CN111477999A - 阶梯阻抗耦合双模谐振器的ipd毫米波带通滤波器芯片 - Google Patents

阶梯阻抗耦合双模谐振器的ipd毫米波带通滤波器芯片 Download PDF

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于会婷
杨雨豪
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Abstract

本发明实施例提供了一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片，包括：输入端口、输出端口、阶梯阻抗耦合线、第一开路枝节和第二开路枝节，其中，阶梯阻抗耦合线包括第一阻抗左传输线、第一阻抗右传输线、第二阻抗左传输线、第二阻抗右传输线，上连接线和下连接线，第一阻抗左传输线和第一阻抗右传输线构成第一阻抗耦合传输线，第二阻抗左传输线和第二阻抗右传输线构成第二阻抗耦合传输线，由于采用了耦合传输线，能够实现较好的频率选择性，更好地抑制其他信号频率及通频带外干扰，此外，采用了阶梯阻抗模式，与传统的均匀阻抗模式相比，减小了通带内回波损耗，能够更好地抑制信号反射，使整个电路具有良好的阻抗匹配。

Description

阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片。
背景技术
近年来，第五代移动通信技术(5th-Generation，5G)蓬勃发展。根据规定，5G网络主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段是指450MHz-6GHz的频率范围；FR2频段是指24.25GHz-86GHz的频率范围，通常被称为毫米波频段。相比于已被大量使用的FR1频段，毫米波无线电频谱不仅有很大的待开发空间，而且其连续可用的超大带宽，可以更好地满足5G系统对超大容量和极高速率的传输要求。3GPP协议38.101-2Table 5.2-1定义了3段5G毫米波波段，分别是：n257(26.5GHz-9.5GHz)，n258(24.25GHz-27.5GHz)和n260(37GHz-40GHz)。
研究者们致力于将各种射频器件设计到毫米波频段，以此来推进5G网络的发展建设过程。
此外，在对各种移动设备的便利性和功能多样化有着更高要求的今天，射频器件的微型化称为一大发展趋势。随着集成化技术的不断成熟，包括低温共烧陶瓷(LowTemperature Co-fired Ceramics,LTCC)、互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor，CMOS)、集成无源器件(Integrated passive device，IPD)在内的多种技术手段都被应用于射频器件集成。其中，由于IPD工艺可与集成电路平面工艺兼容，基于IPD工艺设计的无源器件易集成到集成电路芯片中，不但能够提高可靠性，还可以减小器件尺寸。
其中，滤波器作为通信系统中极为关键的器件，在5G系统中当然是必不可少的。高性能的滤波器要求有低插入损耗、宽阻带抑制、高隔离度和小电路尺寸。一直以来，谐振器在高性能滤波器的设计中占有十分重要的地位。尤其是基于多模谐振器设计的带通滤波器可实现小尺寸、低损耗。
然而基于传统的环形谐振器设计的带通滤波器也存在一些缺陷，具体表现为：频率选择性较差，通频带外干扰较强，以及通频带内回波损耗较大。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片，以解决传统带通滤波器芯片的频率选择性较差，通带内回波损耗较大的技术问题。具体技术方案如下：
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片，包括：输入端口1、输出端口2、阶梯阻抗耦合线3、第一开路枝节4和第二开路枝节5；其中，所述输入端口1和所述第一开路枝节4连接，所述输出端口2和所述第二开路枝节5连接；
所述阶梯阻抗耦合线3包括第一阻抗左传输线301、第一阻抗右传输线302、第二阻抗左传输线303、第二阻抗右传输线304，上连接线305和下连接线306，其中，所述第一阻抗左传输线301和所述第一阻抗右传输线302构成第一阻抗耦合传输线，所述第二阻抗左传输线303和所述第二阻抗右传输线304构成第二阻抗耦合传输线；
所述输入端口1，用于接收输入信号，并将输入信号传输至所述第一开路枝节4；
所述第一开路枝节4，用于通过能量耦合将输入信号传输至所述阶梯阻抗耦合线3；
所述阶梯阻抗耦合线3，用于通过谐振形成信号通频带，对所述输入信号进行带通滤波；
所述第二开路枝节5，用于通过能量耦合获取滤波后信号，所述滤波后信号为经过带通滤波的输入信号，并将所述滤波后信号传输至所述输出端口2；
所述输出端口2，用于输出所述滤波后信号。
可选的，所述带通滤波器芯片还包括：
第一接地端口6、第二接地端口7、第三接地端口8和第四接地端口9；
所述第一接地端口6、第二接地端口7、第三接地端口8和第四接地端口9，用于接地。
可选的，每个接地端口中包含预设数目，按照预设方式排列的过孔。
本发明实施例有益效果：
本发明实施例提供的阶梯阻抗耦合线的双模谐振器的毫米波带通滤波器，滤波器包括输入端口、输出端口、阶梯阻抗耦合线、第一开路枝节和第二开路枝节，其中，阶梯阻抗耦合线包括第一阻抗左传输线、第一阻抗右传输线、第二阻抗左传输线、第二阻抗右传输线，上连接线和下连接线，第一阻抗左传输线和第一阻抗右传输线构成第一阻抗耦合传输线，第二阻抗左传输线和第二阻抗右传输线构成第二阻抗耦合传输线，由于采用了耦合传输线，能够实现较好的频率选择性，更好地抑制其他信号频率及通频带外干扰，此外，采用了阶梯阻抗模式，与传统的均匀阻抗模式相比，减小了通带内回波损耗，能够更好地抑制信号反射，使整个电路具有良好的阻抗匹配。
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片的一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片的另一种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的毫米波带通滤波器芯片的双模谐振器的等效电路的一种示意图；
图4为本发明实施例提供的毫米波带通滤波器芯片的双模谐振器的奇模激励下等效电路的一种示意图；
图5为本发明实施例提供的毫米波带通滤波器芯片的双模谐振器的偶模激励下等效电路的一种示意图；
图6为本发明实施例提供的阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片的一种示意图；
图7为图6所示的带通滤波器芯片的回波损耗和插入损耗仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决基于传统环形谐振器设计的带通滤波器的频率选择性较差，通带内回波损耗较大的技术问题，本发明实施例提供了一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片。
参见图1，本发明实施例提供的毫米波带通滤波器可以包括：输入端口1、输出端口2、阶梯阻抗耦合线3、第一开路枝节4和第二开路枝节5。其中，输入端口1、输出端口2、阶梯阻抗耦合线3、第一开路枝节4和第二开路枝节5均可以由多层金属材质的传输线构成，例如，可以由三层的铜传输线构成。
本发明实施例中，输入端口1和输出端口2均可以为正方形焊盘。输入端口1和第一开路枝节4连接，如图1所示，第一开路枝节4可以是倒“L”形结构，其短边与输入端口1连接，长边紧邻阶梯阻抗耦合线3。相应的，第二开路枝节5的结构与第一开路枝节4的结构左右对称，第二开路枝节5的长边紧邻阶梯阻抗耦合线3，第二开路枝节5的短边连接输出端口2。
本发明实施例中，输入端口1接收输入信号，并将输入信号传输至第一开路枝节4，由于第一开路枝节4与阶梯阻抗耦合线3邻近，二者之间可以通过耦合的方式传递信号能量，即第一开路枝节4通过耦合将输入信号传递至阶梯阻抗耦合线3。
阶梯阻抗耦合线3的结构是本发明的重要发明点。具体的，如图1所示，本发明实施例中，阶梯阻抗耦合线3可以包括第一阻抗左传输线301、第一阻抗右传输线302、第二阻抗左传输线303、第二阻抗右传输线304、上连接线305和下连接线306。其中，第一阻抗左传输线301和第一阻抗右传输线302尺寸大小相等，左右对称，且共同构成第一阻抗耦合传输线，即第一阻抗左传输线301和第一阻抗右传输线302之间可以通过耦合方式传递信号能量；相应的，第二阻抗左传输线303和第二阻抗右传输线304尺寸大小相等，左右对称，且共同构成第二阻抗耦合传输线，即第二阻抗左传输线303和第二阻抗右传输线304之间可以通过耦合方式传递信号能量。
此外，阶梯阻抗耦合线3还采用了阶梯阻抗的结构，以阶梯阻抗耦合线3的左侧结构为例，左侧结构中包含第一阻抗左传输线301和第二阻抗左传输线303，这两部分的阻抗不相等，如图1所示，第一阻抗左传输线301的宽度大于第二阻抗左传输线303，即第一阻抗左传输线301的阻抗小于第二阻抗左传输线303的阻抗。阶梯阻抗耦合线3的右侧结构同理。
本发明实施例中，阶梯阻抗耦合线3可以看做是一个谐振器，该谐振器具有奇模和偶模两种工作模式。为了便于理解，下面对本发明实施例提供的毫米波带通滤波器芯片中双模谐振器的等效电路进行介绍。
参见图3，图3为本发明实施例提供的毫米波带通滤波器芯片的双模谐振器的等效电路的一种示意图，图3所示的谐振器的对称面AB，在奇模激励下表现为“电壁”，相当于短路；在偶模激励下表现为“磁壁”，相当于开路。奇模激励下的等效电路可以参见图4，偶模激励下的等效电路可以参见图5。
由奇模等效电路的输入导纳Yino、偶模等效电路的输入导纳Yine和标准特征导纳Y0＝1/Z0表示出S参数S11和S21。求知S11＝0有解，得到传输极点；求知S21＝0有解，得到传输零点。因传输极点的位置相距很近，故能形成一个窄通频带，提高频率选择性；因传输零点的位置更靠近通频带两侧，故能更好地抑制通频带外干扰。
输入信号传递至阶梯阻抗耦合线3后，由于阶梯阻抗耦合线的谐振，产生通频带，频率处于通频带内的输入信号能够通过耦合方式传递至第二开路枝节5，而频率处于通频带之外的输入信号无法从阶梯阻抗耦合线3中传输出去，因此，第二开路枝节5接收的信号为滤波后信号，第二开路枝节5将滤波后信号传输至输出端口2，输出端口2即可输出滤波后信号。
可见，本发明实施例提供的基于阶梯阻抗耦合线的双模谐振器的毫米波带通滤波器，滤波器包括输入端口、输出端口、阶梯阻抗耦合线、第一开路枝节和第二开路枝节，其中，阶梯阻抗耦合线包括第一阻抗左传输线、第一阻抗右传输线、第二阻抗左传输线、第二阻抗右传输线，上连接线和下连接线，第一阻抗左传输线和第一阻抗右传输线构成第一阻抗耦合传输线，第二阻抗左传输线和第二阻抗右传输线构成第二阻抗耦合传输线，由于采用了耦合传输线，能够实现较好的频率选择性，更好地抑制其他信号频率及通频带外干扰，此外，采用了阶梯阻抗模式，与传统的均匀阻抗模式相比，减小了通带内回波损耗，能够更好地抑制信号反射。
如图2所示，在本发明的一种实施例中，带通滤波器还可以包括第一接地端口6、第二接地端口7、第三接地端口8和第四接地端口9，第一接地端口6、第二接地端口7、第三接地端口8和第四接地端口9均用于接地。参见图2，第一接地端口6、第二接地端口7与输入端口1以及第三接地端口8、第四接地端口9与输入端口2共同构成“接地-信号-接地”的结构，该结构可以与探针相连，便于利用探针台进行芯片的在片测试。
在本发明的一种实施例中，每个接地端口中包含预设数目，按照预设方式排列的过孔10，图2所示实施例中，每个接地端口中包含4个规则排列的圆形过孔。过孔是用于连接各层金属，保证接地端口共地。
在实际应用中，可以根据通频带范围确定阶梯阻抗耦合线3中各个传输线尺寸大小。
具体的，固定所有传输线中心频率f0＝38GHz处的电长度θ0＝π/2。由奇模等效电路的输入导纳Yino、偶模等效电路的输入导纳Yine和标准特征导纳Y0＝1/Z0表示出S参数S11和S21。求知S11＝0有解，得到传输极点；求知S21＝0有解，得到传输零点。进一步由fn＝θnf0/θ0，求知传输极点和传输零点对应的频率位置，从而确定信号通频带。
已知带通滤波器的传输极点和传输零点，根据其和耦合线奇偶模阻抗Zo1、Zo2、Ze1、Ze2之间的关系，得到Zo1、Zo2、Ze1、Ze2的具体数值，其中，Zo1表示奇模模式的上传输线阻抗，对应图4中阴影部分的阻抗，Zo2表示奇模模式的下传输线阻抗，对应图4中非阴影部分的阻抗；Ze1表示偶模模式的上传输线阻抗，对应图5中阴影部分的阻抗，Ze2表示偶模模式的下传输线阻抗，对应图5中非阴影部分的阻抗。在确定工艺所用介质和金属材料的具体参数后，即可求得耦合线的尺寸大小，进而采用IPD工艺进行搭建。
作为一个示例，参见图6，图6为本发明实施例提供的基于阶梯阻抗耦合线的双模谐振器的毫米波带通滤波器的一种示意图。
具体版图参数如下：
l1＝646um，l2＝646um，l3＝162um，l4＝526um，w1＝80um，w2＝40um，w3＝15um，w4＝40um，w5＝75um，w6＝414um，s1＝102.5um，s2＝142.5um，s3＝19.7um，s4＝70um，d＝20um。
在图6所示实施例中，带通滤波器的中心频率为38GHz，将3dB带宽作为滤波器的通带，3dB带宽的频率范围为36.41GHz到39.69GHz。
参见图7，图7为图6所示的带通滤波器的回波损耗和插入损耗仿真结果示意图，图7中横坐标为频率，单位为GHz，纵坐标为滤波器的S参数，单位为dB。图7中有两个传输零点位于31.65GHz、43.05GHz，3dB带宽的频率范围为36.41GHz到39.69GHz，相对带宽仅为8.63％，保证了滤波器的高选择性。可见，将3dB带宽作为滤波器的通带，在其通带内回波损耗较小，而在更低或更高的频率处则有很大的回波损耗，充分说明了本发明实施例提供的毫米波带通滤波器对其他毫米波段较高的隔离度。
此外，图6所示带通滤波器的整个芯片的尺寸大小仅为1.28mm*1.53mm，具有小型化和集成化特点，非常利于进行器件封装。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种阶梯阻抗耦合双模谐振器的IPD毫米波带通滤波器芯片，其特征在于，包括：
输入端口(1)、输出端口(2)、阶梯阻抗耦合线(3)、第一开路枝节(4)和第二开路枝节(5)；其中，所述输入端口(1)和所述第一开路枝节(4)连接，所述输出端口(2)和所述第二开路枝节(5)连接；
所述阶梯阻抗耦合线(3)包括第一阻抗左传输线(301)、第一阻抗右传输线(302)、第二阻抗左传输线(303)、第二阻抗右传输线(304)，上连接线(305)和下连接线(306)，其中，所述第一阻抗左传输线(301)和所述第一阻抗右传输线(302)构成第一阻抗耦合传输线，所述第二阻抗左传输线(303)和所述第二阻抗右传输线(304)构成第二阻抗耦合传输线；
所述输入端口(1)，用于接收输入信号，并将输入信号传输至所述第一开路枝节(4)；
所述第一开路枝节(4)，用于通过能量耦合将输入信号传输至所述阶梯阻抗耦合线(3)；
所述阶梯阻抗耦合线(3)，用于通过谐振形成信号通频带，对所述输入信号进行带通滤波；
所述第二开路枝节(5)，用于通过能量耦合获取滤波后信号，所述滤波后信号为经过带通滤波的输入信号，并将所述滤波后信号传输至所述输出端口(2)；
所述输出端口(2)，用于输出所述滤波后信号。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述带通滤波器芯片还包括：
第一接地端口(6)、第二接地端口(7)、第三接地端口(8)和第四接地端口(9)；
所述第一接地端口(6)、第二接地端口(7)、第三接地端口(8)和第四接地端口(9)，用于接地。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，每个接地端口中包含预设数目，按照预设方式排列的过孔。
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