專利名稱：基片集成波導(dǎo)——電子帶隙帶通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可以應(yīng)用于微波毫米波電路的設(shè)計(jì)，亦可用于系統(tǒng)封裝(SOP)、系統(tǒng)芯片(SOC)等高度集成系統(tǒng)中微波毫米波集成電路設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器。
背景技術(shù)：
微波毫米波帶通濾波器在迅速發(fā)展的通信系統(tǒng)有著大量的應(yīng)用。隨著寬帶通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)具有很寬通帶的濾波器有著迫切的需求。利用傳統(tǒng)的金屬脊波導(dǎo)等結(jié)構(gòu)可以形成寬頻帶微波毫米波帶通濾波器。但是這些形式的濾波器首先很難做到非常寬的相對(duì)帶寬(≥50％)，其次這些形式的帶通濾波器體積比較龐大，難以和其他微波毫米波器件集成，第三這些形式的帶通濾波器加工成本比較昂貴，加工精度的要求比較高。為了克服這些困難，需要一種具有很寬帶寬(≥50％)，體積小，重量輕，加工成本低，易于集成的微波毫米波帶通濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種既能滿足寬帶或者超寬帶系統(tǒng)中的濾波器需要，又易于將通信系統(tǒng)中微波毫米波電路與微波毫米波高性能濾波器集成在一起的基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器，它具有體積小、易于集成、加工成本比較低廉，頻率選擇性好的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于大規(guī)模生產(chǎn)和微波毫米波集成電路的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片的介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上設(shè)有基片集成波導(dǎo)，該基片集成波導(dǎo)至少由2行金屬化通孔組成，金屬貼片由金屬化通孔連接，在介質(zhì)基片的地面上設(shè)有電子帶隙結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片的頂面上設(shè)有輸入端和輸出端且分別與同一基片集成波導(dǎo)連接，電子帶隙結(jié)構(gòu)由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的地面上，用于構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化通孔分別位于2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個(gè)電子帶隙單元內(nèi)，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側(cè)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明利用在介質(zhì)基片上的兩排或多排金屬化通孔，形成基片集成波導(dǎo)。本發(fā)明利用了基片集成波導(dǎo)的高通頻選特性和電子帶隙結(jié)構(gòu)的帶阻特性，將電子帶隙結(jié)構(gòu)緊密的和基片集成波導(dǎo)結(jié)合在一起，從而形成了高性能的濾波器，同時(shí)器件的體積大為減小。在這種濾波器的結(jié)構(gòu)中，所有的結(jié)構(gòu)都可以利用傳統(tǒng)的PCB或LTCC工藝實(shí)現(xiàn)，同時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)主要介質(zhì)基片上的一系列的金屬通孔陣列所構(gòu)成，從而減少了生產(chǎn)成本，同時(shí)有利于這種濾波器在微波毫米波電路設(shè)計(jì)中的集成；我們?cè)O(shè)計(jì)了一種較好的寬帶輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)并將電子帶隙結(jié)構(gòu)緊密地和基片集成波導(dǎo)集成在一起；這種濾波器的實(shí)現(xiàn)主要是利用基片集成波導(dǎo)的高通頻選特性和電子帶隙結(jié)構(gòu)的帶阻特性來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)基片集成波導(dǎo)和電子帶隙結(jié)構(gòu)的尺寸，可以形成具有很寬頻帶和極好選擇特性的基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器；這種濾波器設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，可以通過增加相同電子帶隙結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目，極大地增加濾波器的頻選特性。本發(fā)明具體具有如下優(yōu)點(diǎn)1)這種濾波器將電子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)和基片集成波導(dǎo)(SIW)緊密的集成在一起，器件尺寸比較小，在微波毫米波電路的設(shè)計(jì)中易于和其他電路集成。這種濾波器可以在介質(zhì)基片上利用常用的PCB或LTCC工藝實(shí)現(xiàn)，濾波器的主體結(jié)構(gòu)均為金屬通孔陣列，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足低成本大規(guī)模加工的要求；2)能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能的頻率選擇性，設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，可以通過在輸入端與輸出端之間增加相同電子帶隙結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目，極大的增加濾波器的頻選特性。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)主視圖。
圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)后視圖。
圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
圖4是對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)試結(jié)果圖，該測(cè)試結(jié)果包含了兩個(gè)SMA接頭的插損。
圖5本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)后視圖。
圖6本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)后視圖。
圖7本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)后視圖。
具體實(shí)施例方式
一種基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片21、22的介質(zhì)基片3，在介質(zhì)基片3上設(shè)有基片集成波導(dǎo)，該基片集成波導(dǎo)至少由2行金屬化通孔1組成，金屬貼片21、22由金屬化通孔1連接，在介質(zhì)基片3的地面上設(shè)有電子帶隙結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片3的頂面上設(shè)有輸入端2和輸出端5且分別與同一基片集成波導(dǎo)連接，電子帶隙結(jié)構(gòu)由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元4組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的地面上，用于構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化通孔分別位于2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個(gè)電子帶隙單元內(nèi)，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側(cè)(如圖2、圖5到圖7所示)。
上述金屬化通孔可以是2、3、5、8或11行。在本實(shí)施例中，可以有1、3、4、6、9或12行同平面緊湊型電子帶隙單元位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的地面上。
對(duì)本發(fā)明的測(cè)試表明該濾波器具有很寬的帶寬，很好的頻率選擇性。測(cè)試對(duì)象是利用PCB技術(shù)實(shí)現(xiàn)了的有11個(gè)單元超寬帶基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器(Wideband SIW-PBG Filter)。該濾波器的尺寸為5.5×4.2cm2。
本發(fā)明采用如下方法來進(jìn)行對(duì)基片集成波導(dǎo)和同平面緊湊型電子帶隙單元的尺寸的調(diào)節(jié)首先我們根據(jù)矩形波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)之間的關(guān)系來調(diào)節(jié)構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬通孔的直徑和間距λc·fc=C0/μrϵr---(1.1)]]>上式中fc為常用矩形波導(dǎo)中矩形波導(dǎo)的截止頻率，在設(shè)計(jì)中取該濾波器的工作頻率范圍內(nèi)的最低工作頻率，λc為常用矩形波導(dǎo)中矩形波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)，C0為自由空間中光的傳播數(shù)度，μr為矩形波導(dǎo)中介質(zhì)的磁相對(duì)介電常數(shù)，εr為矩形波導(dǎo)中介質(zhì)的電相對(duì)介電常數(shù)，由該式我們可以求得矩形波導(dǎo)的截止波長(zhǎng)。
λc＝2arec(1.2)arec為對(duì)應(yīng)的矩形波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度，由(1.2)式我們可以求得所需的矩形波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)度arec1。
λg=λ1-(λλc)2---(1.3)]]>λ工作在頻率f時(shí)所對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)，λg為工作在頻率f時(shí)矩形波導(dǎo)中的波導(dǎo)波長(zhǎng)，當(dāng)取頻率f為濾波器的最高工作頻率時(shí)，由(1.3)式，我們可以求得所需的矩形波導(dǎo)的波導(dǎo)波長(zhǎng)λg1，為了最低限度減小基片集成波導(dǎo)側(cè)壁的泄漏，我們選取金屬通孔之間的間距VSP小于等于八分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)λg1，金屬通孔的直徑大于三十二分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)λg1同時(shí)它也小于十六分之一波導(dǎo)波長(zhǎng)λg1。
在確定了構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬通孔的直徑和間距以后，我們根據(jù)以下關(guān)系式來求得構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的兩行金屬通孔之間的間距，亦即基片集成波導(dǎo)的寬度WSIW。
a‾=arecWSIW=ξ1+ξ2VSPD+ξ1+ξ2-ξ3ξ3-ξ1---(1.4)]]>上式中a是歸一化因子，它反映了基片集成波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)之間的關(guān)系，arec矩形波導(dǎo)之間的關(guān)系式，ξ1，ξ2，ξ3分別定義如下
ξ1=1.0198+0.3465WSIWVSP-1.0684,]]>ξ2=-0.1183-1.2729WSIWVSP-1.2010,]]>ξ3=1.0082-0.9163WSIWVSP+0.2152---(1.5)]]>我們使用電磁全波算法(時(shí)域有限差分算法)對(duì)同平面緊湊型電子帶隙單元構(gòu)成的電子帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真，從而獲得了電子帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶頻率，我們經(jīng)過電磁全波算法對(duì)電子帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得電子帶隙結(jié)構(gòu)的阻帶頻率和該濾波器的上限工作頻率相等，從而獲得了電子帶隙單元的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種基片集成波導(dǎo)--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片(21、22)的介質(zhì)基片(3)，在介質(zhì)基片(3)上設(shè)有基片集成波導(dǎo)，該基片集成波導(dǎo)至少由2行金屬化通孔(1)組成，金屬貼片(21、22)由金屬化通孔(1)連接，在介質(zhì)基片(3)的地面上設(shè)有電子帶隙結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片(3)的頂面上設(shè)有輸入端(2)和輸出端(5)且分別與同一基片集成波導(dǎo)連接，其特征在于電子帶隙結(jié)構(gòu)由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元(4)組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的地面上，用于構(gòu)成基片集成波導(dǎo)的金屬化通孔分別位于2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個(gè)電子帶隙單元內(nèi)，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位于基片集成波導(dǎo)內(nèi)部區(qū)域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基片集成波導(dǎo)——電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片的介質(zhì)基片，在介質(zhì)基片上設(shè)有基片集成波導(dǎo)，地面上設(shè)有電子帶隙結(jié)構(gòu)，頂面上設(shè)有輸入端和輸出端且分別與同一基片集成波導(dǎo)連接，電子帶隙結(jié)構(gòu)由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元組成，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)濾波器將電子帶隙結(jié)構(gòu)(PBG)和基片集成波導(dǎo)(SIW)緊密的集成在一起，器件尺寸比較小，在微波毫米波電路的設(shè)計(jì)中易于和其他電路集成，滿足低成本大規(guī)模加工的要求；能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高性能的頻率選擇性，設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，可以通過在輸入端與輸出端之間增加相同電子帶隙結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目，極大的增加濾波器的頻選特性。
文檔編號(hào)H01P1/201GK1697248SQ20051004033
公開日2005年11月16日 申請(qǐng)日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者洪偉, 郝張成, 陳繼新, 吳柯 申請(qǐng)人:東南大學(xué)