一种基于IPD技术的超宽带带通滤波器

一种基于ipd技术的超宽带带通滤波器
技术领域
1.本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及一种基于ipd技术的超宽带带通滤波器。


背景技术：

2.超宽带(ultra wide band，uwb)技术是一种使用1gh以上频率带宽的无线载波通信技术。主要用于军用雷达、定位和低捕获率/低侦测率通信系统中。由于uwb技术具有数据传输速度快、系统结构简单、功耗低、穿透能力强等优势，得到了学术界与工业领域的广泛研究。uwb滤波器在射频通信系统中能抑制谐波，保证信号的有效传输，因此，uwb滤波器作为射频通信系统中的一个重要器件，需要满足低插入损耗、高选择性等性能要求，其性能的好坏会直接影响整个通信系统性能。
3.目前uwb滤波器的设计方法主要由：1、高低通滤波器级联设计；2、多模谐振器技术；3、混合微带与共面波导技术；4、加载短路枝节线技术等等，其中多模谐振器是主流设计方法。但对在应用于低频段的uwb滤波器来说，为了解决uwb系统与其他系统之间的干扰，设计小型化、高选择性的uwb滤波器是非常必要的。然而，若使用传统的设计方法，考虑使用频率的波长影响，器件的尺寸无法实现小型化设计，这就限制了uwb滤波器的应用。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的在于，提供一种基于ipd技术的超宽带带通滤波器，具有超宽带通特性并有效降低插入损耗。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于ipd技术的超宽带带通滤波器，包括接地金属层、衬底、器件层、七个集总电感、七个集总电容和两个馈电端口；所述衬底的底部与所述接地金属层连接，所述器件层设置在所述衬底顶部，七个集总电感和七个集总电容均位于所述器件层，两馈电端口分别位于所述衬底的两侧与所述衬底两侧并与所述衬底连接，所述器件层上设有六个贯通所述衬底的接地孔，其中，第一馈电端口通过第一接地孔和第二接地孔与所述接地金属层互连，第二馈电端口通过第三接地孔和第四接地孔与所述接地金属层互连；
7.第一集总电容的第一端与所述第一馈电端口连接，第二端与第一集总电感的第一端连接；所述第一集总电感的第二端与第二集总电感的第一端连接，所述第二集总电感的第二端与第二集总电容的第一端连接；所述第二集总电容的第二端与第四集总电容的第一端分别通过所述第五接地孔与所述接地金属层互连，所述第四集总电容的第二端与第四集总电感的第一端连接，所述第四集总电感的第二端与第七集总电感的第一端连接，所述第七集总电感的第二端与第七集总电容的第一端连接，所述第七集总电容的第二端与第二馈电端口连接；
8.所述第一集总电感的第二端还与第五集总电容的第一端连接，所述第五集总电容的第二端与第五集总电感的第一端连接，所述第五集总电感的第二端与第四集总电感的第二端连接；
9.所述第一集总电感的第二端还与第三集总电感的第一端连接，所述第三集总电感的第二端与第三集总电容的第一端连接，所述第三集总电容的第二端与第六集总电容的第一端分别通过第五接地孔与所述接地金属层互连，所述第六集总电容的第二端与第六集总电感的第一端连接，所述第六集总电感的第二端与所述第四集总电感的第二端连接。
10.相较于现有技术，本发明以集总参数元件的形式进行带通滤波器设计，不仅具有超宽带特性和高选择性，同时还具有良好的带外抑制；在低频段应用场景具有较大优势，结构简单、易于实现，为超宽带带通滤波器的小型化、高性能的设计提供可能。
11.进一步地，所述第一集总电容、所述第二集总电容、所述第三集总电容、所述第四集总电容、所述第五集总电容、所述第六集总电容和所述第七集总电容均为mim电容结构，所述mim电容结构包括相较于所述衬底由下至上依次层叠的上电极、介电材料和下电极。
12.进一步地，所述器件层包括相对于所述衬底由下至上依次层叠的第一金属层、介质层和第二金属层；各集总电容的下电极均位于所述第一金属层，各集总电容的介电材料均位于所述介质层，各集总电容的上电极均位于所述第二金属层。
13.进一步地，所述第一集总电感、所述第二集总电感、所述第三集总电感、所述第四集总电感、所述第六集总电感和所述第七集总电感位于所述第一金属层，所述第五集总电感位于所述第二金属层；所述器件层上设有一互连孔，所述第五集总电感的第二端通过所述互连孔与所述第四集总电感的第二端连接。
14.进一步地，所述第一集总电容的上电极与所述第一馈电端口连接，其下电极与所述第一集总电感的第一端连接；所述第二集总电容的下电极与所述第二集总电感的第二端连接，其上电极通过所述第一接地孔与所述接地金属层连接；所述第三集总电容的下电极与所述第三集总电感的第二端连接，其上电极通过所述第二接地孔与所述接地金属层连接；所述第四集总电容的上电极通过所述第二接地孔与所述接地金属层连接，其下电极与所述第四集总电感的第一端连接；所述第五集总电容的下电极与所述第一集总电感的第二端连接，其上电极与所述第五集总电感的第一端连接；所述第六集总电容的下电极与所述第六集总电感的第二端连接，其上电极通过所述第二接地孔与所述接地金属层连接；所述第七集总电容的下电极与所述第七集总电感的第二端连接，其上电极与所述第二馈电端口连接。
15.进一步地，所述接地金属层的接地金属与所述第一馈电端口和所述第二馈电端口之间分别设有一隔离区，所述第一馈电端口和所述第二馈电端口均不与所述接地金属连接。通过设置隔离区以隔离信号端与接地端，降低短路风险，提高器件的可靠性。
16.进一步地，所述衬底的材质为玻璃，玻璃的介电常数为5.5；其极低介电损耗，可提高集总电感的品质因素，进而降低插入损耗，且在玻璃基板上加工通孔技术简单，如激光加工、光敏玻璃等等，降低了工艺复杂性。
17.进一步地，所述超宽带带通滤波器的尺寸为(0.023λc×
0.015λc×
0.127)mm3，λc＝1.14ghz，为中心频率波长。
18.进一步地，各集总电感为平面螺旋电感结构、圆形螺旋电感结构、方形螺旋电感结构或八角形螺旋电感结构中的任一种。
19.进一步地，所述第一馈电端口、所述第二馈电端口和所述接地金属层均通过贴合结构与所述衬底连接，所述贴合结构为距所述衬底由近至远依次为tiw/ni/au/ausn复合金
属膜。tiw(钛钨合金)层作为粘附层，起到提高金属膜附着力的作用，进而能提高器件的可靠性；ni层作为阻焊层，可以有效阻挡焊料扩散至介质基板，大大降低性能劣化的风险；au层作为电镀金锡合金的种子层；ausn(金锡合金)层作为焊料层，适用于表面贴装工艺，可大大提高封装效率。
20.为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
21.图1为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的等效电路图；
22.图2为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的三维结构示意图；
23.图3为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的俯视图；
24.图4为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的剖面图；
25.图5为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的仰视图；
26.图6为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的s参数仿真结果图谱；
27.图7为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的贴合结构中金属复合膜的结构示意图；
28.附图标记：1-接地金属层、2-衬底、3-器件层、30-第一金属层、32-介质层、34-第二金属层、41-第一馈电端口、42-第二馈电端口、5-接地孔、51-第一接地孔、52-第二接地孔、53-第三接地孔、54-第四接地孔、55-第五接地孔、56-第六接地孔、57-互连孔、6-贴合结构、60-tiw层、62-ni层、64-au层、66-ausn层、7-隔离区、l1-第一集总电感、l2-第二集总电感、l3-第三集总电感、l4-第四集总电容、l5-第五集总电感、l6-第六集总电感、l7-第七集总电感、c1-第一集总构、c2-第二集总电容、c3-第三集总电容、c4-第四集总电容、c5-第五集总电容、c6-第六集总电容、c7-第七集总电容。
具体实施方式
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
30.申请人根据下方所列超宽带带通滤波器的设计指标：
31.中心频率：1.14ghz；
32.插入损耗：＜1.5db；
33.0.5db通带：0.613～1.608ghz；
34.带外抑制：＞35db@dc～500mhz&2ghz～4ghz，；
35.驻波比：＜1.5@0.613～1.608ghz；
36.尺寸：(0.023λc
×
0.015λc
×
0.127)mm3，λc为中心频率波长，满足小型化设计需求；
37.采用椭圆函数频率响应模型，设计出的如图1所示本发明的超宽带带通滤波器理论等效电路图。其中，第一集总电感l1理论值为5.259nh，第二集总电感l2理论值为
4.571nh，第三集总电感l3理论值为18.980nh，第四集总电感l4理论值为1.400nh，第五集总电感l5理论值为11.960nh，第六集总电感l6理论值为10.100nh，第七集总电感l7理论值为6.999nh；第一集总电容c1理论值为4.816pf，第二集总电容c2理论值为1.334pf，第三集总电容c3理论值为5.541pf，第四集总电容c4理论值为2.509pf，第五集总电容c5理论值为2.117pf，第六集总电容c6理论值为18.100pf，第七集总电容c7理论值为3.619pf。
38.基于上述的理论取值，申请人提供一种超宽带带通滤波器。请参阅图2～4，图2～4分别为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的三维结构示意图、俯视图和剖面图。由图可见，本发明的基于ipd技术的超宽带带通滤波器包括：
39.接地金属层1、衬底2、器件层3、七个集总电感、七个集总电容和两个馈电端口。衬底2的底部与接地金属层1连接，器件层3设置在衬底2顶部，其中，器件层3包括第一金属层30、介质层和第二金属层。七个集总电容均为mim电容结构，所述mim电容结构包括从下往上依次层叠的下电极、介电材料和上电极。
40.首先，选择玻璃作为衬底平板，在衬底2上生长第一金属层30。然后通过光刻与刻蚀工艺，制出第一集总电感l1、第二集总电感l2、第三集总电感l3、第四集总电感l4、第六集总电感l6和第七集总电感l7，以及第一集总电容c1的下电极、第二集总电容c2的下电极、第三集总电容c3的下电极、第四集总电容c4的下电极、第五集总电容c5的下电极、第六集总电容c6的下电极和第七集总电容c7的下电极，即第一集总电感l1、第二集总电感l2、第三集总电感l3、第四集总电感l4、第六集总电感l6和第七集总电感l7，以及第一集总电容c1的下电极、第二集总电容c2的下电极、第三集总电容c3的下电极、第四集总电容c4的下电极、第五集总电容c5的下电极、第六集总电容c6的下电极和第七集总电容c7的下电极均位于第一金属层30。
41.然后，在第一金属层30上生长介质层32，介质层32即形成第一集总电容c1的介电材料、第二集总电容c2的介电材料第三集总电容c3的介电材料、第四集总电容c4的介电材料、第五集总电容c5的介电材料、第六集总电容c6的下介电材料和第七集总电容c7的介电材料。
42.最后，在介质层32上生长第二金属层34，然后通过光刻与刻蚀工艺制出第五集总电感l5，以及第一集总电容c1的上电极、第二集总电容c2的上电极、第三集总电容c3的上电极、第四集总电容c4的上电极、第五集总电容c5的上电极、第六集总电容c6的上电极和第七集总电容c7的上电极，即第五集总电感l5，以及第一集总电容c1的上电极、第二集总电容c2的上电极、第三集总电容c3的上电极、第四集总电容c4的上电极、第五集总电容c5的上电极、第六集总电容c6的上电极和第七集总电容c7的上电极均位于第二金属层34。
43.具体地，第一馈电端口41和42分别位于衬底2的两侧并与衬底2连接，器件层3上设有六个贯通衬底2的接地孔5，以及一互连孔57。其中，第一馈电端口41和第二馈电端口42为敞口的半圆筒形，其纵轴与衬底2垂直，且第一馈电端口41和第二馈电端口42的开口均朝向外侧；第一馈电端口41通过第一接地孔51和第二接地孔52与接地金属层1互连，第二馈电端口42通过第三接地孔53和第四接地孔54与接地金属层1互连。
44.第一集总电容的上电极与第一馈电端口41连接，其下电极与第一集总电感l1的第一端连接；第一集总电感l1的第二端与第二集总电感l2的第一端连接，第二集总电感l2的第二端与第二集总电容c2的下电极连接；第二集总电容c2的上电极与第四集总电容c4的上
电极分别通过第五接地孔55与接地金属层1连接；第四集总电容c4的下电极与第七集总电感l7的第一端连接，第七集总电感l7的第二端与第七集总电容c7的下电极连接，第七集总电容c7的第二端与第二馈电端口42连接。
45.第一集总电感l1的第二端还与第五集总电容c5的下电极连接，第五集总电容c5的上电极与第五集总电感l5的第一端连接；第五集总电感l5的第二端与第四集总电感c4的第二端通过互连孔57互连。
46.第一集总电感l1的第二端还与第三集总电感l3的第一端连接，第三集总电感l3的第二端与第三集总电容c3的下电极连接；第三集总电容c3的上电极和第六集总电容c6的上电极分别通过第六接地孔56与接地金属层1互连；第六集总电容c6的下电极与第六集总电感l6的第一端连接，第六集总电感l6的第二端连接与第四集总电感l4的第二端连接。
47.需要说明的是，所有集总电感采用平面螺旋电感结构、圆形螺旋电感结构、方形螺旋电感结构或八角形螺旋电感结构，在本具体实施方式中，所有集总电感均采用平面螺旋电感结构。
48.此外，可通过调节线圈匝数、走线的线宽以及走线之间的间隙来调节电感量的大小，从而调节电感的理论值，在本具体实施方式中，各集总电感的参数如下方表1所示：
49.表1
50.集总电感长(mm)宽(mm)走线线宽(um)走线间距(um)线圈匝数l10.490.415153l20.40.415153l30.570.5715158l40.220.2215153l50.60.615154l60.540.5415154l70.540.5415153
51.也可通过调节上下电极板的面积来调节电容量的大小，从而调节电容的理论值。在本具体实施方式中，各集总电容的参数如下方表2所示：
52.表2
[0053][0054][0055]
在上述技术方案中，第一金属层30和第二金属层34可采用可选金、钛或钨等金属
中的任一种，在本具体实施方式中，采用金作为第一金属层30和第二金属层34的材质。六个接地孔5和互连孔60为金属实心孔，可采用可选金、钛、钨等金属中的任一种，在本具体实施方式中，采用金作为六个接地孔5和互连孔60为的材质。介质层32可采用氧化锆或氧化铪，在本具体实施方式中采用氧化锆作为介质层32的材料。
[0056]
进一步地，请参阅图5，图5为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的仰视图。由图5可见，接地金属层1的接地金属与第一馈电端口41和第二馈电端口之间各设有一隔离区7，且第一馈电端41口和第二馈电端口42均不与接地金属连接，通过在接地金属层1的接地金属与第一馈电端口41和第二馈电端口42之间设置隔离区7，可隔离信号端与接地端，降低短路风险，提高器件的可靠性。优选地，两隔离区7为分别以第一馈电端口41的纵轴线和第二馈电端口42的纵轴线为圆心的半圆环形，使隔离效果更均匀。
[0057]
请参阅图6，图6为本发明基于ipd技术的超宽带带通滤波器的s参数仿真结果图谱。本发明的一种基于ipd技术的超宽带带通滤波器中心频率为1.14ghz；0.5db通带频率范围为0.613～1.608ghz，具有约90％的相对工作带宽；插入损耗小于1.5db；通带驻波比小于1.5；带外抑制在dc～500mh内大于35db在，在2～4ghz内大于35db，具有高选择性、宽阻带的优点，符合设计性能要求。
[0058]
作为对上述技术方案的优化方案，第一馈电端口41、第二馈电端口42和接地金属层1均通过贴合结构6与衬底2连接。请参阅图7，图7为所述贴合结构为距所述衬底由近至远依次为tiw/ni/au/ausn复合金属膜层结构，其中，tiw(钛钨合金)层作为粘附层，起到提高金属膜附着力的作用，进而能提高器件的可靠性；ni层作为阻焊层，可以有效阻挡焊料扩散至介质基板，大大降低性能劣化的风险；au层作为电镀金锡合金的种子层；ausn(金锡合金)层作为焊料层，适用于表面贴装工艺，可大大提高封装效率。
[0059]
相较于现有技术，本发明采用椭圆函数频率响应模型，以集总参数元件的形式进行带通滤波器设计，不仅具有超宽带特性，同时还具有良好的带外抑制；在低频段应用场景具有较大优势，结构简单、易于实现；结合ipd加工工艺技术，可实现器件小型化，产品可靠性高、一致性好，适合大批量生产。此外，本发明超宽带带通滤波器的馈电端口以及接地金属层所采用的贴合结构及金锡焊料预成型技术，适用于表面贴装工艺，可大大提高封装效率。
[0060]
以上所述具体实施方式仅表达了本发明的其中几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，则本发明也意图包含这些改动和变形。