微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器的制作方法与工艺

本发明涉及一种滤波器，特别是一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器。

背景技术：
近年来，随着移动通信、卫星通信及国防电子系统的微型化的迅速发展，高性能、低成本和小型化已经成为目前微波/射频领域的发展方向，对微波滤波器的性能、尺寸、可靠性和成本均提出了更高的要求。在一些国防尖端设备中，现在的使用频段已经相当拥挤，所以卫星通信等尖端设备向着毫米波波段发展，所以微波毫米波波段滤波器已经成为该波段接收和发射支路中的关键电子部件，描述这种部件性能的主要指标有：通带工作频率范围、阻带频率范围、通带插入损耗、阻带衰减、通带输入/输出电压驻波比、插入相移和时延频率特性、温度稳定性、体积、重量、可靠性等。耦合器一直是各种微波集成电路中的重要组成部件，由于直通口与耦合口的输出不同，因此将耦合器与滤波器相连，可以扩大滤波器的使用范围。低温共烧陶瓷是一种电子封装技术，采用多层陶瓷技术，能够将无源元件内置于介质基板内部，同时也可以将有源元件贴装于基板表面制成无源/有源集成的功能模块。LTCC技术在成本、集成封装、布线线宽和线间距、低阻抗金属化、设计多样性和灵活性及高频性能等方面都显现出众多优点，已成为无源集成的主流技术。其具有高Q值，便于内嵌无源器件，散热性好，可靠性高，耐高温，冲震等优点，利用LTCC技术，可以很好的加工出尺寸小，精度高，紧密型好，损耗小的微波器件。由于LTCC技术具有三维立体集成优势，在微波频段被广泛用来制造各种微波无源元件，实现无源元件的高度集成。基于LTCC工艺的叠层技术，可以实现三维集成，从而使各种微型微波滤波器具有尺寸小、重量轻、性能优、可靠性高、批量生产性能一致性好及低成本等诸多优点，利用其三维集成结构特点，可以实现由带状线实现的微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器。传统的滤波器，例如微带滤波器，通常实现相同的性能参数，所需体积通常会比LTCC工艺实现要大得多，因而在工程应用上的劣势就凸显出来，采用LTCC工艺实现的情况下，会在尽可能小的体积内，实现最优化的性能。而且，传统情况下采用的滤波器，不具有正交倒相功能，而是通过外接正交器和巴伦实现的。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种由带状线结构实现可倒相正交、体积小、重量轻、可靠性高、电性能优异、结构简单、成品率高、批量一致性好、造价低、温度性能稳定的微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器。实现本发明目的的技术方案是：一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器，它由单刀双掷开关芯片WKD102010040、微波毫米波滤波器、低噪声放大器芯片WFD022036—L12、定向耦合器组成。微波毫米波滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口、表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口、第一输入电感、第二输入电感、第一级并联谐振单元、第二级并联谐振单元、第三级并联谐振单元、第四级并联谐振单元、第五级并联谐振单元、第六级并联谐振单元、输出电感、Z形级间耦合带状线、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口，各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元由第一层的第一带状线、第二层的第二带状线、第三层的第三带状线、第一微电容并联而成，第二级并联谐振单元由第一层的第四带状线、第二层的第五带状线、第三层的第六带状线、第二微电容并联而成，第三级并联谐振单元由第一层的第七带状线、第二层的第八带状线、第三层的第九带状线、第三微电容并联而成，第四级并联谐振单元由第一层的第十带状线、第二层的第十一带状线、第三层的第十二带状线、第四微电容并联而成，第五级并联谐振单元由第一层的第十三带状线、第二层的第十四带状线、第三层的第十五带状线、第五微电容并联而成，第六级并联谐振单元由第一层的第十六带状线、第二层的第十七带状线、第三层的第十八带状线、第六微电容并联而成，其中，第一输入电感与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口连接，第二输入电感与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口连接，第一级并联谐振单元的第二层的第二带状线与第一输入电感连接，第一级并联谐振单元的第三层的第三带状线与第二输入电感连接，第六级并联谐振单元的第二层的第十七带状线与输出电感连接，输出电感与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口连接，Z形级间耦合带状线位于并联谐振单元的下面。六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反，Z形级间耦合带状线两端均接地。定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口、第一匹配线第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第二匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口、第三匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线、第四匹配线、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口，其中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线垂直位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线上方，第一匹配线、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第二匹配线在同一平面，第一匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口连接，第二匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第一匹配线连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第二匹配线连接；第三匹配线、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线和第四匹配线在同一平面，第三匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口连接，第四匹配线与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线左端与第三匹配线连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线右端与第四匹配线连接。单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFOut1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口连接，RFOut2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口连接。低噪声放大器芯片WFD022036—L12的In与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口连接，out与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口连接。与现有技术相比，由于本发明采用低损耗低温共烧陶瓷材料和三维立体集成，所带来的显著优点是：（1）带内平坦；（2）可变且可倒相正交；（3）体积小、重量轻、可靠性高；（4）电性能优异；（5）电路实现结构简单，可实现大批量生产；（6）成本低；（7）使用安装方便，直接使用且使用全自动贴片机安装和焊接。附图说明图1（a）是本发明微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器的外形及内部结构示意图；图1（b）是本发明一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器中微波毫米波滤波器的外形及内部结构示意图；图1（c）是本发明一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器中定向耦合器的外形及内部结构示意图。图2是本发明微型有源微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器输出端的幅频特性曲线。图3是本发明微型有源微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器输入输出端口的驻波特性曲线。图4是本发明微型有源微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器两个输入端口的相位特性曲线。图5是本发明微型有源微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器直通端口与耦合端口的相位特性曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1（a）、（b）、（c），本发明一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器，该正交滤波器的微波毫米波滤波器包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1）、表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）、第一输入电感（Lin1）、第二输入电感（Lin2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、输出电感（Lout）、Z形级间耦合带状线（Z）、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3），各级并联谐振单元均由三层带状线组成，第二层带状线垂直位于第三层带状线上方，第一层带状线垂直位于第二层带状线上方，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）由第一层的第一带状线（L11）、第二层的第二带状线（L21）、第三层的第三带状线（L31）、第一微电容（C1）并联而成，第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）由第一层的第四带状线（L12）、第二层的第五带状线（L22）、第三层的第六带状线（L32）、第二微电容（C2）并联而成，第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）由第一层的第七带状线（L13）、第二层的第八带状线（L23）、第三层的第九带状线（L33）、第三微电容（C3）并联而成，第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）由第一层的第十带状线（L14）、第二层的第十一带状线（L24）、第三层的第十二带状线（L34）、第四微电容（C4）并联而成，第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）由第一层的第十三带状线（L15）、第二层的第十四带状线（L25）、第三层的第十五带状线（L35）、第五微电容（C5）并联而成，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）由第一层的第十六带状线（L16）、第二层的第十七带状线（L26）、第三层的第十八带状线（L36）、第六微电容（C6）并联而成，其中，第一输入电感（Lin1）与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P1）连接，第二输入电感（Lin2）与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）连接，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第二层的第二带状线（L21）与第一输入电感（Lin1）连接，第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）的第三层的第三带状线（L31）与第二输入电感（Lin2）连接，第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）的第二层的第十七带状线（L26）与输出电感（Lout）连接，输出电感（Lout）与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3）连接，Z形级间耦合带状线（Z）位于并联谐振单元的下面。六级并联谐振单元分别接地，其中第一、三层所有带状线接地端相同，一端是微电容接地，另一端开路，第二层带状线接地端相同，一端接地，另一端开路，且接地端方向与第一、三层接地端相反，Z形级间耦合带状线（Z）两端均接地。定向耦合器包括表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口（P4）、第一匹配线（L1）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）、第二匹配线（L2）、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口（P5）、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口（P6）、第三匹配线（L3）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）、第四匹配线（L4）、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口（P7），其中，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）垂直位于第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）上方，第一匹配线（L1）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）和第二匹配线（L2）在同一平面，第一匹配线（L1）与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口（P4）连接，第二匹配线（L2）与表面贴装的50欧姆阻抗直通端口（P5）连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）左端与第一匹配线（L1）连接，第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）右端与第二匹配线（L2）连接；第三匹配线（L3）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）和第四匹配线（L4）在同一平面，第三匹配线（L3）与表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口（P6）连接，第四匹配线（L4）与表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口（P7）连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）左端与第三匹配线（L3）连接，第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）右端与第四匹配线（L4）连接。单刀双掷开关芯片WKD102010040的RFOut1与表面贴装的50欧姆阻抗第一输入端口（P1）连接，RFOut2与表面贴装的50欧姆阻抗第二输入端口（P2）连接。低噪声放大器芯片WFD022036—L12的In与表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3）连接，out与表面贴装的50欧姆阻抗第三输入端口（P4）连接。结合图1（a）、（b）、（c），包括表面贴装的50欧姆阻抗输入端口（P1、P2、P4）、输入电感（Lin1、Lin2）、第一级并联谐振单元（L11、L21、L31、C1）、第二级并联谐振单元（L12、L22、L32、C2）、第三级并联谐振单元（L13、L23、L33、C3）、第四级并联谐振单元（L14、L24、L34、C4）、第五级并联谐振单元（L15、L25、L35、C5）、第六级并联谐振单元（L16、L26、L36、C6）、输出电感（Lout）、表面贴装的50欧姆阻抗输出端口（P3）、Z形级间耦合带状线（Z）、第一匹配线（L1）、第一层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U1）、第二匹配线（L2）、表面贴装的50欧姆阻抗直通端口（P5）、表面贴装的50欧姆阻抗耦合端口（P6）、第三匹配线（L3）、第二层双螺旋结构的宽边耦合带状线（U2）、第四匹配线（L4）、表面贴装的50欧姆阻抗隔离端口（P7）以及接地端均采用多层低温共烧陶瓷工艺实现。一种微型有源微波毫米波I/Q正交滤波器，由于是采用多层低温共烧陶瓷工艺实现，其低温共烧陶瓷材料和金属图形在大约900℃温度下烧结而成，所以具有非常高的可靠性和温度稳定性，由于结构采用三维立体集成和多层折叠结构以及外表面金属屏蔽实现接地和封装，从而使体积大幅减小。本发明一种微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器的尺寸即为一个尺寸为0.7mm×0.7mm×0.1mm单刀双掷开关芯片与一个尺寸为8.4mm×3.2mm×1.5mm的微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器相连，下列图展示的是微型有源微波毫米波I/Q可倒相正交滤波器的性能，通带频率范围在2.7-2.9GHz，输入端口1与输入端口2相位差在173度左右即可倒相，耦合端口与直通端口相位在90度左右即可正交。WKD102010040型芯片是一款低插损的压控反射式单刀双掷开关芯片，使用0.25微米栅长的砷化镓赝配高电子迁移率晶体管工艺制造而成，该芯片通过背面金属经通孔接地。所有芯片产品全部经100%射频测量。WKD102010040型芯片为0/-5V或5V/0V电源工作，在DC~4GHz内插入损耗：0.5dB，隔离度：38dB，输入驻波比：1.2:1，输出驻波比：1.2:1，切换时间：10ns。WFD022036—L12型芯片是性能优良的单片低噪声放大器，使用0.25微米栅长的砷化镓赝配高电子迁移率晶体管工艺制造而成，该芯片通过背面金属经通孔接地。所有芯片产品全部经100%射频测量。WFD022036—L12型芯片的频率范围：2.2—3.6GHz，噪声系数：1.2dB，典型增益：25dB，1分贝压缩点输出功率：12dBm，输入驻波比：1.6:1，输出驻波比：1.85:1。由于微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器简单来说就是一个单刀双掷开关芯片WKD102010040加上一个有源可倒相正交滤波器，因此由有源可倒相正交滤波器的性能我们可得到微型有源微波毫米波I/Q可变倒相正交滤波器的性能。即其输出端的幅频特性曲线在通带范围内插损再加上0.5dB，其两个输入端口以及直通端口与耦合端口的相位平衡度并不发生变化。