基于IPD技术的超宽带及宽阻带带通滤波器的制作方法

基于ipd技术的超宽带及宽阻带带通滤波器
技术领域
1.本发明是一种基于ipd技术的超宽带及宽阻带带通滤波器，属于微波与射频技术领域。


背景技术：

2.无线通信技术的飞速发展，进一步促进了超宽带（ultra-wideband, uwb）无线通信技术的诞生。由于 uwb 技术的出现，无线通信频谱拥挤的问题得到很好的解决。uwb技术因为具有系统结构简单、功率损耗小、成本低、数据传输速度快等众多优势，在 20世纪 90 年代开始走向民用领域。1989 年，美国联邦通信委员会（federal communications committee,fcc）针对 uwb 系统与已经存在的窄带无线通信系统之间互相干扰的问题进行了深入研究。在 2002 年，fcc 允许将 3.1~10.6ghz 这一频段作为 uwb 通信系统的工作频段，这一举措使得 uwb 技术被广为人知，并在学术界和工业领域发挥了不可替代的作用，uwb 技术也因此得到了广泛研究。uwb 滤波器在射频通信系统中一般用来抑制谐波，保证信号有效传输到天线，因此，uwb 滤波器作为射频收发系统中的一个重要器件，其性能好坏对整个无线通信系统有很大的影响，需要满足带内插损低、带外抑制高和群时延响应平坦的条件，同时，为了解决 uwb 系统与其他窄带通信系统之间产生干扰的问题，设计小型化、高选择性的uwb 滤波器也是非常必要的。
3.目前uwb滤波器的设计方法主要有高低通滤波器级联设计方法、多模谐振器技术、混合微带线/共面波导技术、加载短路枝节线技术等等，其中主流的设计方法是多模谐振器设计技术，目前鲜有采用集总元件进行超宽带滤波器设计的，基于集总元件进行设计，在较低频段可以有效减少滤波器体积的同时，还能够减少微带设计中固有带外谐波的影响，为超宽带滤波器设计的小型化、高性能设计提供了可能。


技术实现要素：

4.本发明提出的是一种基于ipd技术的超宽带及宽阻带带通滤波器，其目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种设计简单，具有超宽通带特性和良好阻带抑制性能的集总带通滤波器。
5.本发明的技术解决方案：基于ipd技术的超宽带及宽阻带带通滤波器，其结构包括六个集总电感和九个集总电容；所述滤波器左端设有左馈电端口11，馈电端口11与螺旋电感1的一端连接，螺旋电感1另一端通过架桥的方式与平板电容2的下层金属板连接，同时平板电容2的下层金属板与接地电容3连接，平板电容2的上层金属板与接地电容4连接，同时平板电容2的上层金属板还与螺旋电感5连接；所述滤波器右端设有右馈电端口11’，馈电端口11’与螺旋电感1’的一端连接，螺旋电感1’另一端通过架桥的方式与平板电容2’的下层金属板连接，同时平板电容2’的下层金属板与接地电容3’连接，平板电容2’的上层金属板与接地电容4’连接，同时平板电容2’的上
层金属板还与螺旋电感5’连接；所述螺旋电感5与螺旋电感5’的连接处、即对称线处与螺旋电感6的一端连接，螺旋电感6的另一端连接着平板电容7的上平板，同时平板电容7的上平板与接地电容10连接，平板电容7的下平板分别与螺旋电感9和平板电容8连接，螺旋电感9与平板电容8通过金属过孔接地。
6.所述集总电感均采用平面螺旋电感形式，且两端均被绕成半圆形，一端引线通过架桥的方式引出。
7.所述集总电容均采用mim金属平板实现。
8.所述平板电容2的下平板同时与螺旋电感1和接地电容3相连，平板电容2’的下平板同时与螺旋电感1’和接地电容3’相连。
9.所述平板电容2的上平板同时与螺旋电感5和接地电容4相连，平板电容2’的上平板同时与螺旋电感5’和接地电容4’相连。
10.所述左馈电端口11或右馈电端口11’由信号线和两个接地平板组成。
11.所述滤波器右半部分与左半部分的集总电感、集总电容以及馈电端口的结构与尺寸完全相同，且两者关于滤波器中心对称。
12.所述平板电容7的上平板与螺旋电感6和接地电容10相连。
13.所述螺旋电感9与平板电容8通过同一个金属过孔接地。
14.本发明的有益效果：本发明采用集总参数元件进行了带通滤波器设计，不仅具有超宽带特性，同时带外抑制性能良好，并且由于基于集总参数元件，滤波器的体积在低频段具有较大优势，结构简单、易于实现，在超宽带无线通信技术中有广泛的应用前景。
附图说明
15.附图1是超宽带集总带通滤波器三维结构示意图。
16.附图2是超宽带及宽阻带带通滤波器的实物结构图。
17.附图3是本发明结构的仿真及实测加工结果图。
18.图中1是螺旋电感、2是平板电容、3是接地电容、4是接地电容、5是螺旋电感、6是螺旋电感、7是平板电容、8是平板电容、9是螺旋电感、10是接地电容、11是馈电端口、1’是螺旋电感、2’是平板电容、3’是接地电容、4’是接地电容、5’是螺旋电感、11’是馈电端口。
具体实施方式
19.本发明基于ipd技术的超宽带及宽阻带带通滤波器，共包括六个集总电感和九个电容元件，其中平面螺旋电感的两端均被绕成半圆形，而集总电容元件均采用mim平板电容的形式，其技术实现方案可分为以下几个步骤：步骤1：元件值的提取根据目标电路理论元件值，在hfss软件中搭建电感和电容模型，使用hfss自带的q3d提取工具或者根据二端口理论公式对元件的有效电感或者有效电容进行提取，初步确定各个集总元件物理模型尺寸。
20.步骤2：超宽带集总带通滤波器物理模型的搭建由于寄生效应的影响，步骤1提取的各个集总元件值并不准确，需要在元件进行整体拼
接之后进行进一步的调整和优化；滤波器物理模型整体布局如下：电感1的一端与馈电端口11连接，馈电端口11由信号线和两端的接地平板组成，电感另一端通过架桥的方式与平板电容2的下层金属板连接，同时下层金属板还与接地电容3连接，而电容2的上层金属板与接地电容4连接，同时还与螺旋电感5连接，滤波器右半部分与左半部分的电感1和5、电容2、3、4以及馈电端口11结构与尺寸相同，且两者关于滤波器中心对称；另外，两个螺旋电感5的连接处，即对称线处与螺旋电感6的一端连接，电感6的另一端连接着平板电容7的上平板，同时电容7的上平板与接地电容10连接，电容7的下平板分别与螺旋电感9和平板电容8连接，并且电感9与电容8最终通过同一个金属过孔接地。
21.步骤3：滤波器物理模型的优化设计在经过滤波器的各个集总元件提取和适当地布局连接之后，需要采用hfss软件对滤波器的性能进行优化设计，最终得到满足设计指标的滤波器物理模型。
22.下面结合附图对本发明技术方案进一步说明如图1、2所示，本发明为一种超宽带及宽阻带集总带通滤波器，共包括六个集总电感和九个集总电容元件，其中平面螺旋电感的两端均被绕成半圆形，而集总电容元件均采用mim平板电容的形式，要实现所述集总带通滤波器，首先需要对电路结构进行优化设计，然后对理论元件值逐一进行物理模型提取，再将各个元件进行相应的拼接，由于寄生效应的影响，元件提取并不准确，所以还需要对最终的物理模型进行调试和优化。
23.步骤1：利用ads软件计算获得目标电路元件值根据设计指标要求，采用ads电路仿真软件对电路元件值进行调试和优化，获得想要的带宽、中心频率以及带外抑制。
24.步骤2：利用hfss电磁仿真软件对元件进行提取根据理想的电路元件值，选择合适的电感和电容模型，一般集总电感可以选择圆形螺旋电感、方形螺旋电感、八边形螺旋电感等等，各个模型的单位有效电感量和q值均不相同，可以根据元件的布局和元件值的大小进行选择，另外实际设计中金属过孔的电感有时候也是不可忽略的，为了减小金属过孔的影响，可以提前将过孔的电感量考虑进去；而集总电容一般有平面插指式和mim平板电容，前者有效电感量较小，使用于小电容的实现，而后者则可以实现相对较大的电容，但是面积也会有所增加，设计过程中同样需要根据实际情况进行选择。
25.在选择好合适的模型之后，在hfss软件或者q3d软件中进行电感电容元件的物理建模，依次对各个电感电容元件进行提取；其中电容元件的有效值大小主要与平板面积有关，一般可以先根据传统的平板电容计算公式大致地估算出所需的平板面积，这样可以大大减少模型提取所需时间；电感元件的有效值则主要与金属走线的线宽和电感总长度有关。
26.步骤3：对滤波器物理模型进行拼接和调试螺旋电感1的一端与馈电端口11连接，馈电端口11由信号线和两端的接地平板组成，电感另一端通过架桥的方式与平板电容2的下层金属板连接，同时下层金属板还与接地电容3连接，而电容2的上层金属板与接地电容4连接，同时还与螺旋电感5连接，滤波器右半部分与左半部分的电感1和5、电容2、3、4以及馈电端口11结构与尺寸相同，且两者关于滤波器中心对称；另外，两个螺旋电感5的连接处，即对称线处与螺旋电感6的一端连接，电感6的另一
端连接着平板电容7的上平板，同时电容7的上平板与接地电容10连接，电容7的下平板分别与螺旋电感9和平板电容8连接，并且电感9与电容8最终通过同一个金属过孔接地。
27.集总带通滤波器物理模型拼接完成后，对各个集总元件的尺寸进行调试和优化，直到滤波器性能满足设计指标。
28.实施例1本实施例中的超宽带且宽阻带集总带通滤波器采用的制作工艺为砷化镓衬底的薄膜ipd技术，滤波器中心频率为4ghz，相对带宽约为100%，共包括六个集总电感和九个电容元件，下面对设计步骤进行介绍：步骤1：利用ads软件计算获得目标电路元件值根据设计指标，首先根据滤波器设计理论得到该频段的滤波器大致元件值，然后采用ads仿真软件对滤波器性能进行优化，得到满足设计指标的理论值。
29.步骤2：利用hfss电磁仿真软件对元件进行提取结合设计工艺和理论元件值大小，电感模型由矩形加两个半圆型组成，便于元件布局的同时还具有较高的q值和有效电感量，而电容元件则采用mim平板电容，依赖于该工艺的sin层实现，它的高介电常数特性可以在单位面积上实现较大的电容；接下来在hfss软件中分别搭建好平面螺旋电感和mim平板电容模型，通过该模型分别对集总带通滤波器的六个电感和九个电容元件进行提取，初步确定各个集总元件的物理模型尺寸。
30.步骤3：对滤波器物理模型进行拼接和调试该工艺的基板共包括两层，上层为薄薄的sin介质，用于形成高密度的mim平板电容，下层为砷化镓介质；平面螺旋电感统一位于最顶层，即sin介质表面，螺旋电感主要由中间的矩形部分和两侧的半圆形部分组成，一侧的引线通过架桥的方式引出；mim平板电容统一为上平板位于sin介质表面，下平板位于砷化镓介质表面（sin层底部），电感和电容的可以通过金属过孔进行连接。
31.螺旋电感1的一端与馈电端口11连接，馈电端口11由信号线和两端的接地平板组成，电感1的另一端通过架桥引出后，首先通过金属过孔下引至砷化镓层表面，然后与平板电容2的下层金属板连接，同时电容2的下层金属板还与接地电容3的下层金属板连接（电容3的上层金属板通过过孔接地），而电容2的上层金属板与接地电容4连接，同时还与螺旋电感5连接；滤波器右半部分与左半部分的电感1和5、电容2、3、4以及馈电端口11结构与尺寸相同，且两者关于滤波器中心线对称；另外，两个螺旋电感5的连接处，即对称中心处与螺旋电感6的一端连接，电感6的另一端连接着平板电容7的上平板，同时电容7的上平板与接地电容10连接；电容7的下平板首先通过一段金属引线然后经由金属过孔引至sin层表面与螺旋电感9连接，电容7的下平板同时还与电容8的下平板通过引线连接，最终电感9与电容8的上平板通过同一个金属过孔接地。
32.最终经过调试和优化的各个电感和电容模型尺寸如下：电感走线线宽统一为10um，线间距为10um，其中电感1的最内圈矩形部分长为0.4mm，宽为8um，半圆形部分直径为8um；电感5的最内圈矩形部分长为0.39mm，宽为8um，半圆形部分直径为8um；电感6的最内圈矩形部分长为0.41mm，宽为0.02mm，半圆形部分直径为0.02mm；电感9的最内圈矩形部分长为0.41mm，宽为0.02mm，半圆形部分直径为0.02mm；平板电容2长为0.07mm，宽为0.07mm；平
板电容3长为0.03mm，宽为0.03mm；平板电容4长为0.03mm，宽为0.03mm；平板电容7长为0.082mm，宽为0.08mm；平板电容8长为0.028mm，宽为0.028mm；平板电容10长为0.028mm，宽为0.028mm。
33.步骤4：滤波器仿真结果分析图3为采用hfss电磁仿真软件计算和优化过后的性能参数示意图，可以看出滤波器的中心频率位于4ghz，相对带宽达到101%，带内插损优于2.1db，两个零点分别位于1.95ghz和7.4ghz，零频到2ghz处的带外抑制均优于17db，7.2ghz至12ghz处的带外抑制均优于35db。
34.综上所述，本发明的具有宽阻带和宽带的带通滤波器，不仅体积小，结构简单易于实现，而且可以实现超宽通带，同时带外抑制能力优异，具有较高的实用价值。