CN112953431A - 一种适用于微波与毫米波的ipd滤波器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，属于微波与毫米波传输领域；所述的芯片中间是串联的电容和电感组成的第一谐振器，两侧各有一组由第二和第三谐振器组成的短路电容电感谐振器；第一，第二和第三谐振器构成中心滤波电路，同时连接阻抗匹配枝节；阻抗匹配枝节两端分别连等效的信号输入输出端口；第一谐振器用来选择整个滤波器芯片工作的中心频率，第二和第三谐振器控制在中心频率两侧引入新的传输零点，从而控制滤波器的通带带宽；输入端口流入到两个传输零点中间的信号，通过整个电路到达第二端口，而两个传输零点外的高频和低频信号则无法通过，从而实现滤波器的滤波功能。本发明覆盖了微波和毫米波频段，阻带抑制性能非常优秀。
Description
技术领域
本发明属于微波与毫米波传输领域及集成电路领域，涉及一种无源射频滤波器芯片，具体是一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片。
背景技术
随着移动通信系统飞速发展，市场对射频通信器件的需求量呈爆发式的增加，同时由于技术精度的提升，射频器件的性能要求相比于以前也更加苛刻。其中，高选择性滤波器由于具有通带到阻带的过渡快，阻带抑制性能强，通带内匹配效果好的优点，一直是当今射频技术人员的重点研究方向。
如今电子技术和材料技术相辅相成，相互促进，迅猛发展；目前电脑和手机等通讯设备的电路也愈发高度集成，传统的毫米量级的元件加工技术，像PCB等，通常封装体积过大，能量损耗较高；传统的电容电感滤波电路由于元件分立，电路集成度不高，同样也会导致体积过大，性能一般，因此，很难应用在高性能小体积要求的移动手机端。
集成无源器件(IPD)技术是一种新型半导体材料加工技术，与传统PCB工艺相比，该技术可以在更小的空间上集成双工器、功率放大器、滤波器和低噪放大器等射频通信器件，元件加工精度可精确到微纳米量级，从而大大提高了电子电路的集成度。根据加工工艺，IPD技术又可以被分为厚膜制作工艺和薄膜制作工艺。
薄膜集成无源器件(TFIPD)技术采用沉积、钝化、抛光和刻蚀等多种先进的半导体和金属加工技术，通过在GaAs衬底上逐层生长金属和半导体并加工刻蚀，从而形成多层金属-半导体-金属-半导体-金属的结构，可以加工传输线、耦合线、螺旋电感和MIM电容等结构，加工精度精确到纳米量级，一方面提高了元器件的性能，另一方面降低了元件的封装体积，提高电子电路的集成度。
发明内容
基于薄膜集成无源器件(TFIPD)技术，本发明提出了一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，该芯片由中心滤波电路和两侧的阻抗匹配枝节构成，通带内阻抗匹配效果良好，在紧贴通带两侧引入了新的传输零点，从而快速抑制通带外侧的信号，实现高选择性的目标。
所述的IPD滤波器芯片，为左右对称结构，正中间是串联的电容C1和电感L1组成的第一谐振器，两侧各有一组短路电容电感谐振器，每组短路电容电感谐振器中均包括两个电容和两个电感，具体为：电感L2和电容C2串联构成第二谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；电感L3和电容C3串联构成第三谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；
第一谐振器，第二谐振器和第三谐振器共同交于一点，构成中心滤波电路；该交点同时连接阻抗匹配枝节；
所述的阻抗匹配枝节在短路电容电感谐振器两侧各有一个，具体结构为：短路电容电感谐振器包括依次串联的电感L4，电容C4和电容C5；电容C5接地，同时在两个电容之间分别外接第一端口和第二端口；
第一端口作为信号输入端口，第二端口作为等效的信号输出端口；
中心滤波电路中的第一谐振器用来选择整个滤波器芯片工作的中心频率，第二谐振器和第三谐振器控制在中心频率两侧引入新的传输零点，从而控制滤波器的通带带宽；
在阻抗匹配枝节和中心滤波电路的共同作用下，将第一端口流入到两个传输零点中间的信号，通过整个电路到达第二端口，而两个传输零点外的高频和低频信号则无法通过整个电路到达第二端口，从而实现滤波器的滤波功能。
所述的IPD滤波器芯片工作过程如下：
首先，在等效的输入端口和输出端口中间安装第一谐振器，通过调节第一谐振器的电容值和电感值，选择整个滤波器芯片的中心频率；
然后，在第一谐振器两侧对称连接第二谐振器和第三谐振器，通过调节第二谐振器和第三谐振器的电容值和电感值，使得第二谐振器在中心频率的左侧引入一个传输零点，第三谐振器在中心频率的右侧引入一个传输零点，两个传输零点中间部分即滤波器的通带；
接着，在三个谐振器所组成的中心滤波电路的两侧分别连接阻抗匹配枝节，调节阻抗匹配枝节的电容值和电感值，给中心滤波电路进行阻抗匹配，使得加入阻抗匹配枝节后整体设计的两端电阻达到射频电路标准50Ω，与输入和输出端口的阻值相同。
最后，进行通电，由于三个谐振器和电感L4，电容C4谐振器的谐振频率都在通带附近，通带内的信号很容易通过多级谐振器组成的滤波器电路，到达输出端口；对于阻带信号，由于与各个谐振器的谐振频率差距较大，信号更容易在输入端口的电容C5处流入接地；因此实现了对通带内频率信号和通带外频率信号的筛选。
本发明的优点在于：
1)一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，使用了TFIPD技术，相比于其他分布式集成电路技术和传统PCB工艺技术，TFIPD技术的工艺精度更高，能精确到纳米量级，所以元件能做的更小，能够加工多层介质层和金属层，制做螺旋电感和MIM电容，具有尺寸更小、插入损耗更低等特点，能够实现器件的小型化和集成化。
2)一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，由于使用TFIPD技术，导致电流流过的导体体积更小，相应的由焦耳热，电磁辐射和介质损耗所导致的能量损失就更小，所以提高了能量利用率，减小插入损耗。
3)一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，通过调节第一谐振器的电容值和电感值来调节滤波器的中心频率，能从1GHz达到50GHz，覆盖了微波和毫米波频段，仿真证明，带宽可在5％到20％之间自由调节，调节潜力大。
4)一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，在保证通带内良好的阻抗匹配性能的同时，在紧贴通带两侧引入了传输零点，经过仿真调节，传输零点外侧信号的抑制程度的最小可从-20dB到-50dB，最大可从-40dB到-70dB，阻带抑制性能非常优秀，当被应用在射频电路中时，能很好地抑制带外干扰，改善在复杂通信环境下的通信质量。
附图说明
图1为本发明一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片的结构图；
图2为本发明在3GHz微波频段的原理图仿真结果示例；
图3为本发明在28GHz毫米波频段的原理图仿真结果示例；
图4为本发明在3.5GHz微波频段的版图模型；
图5为本发明在3.5GHz微波频段的版图仿真结果；
图6为本发明3.4GHz通带处电流密度分布图；
图7为本发明5.0GHz处高频阻带电流密度分布图；
图8为本发明2.0GHz处低频阻带电流密度分布图；
图9为本发明在28GHz毫米波频段的版图模型；
图10为本发明在28GHz毫米波频段的版图仿真结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明是一种适用于微波和毫米波IPD滤波器芯片，使用薄膜集成无源器件(TFIPD)技术，选择介电常数为12.85的GaAs作为衬底材料，GaAs衬底主要用于支撑在其上生长的多层金属，通过沉积、刻蚀等工艺改变金属的生长方向和形状，进而制作各种传输线、电容和电感结构。本发明用IPD工艺实现的高选择性微波和毫米波滤波器具有结构简单、尺寸小、选择性高、可调节范围大、通带内阻抗匹配良好的特点。
如图1所示，所述的IPD滤波器芯片，为左右对称结构，正中间是串联的电容C1和电感L1组成的第一谐振器；两侧各有一组短路电容电感谐振器，每组短路电容电感谐振器中均包括两个电容和两个电感，具体为：电感L2和电容C2串联构成第二谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；电感L3和电容C3串联构成第三谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；
第一谐振器，第二谐振器和第三谐振器共同交于一点，构成中心滤波电路；该交点同时连接阻抗匹配枝节；
所述的阻抗匹配枝节在短路电容电感谐振器两侧各有一个，将中心滤波电路进行阻抗匹配，同时加强阻带的信号抑制，提高滤波器的性能。具体结构为：短路电容电感谐振器包括依次串联的电感L4，电容C4和电容C5；电容C5接地，同时在两个电容之间分别外接第一端口和第二端口；
第一端口和第二端口分别作为等效的信号输入输出端口，经过阻抗匹配枝节，给中心滤波电路进行阻抗匹配，使得加入阻抗匹配枝节后整体设计的两端电阻达到射频电路标准通用的50Ω；
中心滤波电路中的第一谐振器用来选择整个滤波器芯片工作的中心频率，第二谐振器和第三谐振器控制在中心频率两侧引入新的传输零点，从而控制滤波器的通带带宽和达到高选择性的目标；
在阻抗匹配枝节和中心滤波电路的共同作用下，将第一端口流入到两个传输零点中间的信号，通过整个电路到达第二端口，而两个传输零点外的高频和低频信号则无法通过整个电路到达第二端口，从而实现滤波器的滤波功能。
所述的IPD滤波器芯片工作过程如下：
首先，在等效的输入端口和输出端口中间安装第一谐振器，通过调节第一谐振器的电容值和电感值，选择整个滤波器芯片的中心频率；
然后，在第一谐振器两侧对称连接第二谐振器和第三谐振器，两端的阻抗是12Ω左右，而端口电阻为50Ω，通过调节第二谐振器和第三谐振器的电容值和电感值，使得第二谐振器在中心频率的左侧引入一个传输零点，第三谐振器在中心频率的右侧引入一个传输零点，两个传输零点中间部分即滤波器的通带；
接着，在三个谐振器所组成的中心滤波电路的两侧分别连接阻抗匹配枝节，这是由于中心滤波电路两端的阻抗只有12Ω左右，通过调节阻抗匹配枝节的电容值和电感值，使得加入阻抗匹配枝节后整体设计的两端电阻匹配到射频电路标准通用的50Ω，与输入和输出端口的阻值相同。
最后，进行通电，由于第一谐振器，第二谐振器，第三谐振器和L4C4谐振器的谐振频率在通带附近，所以对于通带内的信号，其很容易通过多级谐振器组成的滤波器电路，到达输出端口，当然也有部分信号会流入接地损失掉，这是不可避免的；对于阻带信号，由于与各个谐振器的谐振频率差距较大，所以其很难通过由多级谐振器组成的滤波器，或者说只有很少量信号能通过这些谐振器，与通过谐振器相比，信号更容易流入接地，所以大部分能量会在输入端口的C5处流入接地，小部分能量通过L4C4谐振器后还要面对多级谐振器，每级只有少部分能量能通过，而后在各个接地处优先流入接地，最终能到达输出端口的能量只有极少量一部分。因此实现了对通带内频率信号和通带外频率信号的筛选。
中心频率为3GHz和28GHz时的仿真结果，分别如图2和图3所示，其各元件的参数值见表1所示。
表1(电感和电容单位：nH和fF)
从图中可以看出，两个仿真结果的带内回波损耗都在-15dB以下，通带内的匹配效果很好，紧贴通带两侧各有一个传输零点，从通带到阻带的衰减抑制很快，达到了高选择性的目标，并且阻带的插入损耗都在-30dB(表示千分之一)以下，阻带信号的抑制效果很好。
实施例1：
该滤波器芯片在3.5GHz处的版图模型，如图4所示，版图大小为2.7mm*1.4mm。为了保证版图模型的中心对称性，电感L1和电容C1被拆分为中心对称的与原理图等效的两个电容和电感。L1是两个内部直径(以下简称为内径)为100um，宽度和间隔都是15um，圈数为3.5的中心对称的电感，C1是宽为50um的方形电容；L2是内径为150um，宽度和间隔为15um，圈数为3.5的电感，C2是宽为54um的方形电容；L3是内径为150um，宽度和间隔为15um，圈数为3.5的电感，C3是宽为39um的方形电容；L4是内径为150um，宽度和间隔为15um，圈数为3.5的电感，C4是宽为52um的方形电感，C5是宽为65um的方形电感。芯片外围是宽度75um的接地传输线，该接地传输线与GSG(接地-信号-接地，ground-signal-ground)探针的两个接地端(G)探针相连接，作为短路接地端；信号端(S)探针与版图中两侧的宽75um，长55um的方片传输线相连接，作为信号输入输出端口。
该3.5GHz滤波器芯片的版图仿真结果，如图5所示，图中的通带是3.28GHz到3.66GHz，最大插入损耗为-2.1dB在3.42GHz处，通带左侧传输零点在2.83GHz处，通带右侧的传输零点在4.55GHz处，从直流到2.83GHz的带外抑制都在-30dB以下，从4.55GHz到10GHz的带外抑制基本都在-50dB以下，说明通带外侧的信号抑制效果很好。通带内的回波损耗在-20dB(表示输出信号功率是输入的百分之一)以下，说明通带内阻抗匹配效果很好。由此可见，该滤波器的版图仿真效果很好。
本实施例在3.4GHz通带处的信号的电流分布，如图6所示，左侧是输入端口port1，由于3.4GHz的信号与第一第二第三谐振器以及L4C4(阻抗匹配枝节的谐振器)的谐振频率相近(这四个谐振器的谐振频率都在通带附近)，所以电流可以通过由多级谐振器组成的整个滤波器电路整体到达输出端口port 2，但同时也有一小部分能量会通过接地损失掉，这是不可避免的。
本实施例在5.0GHz高频阻带电流密度分布，如图7所示，左侧是port 1输入信号端，由于5.0GHz的信号与第一第二第三谐振器以及L4C4的谐振频率差距较大，所以该频率的信号很难通过这四个谐振器，或者说，只有很少的能量能通过谐振器，所以大部分能量会通过左侧的C5直接流入接地，由于信号在到达port 2前需要经过多级谐振器，与通过谐振器相比，在接地处，信号也更容易流入接地，所以经过多级谐振器后，只有极少量(万分之一左右)能量到达输出端口port 2。
本实施例在2.0GHz处低频阻带的电流密度分布，如图8所示，与图7中高频阻带的电流分布很相似，分析过程也几乎相同。
实施例2：
该滤波器芯片在28GHz处的版图模型，如图9所示，版图大小为1.2mm*0.8mm。为了保证版图模型的中心对称性，L1和C1被拆分为中心对称的与原理图等效的两个电容和电感。L1是两个内径为38um，宽度和间隔都是10um，圈数为1.5的中心对称的电感，C1是宽为29um的方形电容；L2是内径为70um，宽度和间隔为10um，圈数为1.5的电感，C2是两个宽为27um的方形电容；L3是内径为70um，宽度和间隔为10um，圈数为1.5的电感，C3是两个宽为35um的方形电容；L4是内径为40um，宽度和间隔为10um，圈数为1.5的电感，C4是两个宽为50um的方形电感，C5是一个宽为29um的方形电感。
该芯片的IPD工艺与实施例1中3.5GHz芯片的工艺不同，该芯片的接地方式是通过圆柱形过孔接地，图中C2，C3和C5所连接的位于外侧的方形焊盘的下方就是圆柱形接地过孔。该芯片同样采用GSG的信号输入输出方式，图中两侧各有一个GSG信号输入输出端口，两个接地端(G)探针所连接的焊盘与其侧面的过孔接地的焊盘相连，中间的焊盘与信号端(S)探针相连，用作信号的输入输出。图中的所有方形焊盘的宽都是75um，接地过孔的直径都是40um。
该28GHz滤波器芯片的版图仿真结果，如图10所示，通带为25.8GHz到29.6GHz，最大插入损耗为-2.71dB在28.1GHz处，通带左侧的传输零点在24.5GHz处，通带右侧的传输零点在32.9GHz处，从直流到24.5GHz处的带外抑制都在-23dB以下，从32.9GHz到60GHz的带外抑制都在-25dB以下，说明通带外的信号抑制效果很好。通带内的回波损耗都在-20dB以下，说明通带内的阻抗匹配效果很好。由此可见，该滤波器的版图仿真效果很好。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，其特征在于，所述IPD滤波器芯片为左右对称结构，正中间是串联的电容C1和电感L1组成的第一谐振器，两侧各有一组短路电容电感谐振器，每组短路电容电感谐振器中均包括两个电容和两个电感，具体为：电感L2和电容C2串联构成第二谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；电感L3和电容C3串联构成第三谐振器，两端分别接第一谐振器和接地；
第一谐振器，第二谐振器和第三谐振器共同交于一点，构成中心滤波电路；该交点同时连接阻抗匹配枝节；
所述的阻抗匹配枝节在短路电容电感谐振器两侧各有一个，具体结构为：短路电容电感谐振器包括依次串联的电感L4，电容C4和电容C5；电容C5接地，同时在两个电容之间分别外接第一端口和第二端口；
中心滤波电路中的第一谐振器用来选择整个滤波器芯片工作的中心频率，第二谐振器和第三谐振器控制在中心频率两侧引入新的传输零点，从而控制滤波器的通带带宽；
在阻抗匹配枝节和中心滤波电路的共同作用下，将第一端口流入到两个传输零点中间的信号，通过整个电路到达第二端口，而两个传输零点外的高频和低频信号则无法通过整个电路到达第二端口，从而实现滤波器的滤波功能。
2.如权利要求1所述的一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，其特征在于，所述的第一端口作为信号输入端口，第二端口作为等效的信号输出端口。
3.如权利要求1所述的一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，其特征在于，所述的IPD滤波器芯片工作过程如下：
首先，在等效的输入端口和输出端口中间安装第一谐振器，通过调节第一谐振器的电容值和电感值，选择整个滤波器芯片的中心频率；
然后，在第一谐振器两侧对称连接第二谐振器和第三谐振器，通过调节第二谐振器和第三谐振器的电容值和电感值，使得第二谐振器在中心频率的左侧引入一个传输零点，第三谐振器在中心频率的右侧引入一个传输零点，两个传输零点中间部分即滤波器的通带；
接着，在三个谐振器所组成的中心滤波电路的两侧分别连接阻抗匹配枝节，调节阻抗匹配枝节的电容值和电感值，给中心滤波电路进行阻抗匹配，使得中心滤波电路电阻达到标准50Ω，与输入和输出端口的阻值相同；
最后，进行通电，由于三个谐振器和电感L4，电容C4谐振器的谐振频率都在通带附近，通带内的信号很容易通过多级谐振器组成的滤波器电路，到达输出端口；对于阻带信号，由于与各个谐振器的谐振频率差距较大，信号更容易在输入端口的电容C5处流入接地；因此实现了对通带内频率信号和通带外频率信号的筛选。
4.如权利要求1所述的一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，其特征在于，所述滤波器的中心频率能从1GHz达到50GHz，覆盖了微波和毫米波频段。
5.如权利要求1所述的一种适用于微波与毫米波的IPD滤波器芯片，其特征在于，所述滤波器经过仿真调节，传输零点外侧信号的抑制程度的最小可从-20dB到-50dB，最大可从-40dB到-70dB，阻带抑制性能非常强。
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| CN202110122415.6A Pending CN112953431A (zh) | 2021-01-28 | 2021-01-28 | 一种适用于微波与毫米波的ipd滤波器芯片 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114122652A (zh) * | 2021-11-18 | 2022-03-01 | 杭州泛利科技有限公司 | 一种基于ipd技术的小型化高性能零点可控带通滤波器 |
| CN114447546A (zh) * | 2022-01-22 | 2022-05-06 | 北京邮电大学 | 一种通信用高隔离度超小型平面双工器 |
| CN115694394A (zh) * | 2023-01-04 | 2023-02-03 | 成都频岢微电子有限公司 | 一种适用于wifi 5g频段的ipd带通滤波器芯片 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103152002A (zh) * | 2011-12-07 | 2013-06-12 | 天津海泰超导电子有限公司 | 一种共节点串联谐振结构电感电容滤波器 |
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| CN110380177A (zh) * | 2019-07-25 | 2019-10-25 | 北京邮电大学 | 一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片 |
-
2021
- 2021-01-28 CN CN202110122415.6A patent/CN112953431A/zh active Pending
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