一种基于硅基mems工艺的紧凑型基片集成波导滤波器
阅读说明：本技术 一种基于硅基mems工艺的紧凑型基片集成波导滤波器 (Compact substrate integrated waveguide filter based on silicon-based MEMS (micro-electromechanical systems) process ) 是由 张皓 蔡传涛 张硕 赵磊 周潇潇 于 2021-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于硅基MEMS工艺的紧凑型基片集成波导滤波器,包括顶层基板和底层基板的SIW腔体结构,还包括顶层金属层、中间金属层、底层金属层、设置于基板内部的硅基通孔、顶层基板上表面的第一共面波导端口激励,底层基板下表面的第二共面波导端口激励和在中间金属层上的十字形槽线结构；所述顶层基板和底层基板通过晶圆级金金键合在一起。本发明的滤波器具有体积小、重量轻、高功率容量、通带选择性好以及带外抑制度高的特点,广泛地应用于毫米波射频前端系统中。(The invention discloses a compact substrate integrated waveguide filter based on a silicon-based MEMS (micro electro mechanical system) process, which comprises a SIW (substrate integrated waveguide) cavity structure of a top substrate and a bottom substrate, and further comprises a top metal layer, a middle metal layer, a bottom metal layer, a silicon-based through hole arranged in the substrate, excitation of a first coplanar waveguide port on the upper surface of the top substrate, excitation of a second coplanar waveguide port on the lower surface of the bottom substrate and a cross-shaped groove line structure on the middle metal layer; the top substrate and the bottom substrate are bonded together by wafer level gold. The filter has the characteristics of small volume, light weight, high power capacity, good passband selectivity and high out-of-band rejection degree, and is widely applied to millimeter wave radio frequency front-end systems.)
技术领域
本发明涉及基片集成波导滤波器，尤其涉及一种基于硅基MEMS工艺的紧凑型基片集成波导滤波器。
背景技术
滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。随着单片微波集成电路(MMIC)技术的飞速发展，对滤波器也提出了更高的要求。基片集成波导(SIW)滤波器就是其显著的成果。此结构在大幅缩小体积的同时仍具有较高Q(功率容量)值及电磁屏蔽能力。MEMS技术是一种高精度多层立体微加工技术，使用MEMS技术制作SIW结构滤波器，可达到微米量级加工精度，获得的滤波器在体积、损耗、选择性和一致性等方面都具有显著优势，可满足毫米波频段的指标要求。MEMS共面波导传输线相对其它传输线而言，具有很多优点：它不需在基底上开孔就可直接和其它射频器件共面集成，而传输带宽较高，可达几十甚至上百GHz。其次，用SIW技术与硅微机械技术的结合，实现单片式硅基MEMS滤波器，是实现RF(Radio Frequency)系统小型化、集成化的技术途径，在无线通信基站、空间卫星通信等领域应用前景广阔。
现有的滤波器面积过大，使得微波通信系统更加庞大，同时也增加了产品的成本；其次，现有的滤波器大多参数微带线传输结构，其Q值较低，由于微带线在高频端的寄生效应，使得在毫米波领域微带线的使用受限。因此，现有的滤波器无论从面积大小方面还是功率容量方面，都无法满足未来毫米波射频前端系统的工程化应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种面积小、功率容量大的基于硅基MEMS工艺的紧凑型基片集成波导滤波器。
技术方案：本发明的滤波器包括顶层基板和底层基板的SIW腔体结构，还包括顶层金属层、中间金属层、底层金属层、设置于基板内部的TSV通孔、顶层基板上表面的第一共面波导激励端口，底层基板下表面的第二共面波导激励端口和在中间金属层上的十字形槽线结构；所述顶层基板和底层基板通过晶圆级金金键合在一起。
第一共面波导激励端口到TSV通孔第二边线的距离为TSV通孔第一边线总长度的四分之一，第二共面波导激励端口到TSV通孔第三边线的距离为TSV通孔第四边线总长度的四分之一。第一共面波导激励端口的两侧分别设有第一矩形槽，第二共面波导激励端口的两侧分别设有第二矩形槽；所示第一矩形槽和第二矩形槽的宽度尺寸均可调；第一共面波导激励端口和第二共面波导激励端口的宽度尺寸相同。所述第一共面波导激励端口与顶层基板的外边缘重合；所述第二共面波导激励端口与底层基板的外边缘重合。
十字形槽线结构通过腐蚀工艺刻蚀在中间金属层中央的位置。
TSV通孔放置在矩形腔体的四周、均匀分布，构建成矩形SIW腔体。所述顶层金属层、中间金属层和底层金属层分别通过电镀工艺使得基板表面生长成标准厚度的金层。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、基于半导体工艺加工的硅基基板，能够提供较高的布线精度；2、采用共面波导技术激励端口，便于电磁信号从微带传输模式过渡到SIW腔体传输模式，损耗低、传输带宽高；3、使用基片集成波导的结构，在大幅缩小体积的同时仍具有较高功率容量值及电磁屏蔽能力；4、刻蚀的十字形槽线结构，使电磁信号很好的从顶层腔体耦合到底层腔体中，保证了信号的完整性；5、合理地选择了输入输出端口的位置，使得SIW腔体同时激励起TE201模式和TE102模式，获得了四个传输极点和多个传输零点，增加了通带带宽和带外抑制度。
附图说明
图1为本发明的滤波器结构示意图；
图2(a)为本发明的滤波器顶层金属层结构示意图、(b)为本发明的滤波器中间金属层结构示意图、(c)为本发明的滤波器底层金属层结构示意图；
图3(a)为本发明的TE101模式磁场示意图、(b)为本发明的TE102模式磁场示意图(c)为本发明的TE201模式磁场示意图；
图4为本发明实施例的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明的滤波器包括顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、设置于基板内部的TSV(Through Silicon Via穿透硅)通孔6、顶层基板10上表面的第一共面波导激励端口4，底层基板20下表面的第二共面波导激励端口5，以及在中间金属层2上刻蚀的十字形槽线结构7，如图1所示。
顶层基板10上表面的第一共面波导激励端口4到TSV通孔第二边线42的距离为TSV通孔第一边线41总长度的四分之一，底层基板20下表面的第二共面波导激励端口5到TSV通孔第三边线43的距离为TSV通孔第四边线44总长度的四分之一，其目的是为了激励起顶层SIW腔体和底层SIW腔体内的简并模(TE102和TE201)。
十字形槽线结构7刻蚀在中间金属层2中央的位置。传输信号通过十字形槽线结构7从顶层金属层1耦合到底层金属层3，十字形结构槽线7不影响简并模式的磁场分布。
顶层基板10和底层基板20通过晶圆级金金键合互联在一起。利用晶圆级金金键合工艺，键合牢度强，键合面贴合，有利于信号的过渡传输。
设置于基板内部的TSV通孔6放置在矩形腔体的四周，构建了矩形SIW腔体，腔体的大小决定SIW腔体的主模谐振频率，面积越大，主模谐振频率越小。
顶层基板10和底层基板20均为深宽比为400:120的TSV通孔6转接板(深度为400微米的基板，直径为120微米的孔直径)，基于半导体工艺加工对顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、设置于基板内部的TSV通孔6进行加工，顶层基板10和底层基板20之间通过晶圆级金金键合互联在一起。
本发明中在激励端口采用共面波导技术激励端口，电磁信号从顶层基板10的微带传输模式过渡到SIW腔体传输模式、再通过底层基板20的微带传输模式输出，损耗低、传输带宽高，如图2所示的具体参数如下：W1＝W3＝2.2mm，W2＝0.2mm，W4＝0.55mm，L1＝1.7mm，L2＝0.6mm，L3＝0.3mm，L4＝0.3mm，S＝0.05mm。电磁信号传输过程如下：
顶层基板10的微带传输模式：电磁波信号通过第一共面波导激励端口4两侧的第一矩形槽31进入SIW腔体。
SIW腔体传输模式：电磁波信号通过中间层十字形槽线结构7从顶层SIW腔体耦合到底层SIW腔体。激励端口放置在TE201模式磁场最强的地方，如图3(c)中①和②的位置，成功激励起TE101模式，TE102模式和TE201模式，其中简并模TE102和TE201被用作通带内的两个传输极点，把TE101模式当作谐波，利用TE101模式、TE102模式和TE201模式之间的耦合，顶层SIW腔体的简并模(TE102和TE201)与底层SIW腔体的简并模(TE102和TE201)共同构建了滤波通带中的四个传输零点，有效地提高了带外抑制度。
底层基板20的微带传输模式：电磁波信号通过SIW腔体传输后，通过第二共面波导激励端口5两侧的第二矩形槽32输出。
综上，本发明利用在中间金属层刻蚀十字形槽线结构7，使得信号通过十字形槽线结构7从顶层基板10耦合到底层基板20，从图3中也可以看出，十字形结构并不影响通带内TE102和TE201模式的传输，只影响TE101模式的电磁分布，利用该特点，可以灵活地改变传输零点的位置，可以根据需求在设计的频率点获得良好的抑制度。
如图4为本发明S参数与频率关系图，本方案提供了一个工作在U波段的滤波器实例，仿真的通带中心频率是43.9GHz，3dB带宽为2GHz，最小带内插损为0.8dB。
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