專利名稱：雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波電路、微電子和微機(jī)電系統(tǒng)交叉領(lǐng)域，在微波電路中用以把所需頻段的信號(hào)以盡可能小的衰減通過，同時(shí)把不需頻段的信號(hào)衰減掉。尤其是一種廣義切比雪夫帶通濾波器類型的濾波器，具體地說是一種雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器。
背景技術(shù)：
微波濾波器設(shè)計(jì)要求體積小、插損小、帶外抑制要高、阻抗匹配特性要好。微波濾波器的種類主要有集總元件(電感、電容)形式、分布傳輸線式、陶瓷、腔體式等。在衛(wèi)星、通信以及航空、航天等系統(tǒng)中要求電子系統(tǒng)體積小、重量輕和成本低，在采用了大規(guī)模集成電路的今天，微波濾波器等無源元件的集成就成了系統(tǒng)的瓶頸。因此為追求系統(tǒng)的小型化，微波濾波器通常的實(shí)現(xiàn)方式有交指線、梳狀線、發(fā)夾線以及平行耦合線型微帶或帶狀線濾波器，設(shè)計(jì)方法采用切比雪夫低通濾波器原型，轉(zhuǎn)換成微波濾波器的物理尺寸，實(shí)現(xiàn)濾波器的功能。上述交指線和梳狀線濾波器尺寸緊湊，是微波濾波器小型化設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。但微波接地技術(shù)是微波集成電路工藝制作的難點(diǎn)，故限制了其發(fā)展，成為微型濾波器發(fā)展的瓶頸之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種整體結(jié)構(gòu)較小、帶外抑制性能好、插損小、具有兩個(gè)調(diào)諧傳輸零點(diǎn)的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，在襯底S上設(shè)有N節(jié)分布式耦合微波傳輸線，濾波器的輸入輸出采用中間抽頭線式，抽頭線輸入端T1與第一節(jié)微波傳輸線1相連，第一節(jié)微波傳輸線1與作為諧振器的中間傳輸線2，...，N-1耦合直至最后一節(jié)微波傳輸線N，抽頭線輸出端T2與最后一節(jié)微波傳輸線N相連，其特征是①第一節(jié)微波傳輸線1和最后一節(jié)微波傳輸線N都兩端接地，接地端分別為V1、V1’和Vn、Vn’；②抽頭線T1到微波傳輸線1的接地端V1和V1’的長度分別為L1和L2，抽頭線輸出端(T2)到最后一節(jié)微波傳輸線(N)的接地端Vn、Vn’的長度也分別為L1和L2，L1和L2分別等于濾波器兩個(gè)傳輸零點(diǎn)所在頻率點(diǎn)的二分之一波長。
本發(fā)明還進(jìn)一步采取了以下技術(shù)措施每節(jié)微波傳輸線的接地方式或?yàn)槊恳粭l微波傳輸線通過微機(jī)械加工通孔與襯底S的背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地，或?yàn)橄扰c公共接地母線相連，公共接地母線通過微機(jī)械加工通孔與襯底S背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地。
所述的微波傳輸線可以是微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線。
所述的襯底為高阻硅、砷化鎵、氧化鋁陶瓷或玻璃。
微波傳輸線的節(jié)數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)為對(duì)稱式，N為偶數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)為反對(duì)稱式。
輸入輸出端抽頭線T1，T2結(jié)構(gòu)為微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線，耦合方式為窄線電感耦合或錐形耦合。
作為諧振器的2，…，N-1節(jié)中間耦合微波傳輸線為交指型或梳狀線單端接地結(jié)構(gòu)，諧振器的長度等于濾波器中心頻率的四分之一波長。
本發(fā)明的有益效果一、采用雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)技術(shù)，提高了濾波器性能傳統(tǒng)的耦合傳輸線濾波器要實(shí)現(xiàn)較高的帶外抑制必須增加濾波器的節(jié)數(shù)，然而節(jié)數(shù)的增加不僅使濾波器的體積增大，而且會(huì)使濾波器的插入損耗隨之變大。采用雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)技術(shù)，在濾波器節(jié)數(shù)不變的情況下，在通帶兩邊即上邊帶和下邊帶適當(dāng)?shù)念l率點(diǎn)出現(xiàn)傳輸零點(diǎn)，大大改善了濾波器的帶外抑制性能。
二、雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)技術(shù)，優(yōu)化調(diào)整方便實(shí)用通常微波傳輸線濾波器中，傳輸零點(diǎn)是采用使濾波器中不相鄰的諧振器間交叉耦合的方法來實(shí)現(xiàn)的。這種方法的缺點(diǎn)是濾波器必須具有至少四節(jié)的諧振器，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，從而容易導(dǎo)致插損變大。
本發(fā)明只需調(diào)整L1、L2的長度和抽頭線位置，故調(diào)整方便。
三、采用微機(jī)械通孔技術(shù)，減小芯片的面積，提高了微波濾波器的寄生通帶。
由于工藝的限制，采用抽頭輸入式的發(fā)夾狀微帶線濾波器和開路環(huán)微帶線濾波器也可以避免交叉耦合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)不夠緊湊、相對(duì)體積較大，并且寄生通帶在濾波器設(shè)計(jì)中心頻率的2倍頻處。
使用微機(jī)械通孔技術(shù)，避免接地方式通過芯片外圍的金屬層來連接接地平面，并且可以在芯片的任何地方實(shí)現(xiàn)與背面金屬層接地，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。并且寄生通帶在濾波器設(shè)計(jì)中心頻率的3倍頻處，提高了濾波器的使用頻段。
四、本發(fā)明為使芯片小型化，使用了抽頭線式設(shè)計(jì)和微波通孔接地技術(shù)；為改善選擇性使用了廣義切比雪夫相應(yīng)和雙調(diào)諧有限傳輸零點(diǎn)技術(shù)；為使物理可實(shí)現(xiàn)性，選擇了微波集成電路工藝和射頻微機(jī)電系統(tǒng)中的體硅加工技術(shù)。因而具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便，工藝兼容性好，可直接用于加工體積小、重量輕的射頻多芯片電路模塊或單片子系統(tǒng)。
五、與傳統(tǒng)的耦合微帶線濾波器相比具有體積小，帶外抑制性能好、插損小等優(yōu)點(diǎn)。且與一般具有傳輸零點(diǎn)的微帶線濾波器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易于實(shí)現(xiàn)、傳輸零點(diǎn)任意可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的對(duì)稱式微機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是發(fā)明的反對(duì)稱式微機(jī)械濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1、2所示。圖1、2中1是第一節(jié)微波傳輸線；2～N-1是中間微波耦合傳輸線諧振器；N是最后一節(jié)微波傳輸線；T1是抽頭線輸入端；T2是抽頭線輸出端；L是中間傳輸線諧振器長度；L1，L2是抽頭線連接處距傳輸線兩接地端的距離長度；M是傳輸線匹配拐角。S是襯底。
抽頭線輸入端(T1)與第一節(jié)微波傳輸線1相連，第一節(jié)微波傳輸線1與中間耦合傳輸線諧振器2，…，N-1耦合直至最后一節(jié)微波傳輸線N，抽頭線輸出端T2與最后一節(jié)微波傳輸線N相連。第一節(jié)微波傳輸線1和最后一節(jié)微波傳輸線N都兩端接地，接地端分別為V1、V1’和Vn、Vn’。
抽頭線T1到微波傳輸線1的接地端V1和V1’的長度分別為L1和L2，L1和L2分別等于濾波器兩個(gè)傳輸零點(diǎn)所在頻率點(diǎn)的二分之一波長。抽頭線輸出端T2到最后一節(jié)微波傳輸線(N)的接地端Vn、Vn’的長度分別為L1和L2，L1和L2分別等于濾波器兩個(gè)傳輸零點(diǎn)所在頻率點(diǎn)的二分之一波長。見公式1。通過改變L1、L2，優(yōu)化調(diào)整傳輸零點(diǎn)的頻點(diǎn)位置。使濾波器的帶外抑制、插入損耗、輸入輸出阻抗匹配達(dá)到最佳。
傳輸零點(diǎn)位置與L1和L2的關(guān)系式如下fn=c2Lnϵre,(n=1,2)---(1)]]>其中，c為真空中的光速，εre為襯底介質(zhì)有效相對(duì)介電常數(shù)。
中間耦合微波傳輸線諧振器2，…，N-1采用單端接地方式，接地端為V2～Vn，V2’～Vn’。傳輸線耦合結(jié)構(gòu)可為交指型或梳狀線結(jié)構(gòu)，傳輸線形式可以是微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線。傳輸線長度等于濾波器中心頻率的四分之一波長。見公式(2)。根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化，稍作調(diào)整。
f0=c4Lϵre---(2)]]>微波傳輸線接地端V1～Vn，V1’～Vn’通過由MEMS工藝形成的微機(jī)械通孔與襯底背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地。具體方式可以是每一條微波傳輸線通過微機(jī)械加工通孔與襯底背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地，也可以通過先與公共接地母線相連，公共接地母線通過微機(jī)械加工通孔與襯底背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地。
濾波器總體結(jié)構(gòu)可采用對(duì)稱式(見圖1)和反對(duì)稱式(見圖2)，分別對(duì)應(yīng)濾波器節(jié)數(shù)(N值)為奇數(shù)節(jié)和偶數(shù)節(jié)。
輸入輸出端抽頭線T1，T2結(jié)構(gòu)可采用微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線，耦合方式可采用窄線電感耦合或錐形耦合。
第一節(jié)1和最后一節(jié)微帶線諧振器N可使用傳輸線匹配拐角M使結(jié)構(gòu)更緊湊。
濾波器襯底S可以采用高阻硅、砷化鎵、氧化鋁陶瓷或玻璃。
具體制作例在電阻率為3000Ω·cm的Φ4″525μm厚的硅片S表面用微電子工藝形成1μm厚的SiO2絕緣介質(zhì)層，再用微電子工藝在SiO2層上形成約1μm厚的金屬鋁層。用微電子工藝形成通孔圖形，圖形去除鋁和SiO2，ICP(電感耦合等離子體)深反應(yīng)離子在通孔圖形內(nèi)刻蝕硅約450μm深。去除鋁層并清洗硅片，再用微電子工藝在SiO2絕緣介質(zhì)層上形成由鈦/金層構(gòu)成的首尾兩節(jié)傳輸線1，N、中間耦合傳輸線諧振器2～N-1、輸入抽頭線T1輸出抽頭線T2。首尾兩節(jié)傳輸線長度為5000μm，寬度為250μm，其中L1為3600μm，L2為1400μm，中間耦合傳輸線長度L為2500μm，寬度為500μm。抽頭線長度為500μm，兩端寬度分別為300μm和100μm。各傳輸線間耦合間隙不等，在100μm～500μm范圍內(nèi)。硅片背面減薄至380μm，形成微機(jī)械通孔V1～Vn，V1′，Vn′，用微電子工藝在硅片背面形成鈦/金層，并使通孔金屬化，通孔V1～Vn，V1′，Vn′內(nèi)徑200μm，外徑300μm。劃片得到總體尺寸為10mm×5mm×0.4mm的濾波器芯片。
權(quán)利要求
1.一種雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，在襯底S上設(shè)有N節(jié)分布式耦合微波傳輸線，濾波器的輸入輸出采用中間抽頭線式，抽頭線輸入端(T1)與第一節(jié)微波傳輸線(1)相連，第一節(jié)微波傳輸線(1)與作為諧振器的中間傳輸線(2，...，N-1)耦合直至最后一節(jié)微波傳輸線(N)，抽頭線輸出端(T2)與最后一節(jié)微波傳輸線(N)相連，其特征是①第一節(jié)微波傳輸線(1)和最后一節(jié)微波傳輸線(N)都兩端接地，接地端分別為V1、V1’和Vn、Vn’；②抽頭線T1到微波傳輸線(1)的接地端V1和V1’的長度分別為L1和L2，抽頭線輸出端(T2)到最后一節(jié)微波傳輸線(N)的接地端Vn、Vn’的長度也分別為L1和L2，L1和L2分別等于濾波器兩個(gè)傳輸零點(diǎn)所在頻率點(diǎn)的二分之一波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是每節(jié)微波傳輸線的接地方式或?yàn)槊恳粭l微波傳輸線通過微機(jī)械加工通孔與襯底S的背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地，或?yàn)橄扰c公共接地母線相連，公共接地母線通過微機(jī)械加工通孔與襯底S背面地平面相連實(shí)現(xiàn)接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是所述的微波傳輸線可以是微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是所述的襯底為高阻硅、砷化鎵、氧化鋁陶瓷或玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是微波傳輸線的節(jié)數(shù)N為奇數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)為對(duì)稱式，N為偶數(shù)時(shí)，其結(jié)構(gòu)為反對(duì)稱式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是輸入輸出端抽頭線(T1，T2)結(jié)構(gòu)為微帶線、共面波導(dǎo)線或帶狀線，耦合方式為窄線電感耦合或錐形耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙調(diào)諧傳輸零點(diǎn)微機(jī)械微波濾波器，其特征是作為諧振器的(2，...，N-1)節(jié)中間耦合微波傳輸線為交指型或梳狀線單端接地結(jié)構(gòu)，諧振器的長度等于濾波器中心頻率的四分之一波長。
全文摘要
本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)的切比雪夫抽頭線微波濾波器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)，基本結(jié)構(gòu)采用分布式耦合線結(jié)構(gòu)，中間(2)～(N－1)節(jié)微波傳輸線的長度為設(shè)計(jì)頻率的四分之一波長，并且該傳輸線的一端通過微機(jī)械通孔(V
文檔編號(hào)H01P1/203GK1747225SQ20051009441
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月16日
發(fā)明者朱健, 郁元衛(wèi), 張勇 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所