CN113594647B - 一种片上毫米波带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种片上毫米波带通滤波器。包括：中心抽头环形谐振器、接地屏蔽层、第一MIM电容器与第二MIM电容器、输入馈线和输出馈线；中心抽头环形谐振器呈曲折线形状弯曲排列，一端包括一个弯曲端，另一端包括两个弯曲端，通过四组平行的指位于弯曲端两侧形成，滤波器输入端与输入馈线相连，输入馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的一侧的指相连；滤波器输出端与输出馈线相连，输出馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的另一侧的指相连；接地屏蔽层位于中心抽头环形谐振器外围。该滤波器的优点在于曲折线型中心抽头环形谐振器可以有限的减小片上毫米波带通滤波器的面积，而位于馈线下方的两个MIM电容合理利用多层结构，进一步的缩减芯片的面积。

Description

一种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，涉及一种片上毫米波带通滤波器。
背景技术
毫米波波段一般指频率在30GHz到300GHz这一频段。毫米波系统的发展也是未来通信发展的趋势，由于低频频谱资源日益匮乏，而毫米波频段仍然有很大的开发空间，另外毫米波设计具有体积小、重量轻、抗干扰等等优势，因此它在未来的无线通信领域内具有巨大的发展潜力。这一发展趋势也必然导致毫米波滤波器的快速发展。另一方面，基于硅基工艺的片上带通滤波器的设计也引起国内外的广泛关注，片上滤波器的设计需要不断进行权衡，无论是在噪声、带宽、线性度还是芯片尺寸方面，因此设计出一个带内平坦度良好、插入损耗低、阻带衰减高的片上带通滤波器也是急剧挑战的。
现有的滤波器技术中，具有以下缺陷：基于传统的环形谐振器的设计已经成功的在实现片上的设计并具有卓越的性能，但滤波器的芯片尺寸相对较大。考虑到制造成本，人们总是希望片上滤波器的物理尺寸最小化。在此先决条件下，为了有效减少滤波器的物理尺寸，基于陷波的设计方法已被广泛采用。例如，基于宽边耦合曲折线谐振器的设计实现了最小的物理尺寸。然而，这种方法只能在阻带的小带宽上提供有限的衰减量，性能方面大打折扣。
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。
一种片上毫米波带通滤波器，通过预设层结构实现，包括：中心抽头环形谐振器、接地屏蔽层、第一MIM电容器与第二MIM电容器、输入馈线和输出馈线；
其中，所述中心抽头环形谐振器呈曲折线形状弯曲排列，包括四组平行的指，两侧的指分别与相邻的指在同侧连接形成一个弯曲端，中间的指在另一端连接形成一个弯曲端，滤波器输入端与输入馈线相连，输入馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的一侧的指相连；滤波器输出端与输出馈线相连，输出馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的另一侧的指相连；接地屏蔽层位于中心抽头环形谐振器外围，中心抽头环形谐振器的位于只有一个的弯曲端一端的弯曲端与接地屏蔽层相连，两个MIM电容分别位于输入馈线与输出馈线下方。
进一步地，所述中心抽头环形谐振器包括第一层传输线与第二层传输线，第一层传输线通过预设层结构的金属层TM2刻画而成，第二层传输线通过金属层TM1刻画而成，所述第一层传输线以及所述第二层传输线的两侧指的指端具有过孔，通过过孔连接第一层传输线以及第二层传输线。
进一步地，所述第一层传输线的两侧的指与输入馈线以及输出馈线连接。
进一步地，通过所述第二层传输线的弯曲端与接地屏蔽层连接。
进一步地，所述接地屏蔽层为多层结构，在金属层TM2形成最上层，金属层TM1形成接地屏蔽层的第二层，金属层M5为接地屏蔽层的第三层，以此类推，金属层M1形成接地屏蔽层的最后一层。
进一步地，金属层TM1形成MIM电容的上层，金属层M5形成MIM电容的下层。
进一步地，每个指的长度是160 微米，相邻指之间的水平距离是10微米，金属层TM1和金属层TM2的垂直距离是2.8微米。
本发明具有如下的有益效果：
本发明采用0.13μm（Bi）-CMOS工艺，并使用Cadence的3-D EM工具进行设计优化。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0.74×0.196mm2。本发明中心频率是28GHz，对应的插损是1.9dB. Return loss 小于-10dB的带宽是21.5-35 GHz. 在2次谐波以及更高频率的地方，带外抑制达到至少20dB；
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1示出了本发明的片上毫米波带通滤波器的结构示意图；
图2示出了片上毫米波带通滤波器的预设层结构示意图；
图3示出了用于设计本发明的片上毫米波带通滤波器的金属层TM2（a）以及金属层TM1（b）结构示意图；
图4示出了改变不同MIM电容值对S11、S21参数得影响EM仿真结果图；
图5示出了改变不同金属线长度对S11、S21参数得影响EM仿真结果图。
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1示出了本发明一种片上毫米波带通滤波器的结构示意图。包括：中心抽头环形谐振器1、接地屏蔽层5、第一MIM电容器3与第二MIM电容器6、输入馈线4和输出馈线2；其中，滤波器输入端与输入馈线4相连，输入馈线4的另一端与中心抽头环形谐振器1相连。滤波器输出端与输出馈线2相连，输出馈线2的另一端与中心抽头环形谐振器1相连。接地屏蔽层5位于中心抽头环形谐振器外围，中心抽头环形谐振器呈曲折线形状弯曲排列，一端包括一个弯曲端，另一端包括两个弯曲端7，通过四组平行的指8形成，滤波器输入端与输入馈线相连，输入馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的一侧的指相连；滤波器输出端与输出馈线相连，输出馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的另一侧的指相连；接地屏蔽层位于中心抽头环形谐振器外围，中心抽头环形谐振器的位于只有一个的弯曲端一端的弯曲端与接地屏蔽层相连，两个MIM电容分别位于输入馈线与输出馈线下方。
图1结合图2和图3，具体地，中心抽头环形谐振器包括第一层传输线与第二层传输线，第一层传输线通过预设层结构的金属层TM2刻画而成，第二层传输线通过金属层TM1刻画而成，第一层传输线以及第二层传输线的两侧指的指端具有过孔9，通过过孔9连接第一层传输线以及第二层传输线。
第一层传输线包括四个指，四个指平行，四个指的外侧的指分别相邻的中间指相连，中间两个指的两外两端相连形成一个弯曲端，第二层传输线同样也包括四个指平行，四个指的外侧的指分别相邻的中间指相连，中间两个指的两外两端相连形成一个弯曲端，并且结构上上下对应。
中心抽头环形谐振器第二层传输线的弯曲端凸出后与接地屏蔽层5相连，第一层传输线两侧的指与输入馈线和输出馈线连接。两个MIM电容分别位于输入馈线与输出馈线下方。中心抽头环形谐振器由预设层结构的金属层TM2刻画而成，MIM电容位于金属层TM1-金属层M5之间，输入馈线与输出馈线位于金属层TM2。MIM电容值为0.2 pF. 中心抽头谐振器的线宽是4微米，一共是8个指，其中4个指是用顶层金属层TM2实现的，另外4个是用金属层TM1实现的。每个指的长度是160 微米，每个指之间的水平距离是10微米，金属层TM1和金属层TM2的垂直距离是2.8微米。
接地屏蔽层为多层结构，在金属层TM2形成最上层，金属层TM1形成接地屏蔽层的第二层，金属层M5为接地屏蔽层的第三层，以此类推，金属层M1形成接地屏蔽层的最后一层。
图2示出了本发明片上毫米波带通滤波器的预设层结构示意图。如图2 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3μm；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。
为了更清晰的了解该中心抽头环形谐振器结构，图3示出了用于本发明的基于曲折线型中心抽头环形谐振器的片上毫米波带通滤波器的金属层TM2（a）、金属层TM1（b）中心抽头谐振器结构示意图；金属层TM1包括两个过孔和输入、输出端馈线以及传输线，金属层TM1中的传输线通过过孔连接至金属层TM2，在金属层TM2层与接地屏蔽层相连。金属层TM2和金属层TM2中的传输线共同组成了中心抽头环形谐振器。另外，金属层TM2为接地屏蔽层的最上层、输入输出馈线以及中心抽头谐振器。金属层TM1为接地屏蔽层的第二层，以及MIM电容的上层。金属层M5为接地屏蔽层的第三层，以及MIM电容的下层。另外接地屏蔽层由多层金属层堆叠构成，M5~M1层均有接地屏蔽层结构简单，这里就不多加叙述。本发明利用多层结果，将MIM电容放在输入输出馈线下方，以及利用弯曲线结构形成中心抽头环形谐振器，有效的将片上滤波器的面积减小到最小，利用中心抽头环形谐振器以及两个MIM电容结构可以产生一个额外的传输极点，通过简单地调整传输极点的位置，可以在带内平坦度和通带带宽之间进行灵活的权衡，可以在低频阻带实现更快的滚降，提供了卓越的阻带性能。
该滤波器的优点在于曲折线型中心抽头环形谐振器可以有限的减小片上毫米波带通滤波器的面积，而位于馈线下方的两个MIM电容合理利用多层结构，进一步的缩减芯片的面积，利用该谐振器和MIM电容可以在带内平坦度和通带带宽之间进行灵活的权衡，从而可以非常灵活地进行带宽调整，同时提供卓越的阻带性能并改善上、下过渡带的滚降。
图4示出了改变不同MIM电容值对S11、S21参数得影响EM仿真结果图。
当电容从0.1pF调整到0.2pF,步进是0.05pF的时候，滤波器的S参数仿真结果在图4中给出。当电容从小到大变化的时候，滤波器的中心频率往低频移动。
图5出了改变不同金属线长度对S11、S21参数得影响EM仿真结果图。金属线长度越长中心频率往低频率移动。
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 (3)

1.一种片上毫米波带通滤波器，其特征在于，通过预设层结构实现，包括：中心抽头环形谐振器、接地屏蔽层、第一MIM电容器与第二MIM电容器、输入馈线和输出馈线；
其中，所述中心抽头环形谐振器呈曲折线形状弯曲排列，包括四组平行的指，两侧的指分别与相邻的指在同侧连接形成一个弯曲端，中间的指在另一端连接形成一个弯曲端，滤波器输入端与输入馈线相连，输入馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的一侧的指相连；滤波器输出端与输出馈线相连，输出馈线的另一端与中心抽头环形谐振器的另一侧的指相连；接地屏蔽层位于中心抽头环形谐振器外围，中心抽头环形谐振器的位于只有一个的弯曲端一端的弯曲端与接地屏蔽层相连，两个MIM电容分别位于输入馈线与输出馈线下方；
所述中心抽头环形谐振器包括第一层传输线与第二层传输线，第一层传输线通过预设层结构的金属层TM2刻画而成，第二层传输线通过金属层TM1刻画而成，所述第一层传输线以及所述第二层传输线的两侧指的指端具有过孔，通过过孔连接第一层传输线以及第二层传输线；
所述第一层传输线的两侧的指与输入馈线以及输出馈线连接；
通过所述第二层传输线的弯曲端与接地屏蔽层连接；
所述接地屏蔽层为多层结构，在金属层TM2形成最上层，金属层TM1形成接地屏蔽层的第二层，金属层M5为接地屏蔽层的第三层，以此类推，金属层M1形成接地屏蔽层的最后一层。
2.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，金属层TM1形成MIM电容的上层，金属层M5形成MIM电容的下层。
3.按照权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于，每个指的长度是160微米，相邻指之间的水平距离是10微米，金属层TM1和金属层TM2的垂直距离是2.8微米。
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