易 康，邢孟江，侯 明，李小珍，代傳相

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引 言

近年來，集成無源器件（Integrated Passive Device，IPD）在多芯片微波模塊應(yīng)用中的使用越來越普遍。IPD技術(shù)能將包含電阻、電感和電容的電路（如濾波器、混頻器、阻抗變換器等）轉(zhuǎn)換為更小、更精確且具有良好的電路再現(xiàn)性能的集成電路（Integrated Circuit，IC）。國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)IPD無源器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究[1-5]。

2016年，Mervi Hirvonen等采用IPD工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)2.4 GHz頻段的SIP無線電模塊[1]，整個(gè)模塊僅為13 500 μm×7 500 μm×4 000 μm。該尺寸除了天線以外，還包括基于IPD工藝實(shí)現(xiàn)的匹配電路、濾波電路以及無線電收發(fā)器，通過采用IPD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了極端的小型化。2017年，Sitaraman S等采用超薄玻璃基板基于IPD工藝設(shè)計(jì)了一款用于WLAN微型化帶通濾波器，通帶內(nèi)插損僅為0.6 dB，阻帶內(nèi)截止頻率＞25 dB，面積＜1 000 μm2[2]。2018年，Hamhee Jeon等學(xué)者分別利用砷化鎵和硅基集成無源器件（IPD）技術(shù)設(shè)計(jì)了兩款耦合器[3]，并對(duì)其進(jìn)行了比較，其中基于砷化鎵（GaAs）IPD工藝的耦合器面積為1 220 μm×720 μm，基于硅基IPD工藝的耦合器面積為820 μm×970 μm。同年，昆明理工大學(xué)的劉贛等提出了一種基于IPD工藝無反射帶通濾波器[4]，中心頻率為2.03 GHz，中心頻率插損小于1 dB，-3 dB帶寬BW-3dB＜1.91 GHz，整體尺寸僅為1 600 μm×1 250 μm×300 μm。中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所的陸宇提出了一款基于Gaas IPD工藝的發(fā)夾型k波段帶通濾波器芯片[5]，在19.5～21.3 GHz內(nèi)插損＜2.6 dB，最小插損為20 GHz處2.2 dB，帶內(nèi)回波損耗＜-25 dB，尺寸為2 960 μm×1 800 μm×100 μm。

伴隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)如5G的發(fā)展，在為用戶帶來更快速的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，開發(fā)出更先進(jìn)的射頻器件顯得尤為重要[6]。濾波器幾乎是所有電子系統(tǒng)中普遍存在的器件，尤其在無線通信系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。正因如此，高性能、小尺寸的濾波器設(shè)計(jì)一直是電子行業(yè)研究的熱點(diǎn)。目前，無源濾波器的設(shè)計(jì)主要是基于傳輸線（如波導(dǎo)、微帶線、同軸線）[7-9]來實(shí)現(xiàn)，但基于傳輸線設(shè)計(jì)的無源濾波器往往體積偏大，可集成度較低，無法滿足當(dāng)前射頻無源器件向小型化、集成化發(fā)展，但是使用IPD工藝設(shè)計(jì)的無源濾波器能很好地解決這一問題。為了順應(yīng)當(dāng)前射頻無源器件的發(fā)展趨勢(shì)，筆者在GaAs襯底上采用IPD工藝設(shè)計(jì)了一款高通濾波器。

1 電路設(shè)計(jì)

由于理想型的濾波器難以實(shí)現(xiàn)，因而設(shè)計(jì)中都按某個(gè)函數(shù)形式來設(shè)計(jì)，所以稱其為函數(shù)型濾波器。根據(jù)函數(shù)的類型來定義，最常見的有巴特沃斯型濾波器、切比雪夫型濾波器和橢圓函數(shù)型濾波器等。

圖1對(duì)階數(shù)N=5，-3 dB截止頻率為1 GHz，通帶內(nèi)波紋RdB=-3 dB的上述3種函數(shù)類型的濾波器進(jìn)行比較。由圖1可以看出，橢圓函數(shù)型濾波器在通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)有傳輸零點(diǎn)，相較同等階數(shù)的其他函數(shù)類型濾波器而言，截止特性最好。

圖1 常見函數(shù)型濾波器性能對(duì)比

為了獲得更優(yōu)截止特性，設(shè)計(jì)了一款橢圓函數(shù)型高通濾波器。設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：截止頻率為9.1 GHz，9.8 GHz處插損＜2 dB，0～7 GHz阻帶抑制＞30 dB，在7.4 GHz處阻帶抑制＞20 GHz。目前，關(guān)于濾波器電路設(shè)計(jì)的理論已十分成熟，通過傳統(tǒng)的歸一化方法設(shè)計(jì)濾波器，計(jì)算較為麻煩。為簡化電路設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)使用ADS中的filter guide功能，選取要使用的濾波器函數(shù)，自動(dòng)生成電路原理圖和S參數(shù)仿真波形，如圖2和圖3所示。圖2中，C1=0.58 pF，C2=1.14 pF，C3=0.34 pF，C4=0.24 pF，C5=0.4 pF，C6=0.3 pF，C7=2.22 pF，L1=0.79 nH，L2=1.61 nH，L3=1.6 nH。

圖2 電路原理

圖3 在ADS中S參數(shù)仿真波形

2 HFSS模型的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的7階橢圓函數(shù)高通濾波器由3個(gè)高Q值螺旋電感和7個(gè)MIM電容組成。首先，單獨(dú)對(duì)螺旋電感和MIM電容的進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，再對(duì)這些電感電容進(jìn)行合理布局與連結(jié)，得到一個(gè)完整高通濾波器模型。

2.1 高品質(zhì)因數(shù)（Q）值螺旋電感的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的高Q值螺旋電感材料為金，螺旋電感線厚度為4 μm，線寬固定為10 μm。螺旋電感的等效電路模型如圖4所示，其中電感LL占主導(dǎo)地位。電容CL是由電感自身寄生效應(yīng)產(chǎn)生，電阻RL由電感自身損耗引起，而Cd是螺旋電感線-襯底GaAs-最底層金屬M(fèi)0之間形成了類似MIM電容結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。通過3維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)電感模型進(jìn)行仿真，分別對(duì)電感外部品質(zhì)因數(shù)Q值和電感值L進(jìn)行提取。

圖4 螺旋電感等效電路模型

在HFSS中比較線圈匝數(shù)N和線圈間距d對(duì)L和Q的影響，如圖5所示。在圖5（a）和圖5（b）中的L值曲線與圖5（c）和圖5（d）中的值曲線，隨著頻率的變化而起伏，這是因?yàn)閳D4中產(chǎn)生的寄生電容CL、Cd和電阻RL隨頻率增大而變化引起的。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，當(dāng)N、d增大時(shí)，電感值L曲線會(huì)整體上移，這主要由于在N、d增大的同時(shí)，螺旋電感的有效電感線長度也會(huì)增加，所以電感值會(huì)在一定程度上增大。

圖5 線圈匝數(shù)N和間距d對(duì)電感的影響

2.2 MIM電容的設(shè)計(jì)

MIM等效電路模型如圖6所示，C占主導(dǎo)地位，電感LC由電容寄生效應(yīng)產(chǎn)生，電阻由電容的損耗引起，而Cd是電容下極板-GaAs襯底-最底層金屬M(fèi)0之間形成了類似MIM電容結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。

圖6 MIM電容等效電路模型

該設(shè)計(jì)所采用的為MIM（金屬-介質(zhì)-金屬）電容，可以近似為平行板電容器，故能用平行板電容器計(jì)算公式的式（1）計(jì)算MIM電容[10]：

式中s為上下兩層金屬重疊的面積，其中ε0為真空介電常數(shù)，εr為中間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，d為兩層金屬之間介質(zhì)的厚度。本設(shè)計(jì)中，電容的上極板與螺旋電感處在同一層，厚度與電感厚度一致為4 μm，電容的下極板厚度為1 μm。電感上下層的金屬材料為金，真空介電常數(shù)ε0約為1，中間介質(zhì)材料為氮化硅。常溫下相對(duì)介電常數(shù)εr約為7，厚度d=0.1 μm，代入式（1）得到單位面積的電容值，約為 7 fF/μm2。

2.3 高通濾波器模型設(shè)計(jì)

通過調(diào)節(jié)電感線圈扎數(shù)N和間距d，能設(shè)計(jì)滿足圖2中元件值要求且高Q值的螺旋電感，依據(jù)根式（1）單位面積的電容值（7 fF/μm2），能設(shè)計(jì)出滿足圖2中電容值的MIM電容，并通金屬（金）連接線將它們連結(jié)。不過，通過上述方法獲得的電感、電容集成在一起時(shí)會(huì)由耦合效應(yīng)而產(chǎn)生電容或電感，且它們自身也有寄生效應(yīng)產(chǎn)生的寄生電容Cd、CL和電感LC，隨著頻率升高這些影響不能被忽略。這時(shí)應(yīng)當(dāng)在HFSS中通過調(diào)節(jié)這些元件的大小和布局來消除和利用這些耦合和寄生，最終設(shè)計(jì)的7階橢圓函數(shù)型濾波器HFSS模型如圖7和圖8所示。包括G-S-G（地-信號(hào)-地）測(cè)試端口在內(nèi)，該模型尺寸僅有640 μm×865 μm×84 μm。

圖7 7階橢圓型高通濾波器結(jié)構(gòu)

圖8 7階橢圓型高通濾波器3D模型

3 仿真結(jié)果與分析

在HFSS中對(duì)圖7和圖8模型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真，得到該模型的S參數(shù)波形如圖9所示?？梢钥吹?，在HFSS中仿真得到的S參數(shù)波形與在ADS仿真得到的波形有偏差，在HFSS中通帶內(nèi)的插損明顯要比在理想情況下差，阻帶截止特性也沒有在理想情況下陡峭。這種偏差的產(chǎn)生主要是由于電路連接線有損耗，且通過上述方法設(shè)計(jì)的高Q值螺旋電感與MIM電容之間的耦合效應(yīng)和寄生效應(yīng)。由圖9可看出，該高通濾波器的截止頻率為9.1 GHz，在0～7.2 GHz處的阻帶抑制都大于30 dB，在2.8～5.8 GHz處阻帶抑制大于40 dB，基本滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖9 S參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語

在GaAs襯底上利用IPD工藝設(shè)計(jì)了一款集總式7階橢圓函數(shù)高通濾波器，不僅具有良好的性能，而且大幅縮減了尺寸。通過圖9對(duì)比ADS仿真結(jié)果與HFSS仿真結(jié)果，驗(yàn)證了在GaAs襯底上使用IPD工藝進(jìn)行集總式濾波器設(shè)計(jì)的可行性。