CN114567282B - 一种适用于n77频段的高选择性ipd滤波器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，涉及射频及集成电路技术领域，其包括衬底和高选择性IPD滤波器，高选择性IPD滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及电容电感谐振器网络，电容电感谐振器网络包括串联的第一谐振器和第三谐振器、以及并联的第二谐振器。本发明采用少量集总电感和集总电容设计了基于薄膜IPD技术的适用于N77频段的高选择性滤波器，降低了设计复杂度；所设计的滤波器在具有高选择性的同时能够具备良好的阻带抑制性能，并且有效缩减了芯片尺寸，能够更好的适用于5G小型化应用。

Description

一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片
技术领域
本发明涉及射频及集成电路技术领域，具体涉及一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片。
背景技术
目前，微型化和集成性是电子设备发展的重要驱动因素，这在许多消费类应用中尤为关键，更薄的设备意味着更高的集成度，因此需要更薄的元器件。滤波器作为无线通信系统中的关键器件，其尺寸及性能同时决定着系统综合性能的优劣。在各类超薄、超轻、超小型化射频模块需求的牵引下，目前业界越来越多的射频产品均对滤波器的尺寸微缩提出了更高、甚至苛刻的要求。针对5G NR 频段，IPD滤波器具有设计堆叠体积小、调试灵活、成本低、产能充足等多重优势，同时在插入损耗、带外衰减、温度漂移、功率容量特性等性能方面均有较好表现。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，包括：
衬底，和设置在所述衬底上的高选择性IPD滤波器；
所述高选择性IPD滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及连接于所述信号输入端口和信号输出端口之间的电容电感谐振器网络；
所述电容电感谐振器网络包括由串联电容主路和并联谐振支路构成的第一谐振器、与第一谐振器串联并由串联电容主路和并联电感构成的第三谐振器、以及并联与第一谐振器和第三谐振器之间并由电容电感谐振支路构成的第二谐振器。
可选地，所述第一谐振器具体包括：
与信号输入端口连接的第一电容，与所述第一电容的另一端串联连接的第二电容，并联于所述第一电容和第二电容之间的第一电感，与所述第一电感的另一端串联连接的第五电容，所述第五电容的另一端接地。
可选地，所述第三谐振器具体包括：
与所述第二电容的另一端串联连接的第三电容，与所述第三电容的另一端串联连接的第四电容，并联于所述第三电容的两端的第三电感，所述第四电容的另一端与信号输出端口连接。
可选地，所述第二谐振器具体包括：
串联连接的第六电容和第二电感，并联于所述第六电容和第二电感的两端的第七电容，与所述第六电容的另一端和第七电容的一端串联连接的第八电容，与所述第八电容的另一端串联连接的第四电感，所述第二电感的另一端和第七电容的另一端并联于所述第二电容和第三电容之间，所述第四电感的另一端接地。
可选地，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感均采用正多边形结构。
可选地，所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容均采用MIM平板电容。
可选地，还包括第一接地通孔、第二接地通孔、第三接地通孔和第四接地通孔，其中第一接地通孔和第三接地通孔悬空设置，第二接地通孔和第四接地通孔接地设置。
可选地，所述第一接地通孔作为信号输入端口的测试接地端，形成信号-接地结构。
可选地，所述第三接地通孔作为信号输出端口的测试接地端，形成接地-信号-接地结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用少量集总电感和集总电容设计了基于薄膜IPD技术的适用于N77频段的高选择性滤波器，降低了设计复杂度；所设计的滤波器在具有高选择性的同时能够具备良好的阻带抑制性能，并且有效缩减了芯片尺寸，能够更好的适用于5G小型化应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片的电路原理图；
图2为本发明实施例提供的一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片的三维电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第一谐振器的效果图；
图4为本发明实施例提供的LC串联谐振电路的传输曲线图；
图5为本发明实施例提供的第三谐振器的效果图；
图6为本发明实施例提供的第二谐振器的效果图；
图7是本发明实施例提供的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片的电磁仿真S参数曲线图；
图8是图7通带部分的放大S参数曲线图。
其中附图标记为：1、信号输入端口，2、信号输出端口。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，包括：
衬底，和设置在所述衬底上的高选择性IPD滤波器；
所述高选择性IPD滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及连接于所述信号输入端口和信号输出端口之间的电容电感谐振器网络；
所述电容电感谐振器网络包括由串联电容主路和并联谐振支路构成的第一谐振器、与第一谐振器串联并由串联电容主路和并联电感构成的第三谐振器、以及并联与第一谐振器和第三谐振器之间并由电容电感谐振支路构成的第二谐振器。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的高选择性IPD滤波器芯片衬底采用砷化镓材料，厚度为100um。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的电容电感谐振器网络用于通过3.3GHz-4.2GHz频率范围内的信号，对3.3GHz-4.2GHz频率范围以外的信号进行抑制，其包括串联的第一谐振器和第三谐振器构成的主路，以及并联于第一谐振器和第三谐振器之间的第二谐振器构成的支路。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的第一谐振器具体包括：
与信号输入端口1连接的第一电容C1，与所述第一电容C1的另一端串联连接的第二电容C2，并联于所述第一电容C1和第二电容C2之间的第一电感L1，与所述第一电感L1的另一端串联连接的第五电容C5，所述第五电容C5的另一端接地。
本发明利用串联连接的第一电容C1和第二电容C2构成第一谐振器的串联电容主路，利用电容自身具有的通高频阻低频特性，形成高通通带；并且在串联连接的第一电容C1和第二电容C2之间添加LC串联谐振电路作为并联支路，利用第一电感L1与第五电容C5组成的LC谐振电路在通带外1.75GHz位置产生零点，达到改善高通通带带外抑制的作用。
第一谐振器的效果如图3所示，其中实线为传输曲线，虚线为反射曲线。本发明通过设置并联的LC串联谐振电路，可以在带通滤波器的低频带外产生一个零点，当电容值或者电感值增加，零点的位置向更低频移动，反之亦然；如图4所示，实线为电感值3.5nh，电容值为2.5nh的传输曲线；短截线为电感值3nh，电容值为2.5nh的传输曲线；长截线为电感值3nh，电容值为2nh的传输曲线。随着电感值或者电容值的增加，零点越向低频移动。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的第三谐振器具体包括：
与所述第二电容C2的另一端串联连接的第三电容C3，与所述第三电容C3的另一端串联连接的第四电容C4，并联于所述第三电容C3的两端的第三电感L3，所述第四电容C4的另一端与信号输出端口2连接。
本发明利用串联连接的第三电容C3和第四电容C4构成第三谐振器的串联电容主路，并且在第三电容C3的两端设置并联电感，利用并联连接的第三电容C3和第三电感L3构成谐振电路，在通带带外高频5GHz处产生零点，提高滤波器的选择性。
第三谐振器的效果如图5所示，其中实线为传输曲线，虚线为反射曲线。本发明通过设置并联的第三电容C3和第三电感L3，可以形成一个带阻陷波点，通过调节第三电容C3和第三电感L3的值，能够控制该陷波点的位置在通带高频带外；同时调节与第三电容C3串联的第四电容C4的值，可以改善通带回波，特别是通带高频点回波，因此可以达到优化损耗的作用，同时由于带外存在陷波点，可以改善高频带外陡降度。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的第二谐振器具体包括：
串联连接的第六电容C6和第二电感L2，并联于所述第六电容C6和第二电感L2的两端的第七电容C7，与所述第六电容C6的另一端和第七电容C7的一端串联连接的第八电容C8，与所述第八电容C8的另一端串联连接的第四电感L4，所述第二电感L2的另一端和第七电容C7的另一端并联于所述第二电容C2和第三电容C3之间，所述第四电感L4的另一端接地。
第二谐振器的效果如图6所示，其中实线为传输曲线，虚线为反射曲线。本发明通过在第一谐振器和第二谐振器之间设置并联支路，利用第二电感L2、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8以及第四电感L4构成谐振电路，在通带外两侧各产生一个传输零点，通过调节谐振电路里的电容电感的参数值，可将传输零点的位置控制在通带带外低频侧2.69GHz处，以及通带带外高频侧5GHz处，提高滤波器的选择性，改善带外抑制。
同时，由于主路上的串联电容，对于零点靠近边频导致的损耗差的问题，可以通过调节串联支路上的电容来改善，既达到改善回波，同时达到提升陡降度的作用。
在本发明的一个可选实施例中，本发明中涉及的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和第四电感L4均是采用薄膜IPD技术在衬底上生成的，并且由上下两层叠层金属层构成，在两层金属交接的位置由金属通孔连接，其电感量均不超过4nH。
电感的形状均采用正多边形结构，优选为正八边形以得到最优的Q值，但由于芯片尺寸的限制，集成电感的形状不仅限于正八边形，也可以是八边形、六边形等多边形结构。这样通过薄膜IPD技术加工出来的电感具有高集成度，减小了电感的体积，进而减小了带通滤波器芯片的尺寸，同时相对比于传统的金属螺旋电感，由于增大了电感的内径，上下两层叠层电感结构可具有更高的Q值，减小电路损耗。
在本发明的一个可选实施例中，本发明中涉及的第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、第七电容C7、第八电容C8均采用MIM平板电容，其电容量不超过4pf。MIM平板电容是由顶层金属，底层金属，以及顶层金属与底层金属之间加入一个中间绝缘层构成的，中间绝缘层可以但不限于为氮化硅中间绝缘层。这样通过薄膜件IPD技术加工出来的电容高集成度，减小了电容的体积，进而减小了带通滤波器芯片的尺寸。
在本发明的一个可选实施例中，本发明的滤波器芯片还包括第一接地通孔G1、第二接地通孔G2、第三接地通孔G3和第四接地通孔G4，其中第一接地通孔G1和第三接地通孔G3悬空设置，第二接地通孔G2和第四接地通孔G4接地设置。
本发明将第一接地通孔作为信号输入端口的测试接地端，形成信号-接地结构，解决了由于布版位置有限而无法小型化的问题，对比于传统的接地-信号-接地（G-S-G）结构，省下了一个接地端口的位置，节省了滤波器芯片体积，进一步达到芯片小型化的目的。
本发明将第三接地通孔作为信号输出端口的测试接地端，形成接地-信号-接地结构。
基于上述对滤波器芯片的详细描述，本发明提供了一种基于薄膜IPD技术的适用于N77频段的高选择性滤波器芯片，其结构包括4个集总电感和8个集总电容，所述滤波器所用元件数量少，降低了设计复杂度。并且滤波器芯片尺寸仅为1100um*570um，砷化镓衬底厚度100um，为保证芯片的合理使用，芯片边缘应预留40um的空白，则该滤波器尺寸为1180um*650um，具有极小的芯片尺寸，适用于5G小型化应用。
下面结合具体实例对本发明的滤波器性能进行分析说明。
本发明采用的各电感的参数值如下表1所示，各电容的参数值如下表2所示。
表1 电感参数值
L1 L2 L3 L4
3.21nh 1.755nh 1.916nh 1.58nh
表2 电容参数值
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8
0.61pf 0.465pf 0.436pf 0.541pf 2.67pf 3.2pf 1.32pf 1.525pf
如图7所示，为本发明实施例提供的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片的电磁仿真S参数曲线图；从图中可知，所述滤波器的通带频率在3.3-4.2GHz，在通带外低频处有两个明显的传输零点，分别位于1.786GHz以及2.649GHz，在通带高频处的传输零点位于5.257GHz，所述滤波器在2.73GHz位置处的抑制达-30db，在5.09GHz位置处的抑制达-30db，因此所述滤波器可得到较好的抑制以及频率选择性。
如图8所示，为图7通带部分的放大S参数曲线图；从图中可知，所述滤波器的通带最好损耗值为-1.6db@3.726GHz ，3db带宽点分别位于-3db@3.155GHz和-3db@4.27GHz，所述滤波器的3db相对带宽为29.73%。
基于上述性能分析可以得出，本实施例所提供的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片具有芯片尺寸小，电感Q值高，高选择性以及高抑制等优势。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，包括：
衬底，和设置在所述衬底上的高选择性IPD滤波器；
所述高选择性IPD滤波器包括信号输入端口、信号输出端口以及连接于所述信号输入端口和信号输出端口之间的电容电感谐振器网络；
所述电容电感谐振器网络包括由串联电容主路和并联谐振支路构成的第一谐振器、与第一谐振器串联并由串联电容主路和并联电感构成的第三谐振器、以及并联与第一谐振器和第三谐振器之间并由电容电感谐振支路构成的第二谐振器；
所述第一谐振器具体包括：
与信号输入端口连接的第一电容，与所述第一电容的另一端串联连接的第二电容，并联于所述第一电容和第二电容之间的第一电感，与所述第一电感的另一端串联连接的第五电容，所述第五电容的另一端接地；
所述第三谐振器具体包括：
与所述第二电容的另一端串联连接的第三电容，与所述第三电容的另一端串联连接的第四电容，并联于所述第三电容的两端的第三电感，所述第四电容的另一端与信号输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，所述第二谐振器具体包括：
串联连接的第六电容和第二电感，并联于所述第六电容和第二电感的两端的第七电容，与所述第六电容的另一端和第七电容的一端串联连接的第八电容，与所述第八电容的另一端串联连接的第四电感，所述第二电感的另一端和第七电容的另一端并联于所述第二电容和第三电容之间，所述第四电感的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，所述第一电感、第二电感、第三电感、第四电感均采用正多边形结构。
4.根据权利要求2或3所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，所述第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容均采用MIM平板电容。
5.根据权利要求1所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，还包括第一接地通孔、第二接地通孔、第三接地通孔和第四接地通孔，其中第一接地通孔和第三接地通孔悬空设置，第二接地通孔和第四接地通孔接地设置。
6.根据权利要求5所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，所述第一接地通孔作为信号输入端口的测试接地端，形成信号-接地结构。
7.根据权利要求5所述的适用于N77频段的高选择性IPD滤波器芯片，其特征在于，所述第三接地通孔作为信号输出端口的测试接地端，采用接地-信号-接地结构。
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