料，在这种情况中： $\mathrm{\λ}=\frac{c}{f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}}$ $f_c=\frac{c}{2a\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}}$ $X=\frac{120\mathrm{\πb}}{a\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\μ}}_r}\sqrt{{\left(\frac{f_c}{f}\right)}^2-1}}$

μ_r=介质的相对导磁率

初步选择部分6的长度(它是谐振器通孔10A的中心与谐振器通11A的中心的距离)使得： $l=\frac{1}{\mathrm{\γ}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{bw}}\right)$

这里 $\mathrm{\Δ}=\frac{2}{1+\frac{1}{1-\frac{1}{1-{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{\mathrm{\λ}}\right)}^2}}}$

λc=2a

这里bw是百分1db带宽，λ_c是波导截止波长。选择电容器10B、11B使得：

这里L_分路=正如以上公式给出的波导带通滤波器100的部分的分路电感，而ω₀是波导带通滤波器100的期望频率。

波导带通滤波器100的长度的无载Q计算为： $Q_u=\frac{\mathrm{\ω\μ}}{R_s}\frac{\mathrm{ab}}{2}\frac{1-\frac{1}{2}{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2}{a[1-\frac{1}{2}{\left(\frac{f}{f_c}\right)}^2]+b}+\frac{1}{\tan \mathrm{\δ}}$

这里

$\mathrm{Rs}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\μ}}{2\mathrm{\σ}}}$ tanδ=介质填充材料的损失正切，ω是径向频率，σ是特定波导传导器(典型为铜)的导电率。正如熟知电介质技术人员所知的，在较高频率处，介电损失的增加一般引起滤波器的插入损失增加。在π或T模式中每个电感器必须被修正，通过插入与各个电感器串联的电阻器来计入这些损失。需要补偿特定电感器L的损失的电阻器的值为 $R=\frac{\mathrm{\ωL}}{Q_u}$

同样，每个电容器须被修正通过插入与各个电容器并联的电阻器来计入其有限Q。需要补偿特殊电容器C(即电容器10B或电容器11B)的损失的电阻器的值为： $R=\frac{Q_{\mathrm{res}}}{\mathrm{\ωC}}$

这里 $Q_{\mathrm{res}}=\frac{1}{\tan \mathrm{\δ}}$

是电容器介电的损失正切。

馈送段位1、2和谐振器通孔10A、11A也可模型化为集总电感器，如图1a和1b中所示。通孔的电感可被模型化为圆引线电感。其值可利用以下公式计算： $L=0.002l[\ln \left(\frac{4.0l}{d}\right)-1.00+\frac{d}{2.0l}+\frac{{\mathrm{\μ}}_{r}T\left(x\right)}{4.0}]\·\left(\mathrm{\μH}\right)$

这里

d=通孔直径(cm)

l=通孔长度(cm) $T\left(x\right)\≅\sqrt{\frac{0.873011+0.00186128x}{1.0+-0.278381x+0.127964x^2}}$ $x=2.0\mathrm{\πr}\sqrt{\frac{2.0\mathrm{\μf}}{\mathrm{\σ}}}$

对于0＜x＜100。对于大的x,T(x)接近于0。

馈送段位1、2和谐振器通孔10A、11A的直径被设计成约为a/5。选择电容器材料选择、波导填充器介电常数ε_r和波导带通滤波器100的截面尺寸以实现在期望频率下的适意无载Q(如由上列公式所给的)并还获得期望的阻带性能，如波导带通滤波器100的抑制电平和抑制带宽。

馈送段位1的中心与传导壁3b之间的距离(部分4的长度)、馈送段位2的中心与传导壁9b间的距离(部分8的长度)、馈送段位1的中心与谐振器通孔10A的中心间的距离(部分5的长度)、谐振器通孔llA的中心与馈送段位2的中心间的距离(部分7的长度)被经验地初选然后最佳化以改善性能。例如，作为一起点部分5、6、7被选取为相同长度，而部分4、8被选为a/2。

这些长度以及L和C的值利用最佳化例程进一步最佳化。利用误差最小化过程，最佳化器(如包括在被HPEESOF的线性电路模拟器Touchstone的最佳化器)通过考虑所涉及元件的物理限制、可实现度及参数而实现改善的性能。

一旦使用上述步骤获得适意结果，则使用诸如Sonnet Software的MicroStripes的全波三维场解算器来设计并模拟一物理模型。

在较佳实施例中，电容器10B、11B是平行板型且由较佳地具有低损失正切值并具有约30至80介电常数值的陶瓷所制成，虽然商业上可获得约l至约500的其他介电常数是可能的。从公式C=ε^*(表面积)/(陶瓷厚度)来计算电容器10B、11B的尺寸，此处ε是陶瓷介质的电容率。在较佳实施例中，电容器10B、11B为将一面结合到底传导壁114前在两面上电镀的介电圆盘。在另一较佳实施例中，对较高频率，所需的负载电容量小，因此可使用较小电容器或可用空气替代陶瓷。在另一不同实施例中，电容器10B、11B为多层或有源的，如变容器型或FET或MEMS技术。

制造本发明

下面将一步步地描述用来制作分数带宽0.3％的本发明的较佳实施例的程序。仅为举例，此较佳实施例的尺寸可以修正，以提供在图3a、3b、3c、3d中说明的性能曲线。然而，对此特定实施例性的能曲线在图4a、4b、4c、4d中说明。

在较佳实施例中，波导带通滤波器100是由九个基板层的叠层所构成，如从位于康涅狄克州罗杰市的Rogers公司获得R03010材料，其介电常数约为10.2，通过以下列车的步骤制造而形成多层结构。各层长约2.576cm，宽约0.610cm。应当明白，在基底面板上阵列中典型地一次可制作数百个电路。因此，典型掩模可具有相同图案的阵列。在阵列的元件间设有较佳地至少约6mm的适当隔问。

                               子组件500

请参考图5a，层501、502、铜包层1.3mm厚50欧姆电介质和层503、铜包层0.25mm厚50欧姆电介质被融熔结合形成子组件500，使用200PSI的分布，以40分钟从室温升至240℃，以45分钟升至375℃，以15分钟停留在375℃，以80分钟降至室温。接着，如图5b和5c中显示，在子组件500中钻直径约0.61mm的四个孔。以苏打蚀刻子组件500。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁子组件500，然后浸在温度为21℃的去离子水中15分钟。然后在149℃下在真空中烘烤子组件500一小时。先使用无电解方法形成铜质种子层再以电解方法提供铜镀层，用铜电镀子组件500至0.013至0.025mm厚度。将子组件500浸在去离子水中至少一分钟。将子组件500加热至90℃达5分钟，然后涂抹光阻材料。使用一掩模并利用适当曝光设置来处理光阻材料以产生图5c所示的图案。将子组件500的底面作铜蚀刻。通过浸在酒精中15分钟来清洁子组件500，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。然后将子组件500在149℃在真空再烘烤一小时。

                              子组件600

请参考图6a，层601、602、铜包层0.25mm厚50欧姆电介质和层603、604，铜包层1.3mm厚50欧姆电介质被融熔结合以形成子组件600，使用200PSI的分布，以40分钟从室温升至240℃，以45分钟升至375℃，以15分钟停留在375℃，以90分钟降至室温。接着，如图6b和6c中显示，在子组件600中钻直径约0.61mm的四个孔。以苏打蚀刻子组件600。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁子组件600，然后浸在温度21℃的去离子化水中15分钟。然后在149℃下在真空中烘烤子组件600一小时。先使用无电解方法再以电解方法用铜电镀子组件600至0.013至0.025mm厚度。将子组件600浸在去离子化水中至少一分钟。将子组件600加热至80℃达5分钟然后涂抹光阻材料。使用一掩模并利用适当曝光设置来处理光阻材料以产生图6b和6c所示的图案。对子组件60o的顶面和底面铜蚀刻。通过浸在酒精中15分钟来清洁子组件600，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。然后将子组件600在149℃下在真空中再烘烤一小时。

                              层700

请参考图7a、7b、7c，在铜包层0.25mm厚50欧姆电介质的层700中钻直径约0.61mm的两个孔，如图7b和7c中所示。以苏打蚀刻层700。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁层700，然后浸在温度21℃的去离子化水中15分钟。然后在149℃下真空烘烤层700一小时。先使用无电解方法再以电解方法用铜电镀层700至0.013至0.025mm厚度。将层700浸在去离子化水中至少一分钟。如图7a和7b中所示，研磨出尺寸为1.5mm乘1.5mm的两个缝隙。将层700加热至90℃达5分钟然后涂抹光阻材料。使用掩模并使用适当曝光设置来处理光阻材料以产生图7b和7c中显示的图案。对层700的顶面和底面铜蚀刻。通过浸在酒精中15分钟来清洁层700，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟，然后将层700在149℃下再真空烘烤一小时。

                              薄板800

请参考图8a、8b，对由介电常数约80和尺寸为长1.5mm、宽1.5mm和厚0.25mm的两陶瓷基底构成的薄板800以苏打蚀刻(在图8a、8b中显示一薄板800的两视图)。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁薄板800，然后浸在温度21℃的去离子化水中15分钟。然后在149℃下真空烘烤薄板800一小时。先使用无电解方法再以电解方法，用铜电镀薄板800至0.013至0.025mm厚度。将薄板800浸在去离子化水中至少一分钟。使用去面板方法(可包括钻孔和研磨、金刚石锯和/或准分子激光)来对化薄板800去面板。通过浸在酒精中15分钟来清洁薄板800，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。然后将薄板800在100℃再真空烘烤一小时。

                              层900

请参考图9a、9b、9c，在为铜包层1.3mm厚50欧姆电介质的层900中钻有直径约0.61mm的两个孔和直径约0.79mm的12孔，如图9b和9c所示。研磨出尺寸为4.88mm乘0.79mm的四条缝隙，如图9b和9c所示。以苏打蚀刻层900。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁层900，然后浸在温度21℃的去离子化水中15分钟。然后在149℃下真空烘烤层900一小时。先使用无电解方法再以电解方法，用铜电镀层900至0.013至0.025mm厚度。将层900浸在去离子化水中至少一分钟。将层900加热至90℃达5分钟然后涂抹光阻材料。使用掩模并使用适当曝光设置来处理光阻材料以产生图9b中显示的图案。对层900的顶面铜蚀刻。通过浸在酒精中15分钟来清洁层900，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。然后对层900在149℃再真空烘烤一小时。

                            组件1000

请参考图10a、10b、10c，子组件500、子组件600、层700、薄板800(在图10a和10b的可视切开中显示一块薄板800的位置，另一块薄板800对称放置)、及层900被融熔结合以形成组件1000，使用200PSI的分布，以40分钟从室温升至240℃，以45分钟升至375℃，以15分钟停留在375℃，以90分钟降至室温。接着，如图10b所示，沿着边缘研磨组件1000至深度约6.4mm。以苏打蚀刻组件1000。接着，通过浸在酒精中15分钟来清洁组件1000，然后浸在温度21℃的去离子化水中15分钟。然后在149℃下真空烘烤组件1000一小时。先使用无电解方法再以电解方法，用铜电镀组件1000至0.013至0.025mm厚度。在此程序中，须注意绕着层1000的边缘的一环不被镀到，使组件1000的顶部和组件1000的底部不致短路。将组件1000在去离子化水中至少一分钟。将组件I000加热至90℃达5分钟，然后涂抹光阻材料。使用掩模并使用适当曝光设置来处理光阻材料以产生图10c中显示的图案。对组件1000的底面铜蚀刻。通过浸在酒精中15分钟来清洁组件1000，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。用锡电镀组件1000，然后将镀锡加热至熔点，允许过度的镀层回流。在此电镀程序中，注意在对子组件500、子组件600及层700用镀层覆盖时，层900的近底处不电镀。将组件1000去面板。通过浸在酒精中15分钟再清洁组件1000，然后浸在温度21℃的去离子水中15分钟。将组件1000在100℃下再真空烘烤一小时，导致波导带通滤波器100的物理实施例。

那些熟知制造多层聚四氟乙烯陶瓷/玻璃(PTFE合成物)电路的技术人员应当明白以上使用的数字(仅为举例，尺寸、温度、时间)为近似值，是可以改变，且某些步骤可以不同次序来实施。

在另一较佳实施例中，使用另一多层技术(如低温共火陶瓷(LTCC))来制造波导带通滤波器100。

在另一较佳实施例中，用注模过程来制造波导带通滤波器100。面板可包含在模具中多个腔体。材料被注入模具中以形成波导带通滤波器100的本体。使用本体或其他装置的电镀来形成传导壁3b、9b、112、114。

                      本发明的性能

在本发明的较佳实施例中，中心频率可以从UHF到毫米频率范围。可实现从约0.1dB至10dB的通带插入损失。也可实现小于2∶1的VSWR(电压驻波比)。本发明的大多数实施方案可过滤数百瓦的信号。从约0.1％至数倍频的范围可获得带宽(其输出小于从最大值降低1dB)。通过举例，本发明可用来过滤1GHz信号，其中对0.999GHZ和1.001GHz之间的频率实现从最大值的输出降小于1dB。最后，测试本发明的实施方案以最小性能劣化在涵盖从约-55℃至+125℃的温度下工作，但可工作于更广范围的温度。棍据本发明的操作及本发明的物理构造的以上描述，在此描述的各种实施例的设计和构造对熟知设计和组构波导带通滤波器的技术人员将是明显的。

请参考图3a、3b、3c、3d，说明本发明的较佳实施例具有0.9％的分数带宽的性能曲线。此特定实施例具有下列实现尺寸。整体尺寸为6.1mm乘6.1mm乘20.5mm，部分4、8的长度各为3.175mm，部分5、7的长度各为2.87mm，部分6的长度为8.43mm。

对于0.7GHz至1.3GHz的频率，图表310显示以分贝表示的返回损失312和传输314对频率。对于0.99GHz至1.01GHz的频率，图表320显示以分贝表示的传输322对频率。对于0GHz至4GHz的频率，图表330显示以dBc(归一化到载波频率的分贝)的归一化幅度332对频率。图表340显示以纳秒表示的群延迟342对频率，对于0.95GHz至1.05GHz的频率。

请参考图4a、4b、4c、4d，示出了本发明的较佳实施例的性能曲线，由上述过程制造，对于组件1000，具有0.3％分数带宽。此特定实施例具有下列实现尺寸。整体尺寸为6.1mm乘6.1mm乘25.8mm，部分4、8的长度各为3.175mm，部分5、7的长度各为4.37mm，部分6的长度为10.7mm。

图表410显示以分贝表示的返回损失412和传输414对频率，对于0.7GHz至1.3GHz的频率。图表420显示以分贝表示的传输422对频率，对于0.995GHz至1.005GHz的频率。图表430显示以dBc表示的归一化幅度432对频率，对于0GHz至4GHz的频率。图表440显示以纳秒表示的群延迟442对频率，对于0.99GHz至1.01GHz的频率。

                       通过孔的直接馈送谐振器

在一替换实施例中，谐振器通孔可被用为馈送段位，因而消除只作为馈送段位的附加通孔的需要。请参考图13a和13b，其显示第二级消散模式波导带通滤波器1300的较佳实施例的结构图，不考虑介电损失。图13a和13b为相同消散模式波导带通滤波器1300的不同表示，对那些熟悉模拟电路设计的技术者而言是明显的，代表波导部分4、6、8的电感器的T网络可易于转换成电感器的π网络。图14示出滤波器1300的一组件图。在较佳实施例中，电感性地将信号从输入TEM传输线馈送至谐振器通孔10A，因而激发波导带通滤波器1300的主导TE10消散模式。波导带通滤波器1300的波导部分4、6、8形成电感性T或π部分并构成滤波器元件。在较佳实施例中，其中波导带通滤波器1300被短路，电阻3a、9a模拟端传导壁3b、9b的片电阻率(在另一较佳实施例中开端波导不具有端屏蔽)。谐振器通孔10A、11A被插入波导带通滤波器1300中使得电容器10B、11B形成与电感部分6的共振，以达到期望的形状因子。期望的形状因子依赖期望的滤波器性能特性，典型地被定义为60dB带宽对6dB带宽的比率。谐振器通孔11A将信号转送至输出TEM传输线。

             通过通孔或缝隙限定的波导滤波器周边

在另一替换实施例中，波导滤波器的周边被通孔限定。请参考图15，图中示出实施图13a和13b的结构图的消散模式波导滤波器。设置在介电材料1570中的通孔1530形成被虚线表示的期望波导周边1580。通孔1530置于正切于波导周边1580，并具有任意直径，但在较佳实施例中直径为0.61mm。通孔1530被接地，较佳地将它们连接至传导壁112和传导壁114(在图15中未显示)。在两相邻通孔的边缘间的间隔1590可从约0至约λ/8，其中λ为在介电材料中传播信号的波长并由下列公式给出 $\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$ 在较佳实施例中，间隔1590约为λ/16。

限定波导滤波器的周边的通孔也可以格状形式来设置。格状通孔，或在替换的较佳实施例中为缝隙，可置于多个基底层上，如图16中由具有四个基底层的较佳实施例所示。在此较佳实施例中，使用金属化来连接基底层1672、；1674、1676、1678上的通孔或缝隙1680。图17a示出基底层1672的顶视图，而图17b示出基底层1674的顶视图。印刷条带或互连通孔垫可与通孔或缝隙1680一起使用。

在另一替换实施例中，波导滤波器的周边被电镀缝隙限定。请参考图18，图中示出实施图13a和13b的结构图的消散模式波导滤波器。设置在介电材料1870中的电镀缝隙1840形成由虚线表示的期望波导周边1880。电镀缝隙1840设置正切于波导周边1880，并具有任意厚度和长度，但在较佳实施例中具有0.61mm厚度和2.54mm的长度。镀过的缝隙1840被接地，较佳地将它们连接至传导壁112和传导壁114(在图18中未显示)。在两相邻镀过缝隙的边缘间的间隔1890可以为约零至约λ/8，其中λ为在介电材料中传播信号的波长并由下列公式给出 $\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$ 在较佳实施例中，间隔1890约为λ/16。

应注意到在上述较佳实施例中，组件1000被去面板，导致须随后被物理地附着于其他电路的分立波导滤波器。具有被通孔或镀过缝隙限定的周边的波导滤波器的优点在于，它可以对那些熟知设计多层微波电路的技术者为明显的方式与在相同基底上的其他组件组合。

                                其他实施例

对那些熟知消散模式波导滤波器设计的技术者而言将电力馈送至消散模式波导的替换方法是明显的。例如，馈送段位1、2可为如上面替换较佳实施例中讨论的环型式。用在正常模式下操作的波导来取代馈送段位1(沿着传导壁3b和波导部分4)和/或馈送段位2(沿着传导壁9b和波导部分8)也是明显的。例如，参考图11a，可使用波导115、116将电力传送至和自波导带通滤波器110。图11b示出具有电感性支路117、118的波导带通滤波器110的无损失模型的示意图。另外，请参考图12a，可使用微带线121、122来传送电力至和自波导带通滤波器120。图12b示出分别有电容器125、126与电感器127、128串联的波导带通滤波器120的无损失模型的示意图。对那些熟知消散模式波导滤波器设计者而言将波导带通滤波器100、110、120的特征混合而仍作为双向滤波器操作也是明显的。任一如此滤波器可被实施为延迟线亦是明显的。另外，这也是明显的，虽然在较佳实施例中波导带通滤波器100、110、120具有长方形截面，替换的实施例包括具有例如圆柱形或多角形等其他形状的滤波器。

对那些熟知多层共火陶瓷的技术者而言使用低温共火陶瓷(LTCC)来实施波导滤波器是明显的。目前技术已知的是可以利用LTCC构造的波导滤波器。目前技术中已知的是可以包含单个通孔的谐振器。

虽然已经显示和描述和指出本发明的应用于其实施例的基本新颖特征，应当明白，正如这里揭露的，在本发明的形式和细节上，那些熟知该技术人员可以作出省略和替代和改变，而不偏离本发明的精神。希望表达的是，以基本上相同方式实现相同结果而实现基本上相同功能的那些元件及/或方法步骤的所有组合都在本发明的范畴内。因此，希望本发明的范围仅限制于由这里所附权利要求书的范围。

Claims (40)

1．一种消散模式波导滤波器，其特征在于包括：

多个传导性波导壁：及

至少一个谐振器，包括一通孔结构和具有一顶电极与一底电极的一电容器，其中所述通孔基本上从所述多个传导性波导壁中的一个延伸至所述电容器的所述顶电极，而所述电容器的所述底电极被短路至所述多个传导性波导壁中的另一个。

2．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述滤波器包括结合到多层结构中的聚四氟乙烯复合物基板。

3．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器含有第一介电材料；

所述电容器邻近于第二介电材料：及

所述第一介电材料基本上不同于所述第二介电材料。

4．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述消散模式波导滤波器的中心频率从约500MHz至约60GHz。

5．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述滤波器含有渗透气体。

6．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述滤波器是利用注模过程制造的。

7．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，进一步包括：

至少两个馈送通孔结构，基本上在所述消散模式波导滤波器内部，并基本上从所述多个传导性波导壁中至少一个延伸。

8．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述多个传导性波导壁限定一结构，具有一面积的至少一个基本上敞开端部；及

邻近于所述基本上敞开端部的波导，所述波导具有大于所述基本上敞开端部的所述面积的横截面。

9．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，进一步包括至少一部分在所述消散模式波导滤波器内部延伸的至少一微带线。

10．如权利要求1所述的消散模式波导滤波器，其中所述至少一个谐振器是多个谐振器，且其中所述至少一个谐振器的各所述电容器具有一独特介电常数。

11．一种消散模式波导滤波器，包括用于提供波导的传导壁装置及用于共振的装置，所述共振装置包括连接于电容器装置的通孔装置。

12．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，其中所述波导包括结合到一多层结构中的聚四氟乙烯复合物基板。

13．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器装置包括具有第一介电常数的第一介电材料装置；

所述电容器装置邻近于具有第二介电常数的第二介电材料装置；及

所述第一介电常数基本上不同于所述第二介电常数。

14．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，其中所述消散模式波导滤波器的中心频率从约500MHz至约60GHz。

15．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，其中所述传导壁装置包围一渗透气体装置。

16．依据申夸专利范围第11所述的消散模式波导滤波器，其中所述滤波器使用注模过程来制造。

17．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，进一步包括：

至少两个馈送通孔装置，基本上在所述消散模式波导滤波器内部。

18．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述传导壁装置提供具有一面积的至少一基本上敞开端部：及

所述基本上敞开端部邻近于一传播波导装置，所述传播波等装置提供比所述至少一基本上敞开端部中的一个的所述面积大的横截面。

19．如权利要求11所述的消散模式波导滤波器，进一步包括至少一个所述微带线装置，具有在由所述传导壁装置形成的腔体内部延伸的至少一部分。

20．如权利要求11所述的消散摸式波导滤波器，其中所述共振的装置包括多个谐振器，以及其中所述电容器装置包括多个具有独特介电常数的电容器。

21．一种消散模式波导滤波器，包括：

多个传导性波导壁；及

至少两个谐振器，每一个所述谐振器包括一通孔和具有一顶电极与一底电极的电容器，其中所述通孔为一馈送段位并基本上从所述多个传导性波壁中的一个延伸至所述电容器的所述顶电极，而所述电容器的所述底电极被短路至所述多个传导性波导壁中的另一个。

22．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中所述滤波器包括结合到多层结构中的聚四氟乙烯复合物基板。

23．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器包含第一介电材料；

所述电容器邻近于第二介电材料；及

所述第一介电材料基本上不同于所述第二介电材料。

24．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器包含第一介电材料；

所述电容器邻近于第二介电材料；及

所述第一介电材料与所述第二介电材料相同。

25．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中所述消散模式波导滤波器的中心频率从约500MHz至约60GHz。

26．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中所述滤波器包含一渗透气体。

27．如权利要求21所述的消散模式波导滤波器，其中所述滤波器使用模铸工艺过程制造。

28．如权利要求27所述的消散模式波导滤波器，其中所述模铸工艺过程为注模工艺过程。

29．一种具有一周边的消散模式波导滤波器，所述滤波器包括：

多个传导性波导壁；及

至少一个谐振器，其包括第一通孔和具有一顶电极与一底电极的一电容器，其中所述第一通孔基本上从所述多个传导性波导壁中的一个延伸至所述电容器的所述顶电极，而所述电容器的所述底电极被短路至所述多个传导性波导壁中的另一个；

其中所述周边由多个附加通孔限定。

30．一种具有一周边的消散模式波导滤波器，所述滤波器包括：

多个传导性波导壁；及

至少一个谐振器，其包括一通孔和具有一顶电极与一底电极的一电容器，其中所述通孔基本上从所述多个传导性波导壁中的一个延伸至所述电容器的所述顶电极，而所述电容器的所述底电极被短路至所述多个传导性波导壁中的另一个；

其中所述周边由多个经电镀缝隙限定。

31．一种消散模式波导滤波器，其包括：

用于提供一波导的传导壁装置；

用于共振的装置，其包括连接于电容器装置的通孔装置；及

馈送段位装置，包括所述通孔装置。

32．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中所述波导包括结合到一多层结构中的聚四氯乙烯复合物基板。

33．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器装置包括具有第一介电常数的第一介电材料装置；

所述电容器装置邻近于具有第二介电常数的第二介电材料装置；及

所述第一介电常数基本上不同于所述第二介电常数。

34．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中：

所述电容器装置包括具有第一介电常数的第一介电材料装置；

所述电容器装置邻近于具有第二介电常数的第二介电材料装置；及

所述第一介电常数与所述第二介电常数相同。

35．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中所述消散模式波导滤波器的中心频率为从约500MHz到60GHz。

36．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中所述传导壁装置包围一渗透气体装置。

37．如权利要求31所述的消散模式波导滤波器，其中所述滤波器使用模铸工艺过程制造。

38．如权利要求37所述的消散模式波导滤波器，其中所述模铸工艺过程为注模工艺过程。

39．一种消散模式波导滤波器，其包括：

用于提供一波导周边的第一通孔装置：及

用于共振的装置，其包括连接于电容器装置的第二通孔装置。

40．一种消散模式波导滤波器，其包括：

用于提供一波导周边的经电镀缝隙装置；及

用于共振的装置，其包括连接于电容器装置的通孔装置。

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