CN112087211A - 基于mpg元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器。该滤波器输入端与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端与第二馈电网络的输出端相连；第一馈电网络的输出端与十字形谐振器的输入端相连，第二馈电网络的输入端与十字形谐振器的输出端相连；接地环采用金属层堆叠的方式围绕在十字形谐振器和MPG元件两侧。采用多层结构，MPG元件通过预设层金属层最顶层金属层TM2下面的金属层TM1和M5实现，产生第一个传输零点，十字形谐振器通过最顶层金属层TM2实现，产生第二个传输零点，MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输，无需占用任何额外的芯片面积在上阻带和下阻带缠上两个传输零点，且两个传输零点在阻带上位置可以单独控制。

Description

基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及一种基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器。

背景技术

毫米波无线通信技术是微波无线通信技术向更高频段的延伸，近年来得到了广泛关注与重视，其主要原因有：毫米波对应的频谱资源丰富；毫米波自身的传输特性良好；现代芯片制造工艺的快速发展为毫米波通信设备的制造提供了保障；毫米波通信技术已经成为许多新兴技术的发展需要。一直以来，滤波器在微波工程中都占据着极其重要的地位。随着现代通信业务迅速发展，为了适应日益增长的现代通信业务发展，同时满足高性能指标通信系统的需求，这就要求对滤波器进行更广泛和深入的研究。近年来，一些新的技术也在不断的被开发和应用。

传统的微波电路设计思路，往往只局限于介质电路板表面的元件设计和布局。为最大化开发和利用有限的微波集成电路结构，满足日新月异的无线通信技术对小型化、低成本、低功耗装备的要求，多芯片模块(MCM)、低温共烧陶瓷多层结构(LTCC)、三维微波集成电路等集成技术相继问世。但无论是在传统电路设计中，还是在这些新提出的电路集成技术中，人们都忽略了电路的背面——金属介质接地板的开发和利用。新型的利用金属接地板的基于缺陷接地结构(DGS)的设计技术因其固有的紧凑性而引起了广泛的关注。但是，创建一个特定的DGS来满足谐波抑制方面所需的设计并不是一件容易的事，因为它需要与主滤波器结构进行适当的协同设计，并在其中进行整体集成。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器，其特征在于，包括：MPG元件、接地环、十字形谐振器，第一馈电网络和第二馈电网络；

其中，滤波器输入端与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端与第二馈电网络的输出端相连；第一馈电网络的输出端与十字形谐振器的输入端相连，第二馈电网络的输入端与十字形谐振器的输出端相连；十字形谐振器对称位于MPG元件上，MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输；接地环分为上下两部分采用金属层堆叠的方式围绕在十字形谐振器和MPG元件两侧。

进一步地，所述第一馈电网络包括第一电容和第二电容，第二馈电网络包括第三电容和第四电容，所述的第一电容的输入端为第一馈电网络的输入端，第一电容的输出端为第一馈电网络的输出端，且第一电容的输出端与第二电容输入端相连，第二电容的输出端接地；第四电容的输入端为第二馈电网络的输入端，第四电容的输出端为第二馈电网络的输出端，且第四电容的输出端与第三电容输入端相连，第三电容的输出端接地；滤波器输入端与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端与第二馈电网络的输出端相连。

进一步地，所述十字形谐振器包括十字形传输线、第五电容和第六电容，十字形传输线的第一端构成十字形谐振器的输入端，十字形传输线的第二端通过第五电容接地，十字形传输线的第三端为十字形谐振器的输出端，所述十字形传输线的第一端与所述十字形传输线的第三端为同一直线上的两个端点，十字形传输层的第四端通过第六电容接地，十字形传输线的第二端与十字形传输线的第四端为同一直线上的两个端点，所述，第五电容和第六电容的电容值相等，且十字形谐振器采用预设层结构的最顶层金属层TM2实现。

进一步地，所述MPG元件包括第一开路枝节和第二开路枝节，分别位于预设层金属层TM1层和金属层M5层，第一开路枝节和第二开路枝节物理尺寸相同，方向相反，第一开路枝节和第二开路枝节与十字形传输线的一条线位于同一直线上，且第一开路枝节和第二开路枝节并通过耦合的方式进行能量传输，且MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输。

进一步地，所述的接地环分成上下两部分，上下两部分物理尺寸相同，对称分布在十字形谐振器和MPG两侧，通过预设层金属层堆叠的方式实现。

进一步地，所有电容均通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现，且第一电容与第四电容的电容值相等，第二电容与第三电容的电容值相等，第五电容与第六电容的电容值相等。

进一步地，所述第十字形谐振器的，横向宽度为W₁＝20μm，纵向宽度W₂＝4μm，横向长度W₃＝90μm，纵向长度W₄＝84μm。第五电容和第六电容的电容值相等为1.75pF；

所述第一馈电网络和第二馈电网络中，第一电容和第四电容的电容值相等为0.22pF，第二电容和第三电容的电容值相等为0.32pF；

所述的MPG元件中，第一开路枝节宽度为W₅＝42μm，长度为W₆＝72μm，第二开路枝节和第一开路枝节物理尺寸相同，方向相反；以及

所述接地环上半部分的环宽度W₇＝8μm，接地环的宽度W₃＝90μm，长度W₈＝118μm，下半部分与上半部分物理尺寸相同且对称。

本发明的有益效果：

本发明滤波器通过使用MPG元件产生第一个传输零点，且MPG元件采用预设层金属层最顶层一下的金属层构成，无需占用额外的芯片面积即可在较高阻带处产生第一个传输零点，且通过改变MPG元件的结构对传输零点位置进行控制，同时通过采用十字形谐振器又可以在较低的阻带处产生第二个传输零点，改变第五电容和第六电容值，可以对第二个传输零点进行控制，且第一传输零点和第二传输零点互不影响，可以单独控制，同时该滤波器拥有低插入损耗且小的物理尺寸。本发明采用0.13μm(Bi)-CMOS工艺，其最小允许栅极长度为0.13μm，因此可以实现高达±1％的精度，最终芯片的面积为0.09×0.268mm²。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1a示出了本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器的结构俯视示意图；

图1b示出了基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器的预设层结构示意图；

图1c示出了本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器预设层金属层TM1层示意图；

图1d所示出了本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器预设层金属层M5层示意图；

图2示出了用于设计本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器的简化LC等效电路模型示意图；

图3示出了使用不同的图1a中的W9值进行EM模拟结果图；其中，(a)为改变开路枝节横向长度W₉值对滤波器传输零点影响；

图3(b)为改变图2所示等效电路图中的电容C₄的值(即图1a中的电容C₅、C₆)对滤波器传输零点的影响；

图4示出了本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器的图1a示出的结构与图2所示的简化LC等效电路模型之间的比较结果；

图5示出了图结构的EM模拟结果和滤波器的实际测试结果的对比曲线图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

图1a示出了本发明的基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器的结构俯视示意图。如图1所示，一种基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器，包括：MPG元件、接地环(1,3)、十字形谐振器5，第一馈电网络和第二馈电网络；其中，滤波器输入端Port1与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端Port2与第二馈电网络的输出端相连；第一馈电网络的输出端与十字形谐振器的输入端相连，第二馈电网络的输入端与十字形谐振器的输出端相连；MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输；接地环分为上下两部分采用金属层堆叠的方式围绕在十字形谐振器和MPG元件两侧；

所述的第一馈电网络由第一电容C₁和第二电容C₂构成，第二馈电网络由第三电容C₃和第四电容C₄构成。所述的第一电容C₁的输入端为第一馈电网络的输入端，第一电容C₁的输出端为第一馈电网络的输出端，且第一电容C₁的输出端与第二电容C₂输入端相连，第二电容C₂的输出端接地；第四电容C₄的输入端为第二馈电网络的输入端，第四电容C₄的输出端为第二馈电网络的输出端，且第四电容C₄的输出端与第三电容C₃输入端相连，第三电容C₃的输出端接地；滤波器输入端Port1与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端Port2与第二馈电网络的输出端相连；所述第一～第四电容通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现，且第一电容与第四电容的电容值相等为0.22pF，第二电容与第三电容的电容值相等为0.32pF。

所述的十字形谐振器由十字形传输线和第五电容C₅和第六电容C₆构成，十字形传输线的第一端构成十字形谐振器的输入端，十字形传输线的第二端通过第五电容C5接地，十字形传输线的第三端为十字形谐振器的输出端，第一端与第三端位于十字的一条线上的两端，第二端与第四端位于十字的另一条线上的两端，十字形传输线的第四端通过第六电容C₆接地，第五电容C₅和第六电容C₆电容值相等为1.75pF，并通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现，十字形传输线采用预设层结构的最顶层金属层TM2实现。十字形谐振器又可以在较低的阻带处产生第二个传输零点，改变第五电容C₅和第六电容C₆值，可以对第二个传输零点进行控制，且第一传输零点和第二传输零点互不影响，可以单独控制。

所述的MPG元件由第一开路枝节4和第二开路枝节2构成，分别位于预设层金属层TM1层和M5层。其中，第一开路枝节宽度为W₅＝42μm，长度为W₆＝72μm，第二开路枝节和第一开路枝节物理尺寸相同，方向相反，且第一开路枝节和第二开路枝节并通过耦合的方式进行能量传输。用于生成第一个传输零点的MPG元件也可以通过顶层金属层TM2下面的层金属层TM1、M5～M1来实现，可以首先使用几个金属层来构造MPG元件，再通过改变MPG元件的宽度来精确调整谐振频率，使用MPG元件无需占用任何额外的芯片面积，更好的实现滤波器的紧凑性。

所述的接地环分成上下两部分，上下两部分物理尺寸相同，对称分布在传输线和MPG两侧，通过预设层金属层堆叠的方式实现，两个接地环所有金属层都用到了，也就是TM2、TM1、M5～M1,所有的金属层都有这两个对称的接地环，形状相同，叠在一起，其中，接地环上半部分的环宽度W₇＝8μm，接地环的宽度W₃＝90μm，长度W₈＝118μm，下半部分与上半部分物理尺寸相同且对称。

图1b示出了基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器的预设层结构示意图。如图1b所示，所述预设层结构包括：依次排列的金属层TM2、所述金属层TM1、金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2、金属层M1和位于所述第一预设层结构的底部的硅基板层；所述金属层TM2和金属层TM1之间、金属层TM1和金属层M5之间、金属层M5和金属层M4之间、金属层M4和金属层M3之间、金属层M3和金属层M2之间、以及金属层M2和金属层M1之间均为二氧化硅层；所述金属-绝缘体-金属层MIM由所述金属层TM1、金属层M5和两者之间的二氧化硅层组成。所述金属层TM2、金属层TM1、金属层M5和金属层M2均为铝金属层。所述金属层TM2的厚度为3μm；所述金属层TM1的厚度为2μm；所述金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2均为0.45μm；金属层M1的厚度为0.4μm；硅基板层的厚度为200μm；所述金属层TM2的下表面与所述金属层TM1上表面的距离为2.8μm；所述金属层TM1的下表面与所述金属层M2的上表面的距离是4μm；以及所述金属层M2下表面与所述硅基板层上表面的距离为2.07μm。本发明的预设层结构以标准0.13-μm(Bi)-CMOS技术进行设计和实施。

在本实施例中，通过将预设层结构的各个金属层的厚度和硅基板层的厚度设置为固定值，可以实现更好地将本发明的带通滤波器进行小型化设计。预设多个金属层，使MPG元件的设计更具有灵活性，可以采用堆叠更多的金属层的方式来控制传输零点的位置。

如图1c、1d所示出了本发明的基于耦合线结构的具有MPG元件的片上毫米波带通滤波器预设层金属层TM1、M5层示意图。为了清晰起见，画出预设层金属层TM1

、M5层示意图，其中TM1层包括了用于构成MPG元件的第一开路枝节和采用堆叠金属层方式的构成接地环的TM1层中的部分。M5层包括了用于构成MPG元件的第二开路枝节和采用堆叠金属层方式的构成接地环的M5层中的部分。通过对比，可以清晰说明的第一开路枝节和第二开路枝节物理尺寸相同，方向相反。

图2示出了用于设计本发明的基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器的简化LC等效电路模型示意图。为了充分理解计本发明的基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器给出了该滤波器的LC等效电路图。其中，MPG元件被建模为L₁和C₇并联网络。十字形谐振器被建模包含L₂、L₃、C₅、C₆的十型网络，其中C₅和C₆的电容值相等。通过适当的分析，可以从理论上预测滤波响应的主要特征。通过推导，两个传输零点的位置可由以下通过

找到。

如图3示，通过改变开路枝节横向长度W9值，可以有效地控制第一个传输零点的位置，且对低频部分的影响很小。通过改变电容C₅、C₆的值，可以将第二个传输零点的位置从16GHz调整到19GHz。通过控制图2所示等效电路图中的电容C₅、C₆远高于图2所示等效电路图中的电容C₇的值，可以保证第一个传输零点为高频的传输零点，且第一传输零点和第二传输零点互不影响，可以单独控制。

图4示出了本发明的基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器的图1a示出的EM结构与图2所示的简化LC等效电路模型之间的比较结果，以证明用于分析的简化LC等效电路模型的有效性。除了LC等效电路模型未考虑的电磁结构的损耗效应外，两种响应之间都得到了合理的一致性。

如图5所示，利用Keysight公司的矢量网络分析仪E8361A和FormFactor公司的100μm间距(GSG)波导无限探头，在1至67GHz的晶圆上使用G-S-G探针进行测量。得到了55GHz以下的电磁模拟频率响应与实测频率响应的合理一致性。实测中心频率和电磁模拟中心频率均出现在31GHz，此时滤波器的实测最小带内插入损耗为3.2dB(比电磁模拟中心频率高0.4dB)。由于所用电磁模拟工具的精度，电磁模拟结果与实测结果之间的偏差可能超过60GHz。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器，其特征在于，包括：MPG元件、接地环、十字形谐振器，第一馈电网络和第二馈电网络；

其中，滤波器输入端与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端与第二馈电网络的输出端相连；第一馈电网络的输出端与十字形谐振器的输入端相连，第二馈电网络的输入端与十字形谐振器的输出端相连；十字形谐振器对称位于MPG元件上，MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输；接地环分为上下两部分采用金属层堆叠的方式围绕在十字形谐振器和MPG元件两侧。

2.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，

所述第一馈电网络包括第一电容和第二电容，第二馈电网络包括第三电容和第四电容，所述的第一电容的输入端为第一馈电网络的输入端，第一电容的输出端为第一馈电网络的输出端，且第一电容的输出端与第二电容输入端相连，第二电容的输出端接地；第四电容的输入端为第二馈电网络的输入端，第四电容的输出端为第二馈电网络的输出端，且第四电容的输出端与第三电容输入端相连，第三电容的输出端接地；滤波器输入端与第一馈电网络的输入端相连，滤波器输出端与第二馈电网络的输出端相连。

3.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，

所述十字形谐振器包括十字形传输线、第五电容和第六电容，十字形传输线的第一端构成十字形谐振器的输入端，十字形传输线的第二端通过第五电容接地，十字形传输线的第三端为十字形谐振器的输出端，所述十字形传输线的第一端与所述十字形传输线的第三端为同一直线上的两个端点，十字形传输层的第四端通过第六电容接地，十字形传输线的第二端与十字形传输线的第四端为同一直线上的两个端点，所述，第五电容和第六电容的电容值相等，且十字形谐振器采用预设层结构的最顶层金属层TM2实现。

4.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，

所述MPG元件包括第一开路枝节和第二开路枝节，分别位于预设层金属层TM1层和金属层M5层，第一开路枝节和第二开路枝节物理尺寸相同，方向相反，第一开路枝节和第二开路枝节与十字形传输线的一条线位于同一直线上，第一开路枝节和第二开路枝节并通过耦合的方式进行能量传输，且MPG元件和十字形谐振器通过耦合的方式进行能量传输。

5.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，

所述的接地环分成上下两部分，上下两部分物理尺寸相同，对称分布在十字形谐振器和MPG两侧，通过预设层金属层堆叠的方式实现。

6.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，

所有电容均通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现，且第一电容与第四电容的电容值相等，第二电容与第三电容的电容值相等，第五电容与第六电容的电容值相等。

7.根据权利要求1所述的基于MPG元件的加载谐振器的片上毫米波带通滤波器，其特征在于，

所述第十字形谐振器的，横向宽度为W₁＝20μm，纵向宽度W₂＝4μm，横向长度W₃＝90μm，纵向长度W₄＝84μm。第五电容和第六电容的电容值相等为1.75pF；

所述第一馈电网络和第二馈电网络中，第一电容和第四电容的电容值相等为0.22pF，第二电容和第三电容的电容值相等为0.32pF；

所述的MPG元件中，第一开路枝节宽度为W₅＝42μm，长度为W₆＝72μm，第二开路枝节和第一开路枝节物理尺寸相同，方向相反；以及

所述接地环上半部分的环宽度W₇＝8μm，接地环的宽度W₃＝90μm，长度W₈＝118μm，下半部分与上半部分物理尺寸相同且对称。

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