CN115694394A - 一种适用于wifi 5g频段的ipd带通滤波器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片，包括基底以及设置于基底上的IPD带通滤波器电路，IPD带通滤波器电路包括输入端口、输出端口以及连接于所述输入端口与所述输出端口之间的电容电感谐振器网络，电容电感谐振器网络包括了4个集总电感和10个集总电容，所用元件数量少，降低了设计复杂度。本发明提供了一种设计简单、具有高频率选择性及良好的带外抑制性能的集总带通滤波器芯片，芯片尺寸小，厚度薄，电感Q值高，插损小。

Description

一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片

技术领域

本发明属于射频及集成电路技术领域，具体涉及一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片的设计。

背景技术

随着WIFI通信系统的迅速发展与广泛应用，802.11ac采用了工作频率5GHz的芯片，能同时覆盖5GHz和2.4GHz两大频段。除了更快，它还能改善无线信号覆盖范围小的问题，虽然5GHz比2.4GHz更难直接绕过障碍物，但由于覆盖范围更大，考虑到信号会产生折射，新标准反而会更容易使各个角落都能收到信号；其中WIFI 5G频段的滤波器起着重要作用，常规终端中使用的滤波器芯片的加工工艺有多种，其中加工工艺主要有声表面波滤波器（简称SAW）和体声波滤波器（简称BAW）。但是一般SAW和BAW滤波器在工作频率上有一定局限性，当工作频率高于3GHz时，频率选择性将会大大降低。

目前，集成性和微型化是通讯设备发展的重要驱动因素，这在许多消费类电子设备中尤为关键，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WIFI 5G（5.15GHz~5.85GHz）频段，IPD滤波器除具有宽带大的优点外，还具有体积小、插入损耗低、热导率较好、带外衰减较大、功率容量较大、结构简单、灵活性好、易于集成、成本较低等优点。且由于采用CMOS工艺进行制造,在大规模生产时其成本优势明显，IPD滤波器主要应用在大宽带、高频段、对带外衰减要求不高的场景中。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的SAW和BAW滤波器在工作频率上有一定局限性，当工作频率高于3GHz时，频率选择性将会大大降低的问题，提出了一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片。

本发明的技术方案为：一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片，包括基底以及设置于基底上的IPD带通滤波器电路，IPD带通滤波器电路包括输入端口、输出端口以及连接于输入端口与输出端口之间的电容电感谐振器网络；输入端口用于接收输入的信号，电容电感谐振器网络用于通过5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号，并对5.15GHz~5.85GHz频率范围以外的信号进行抑制，输出端口用于输出经电容电感谐振器网络处理后处于5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号。

进一步地，电容电感谐振器网络包括第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，第一谐振器的输入端与输入端口连接，其输出端与第二谐振器的输入端连接，第二谐振器的输出端与第三谐振器的输入端连接，第三谐振器的输出端与输出端口连接。

进一步地，第一谐振器包括电容C1，电容C1的一端作为第一谐振器的输入端，其另一端分别与电感L1的一端以及电容C3的一端连接，电感L1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端通过接地通孔G1接地，电容C3的另一端作为第一谐振器的输出端。

进一步地，第二谐振器包括电容C4和电感L2，电容C4的一端和电感L2的一端连接，并作为第二谐振器的输入端，电容C4的另一端分别与电感L2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端以及电感L3的一端连接，电容C5的另一端通过接地通孔G2接地，电容C6的另一端分别与电感L3的另一端以及电容C7的一端连接，并作为第二谐振器的输出端，电容C7的另一端通过接地通孔G3接地。

进一步地，第三谐振器包括电容C8，电容C8的一端作为第三谐振器的输入端，其另一端分别与电容C9的一端以及电容C10的一端连接，电容C9的另一端与电感L4的一端连接，电感L4的另一端通过接地通孔G4接地，电容C10的另一端作为第三谐振器的输出端。

进一步地，电容C1~C10均为MIM平板电容，其电容量均不超过4pf。

进一步地，电感L1~L4均采用薄膜IPD技术在基底上生成，并且由上下两层叠层金属层构成，在两层金属交接的位置通过金属通孔连接，其电感量均不超过4nH。

进一步地，接地通孔G1~G4均通过VIA连接到基底下方的地上。

进一步地，基底采用厚度为100μm的砷化镓化合物材料。

进一步地，输入端口采用信号-接地结构，输出端口采用接地-信号-接地结构。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种设计简单、具有高频率选择性及良好的带外抑制性能的集总带通滤波器芯片，芯片尺寸小，厚度薄，电感Q值高，插损小。

（2）本发明的IPD带通滤波器电路仅包括4个集总电感和10个集总电容，所用元件数量少，降低了设计复杂度。

（3）本发明中的电感均采用薄膜IPD技术加工得到，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，可具有更高的Q值，减小了电路损耗。

（4）本发明中的电容均采用MIM平板电容，具有高集成度，减小了电容的体积，进而减小了带通滤波器芯片的尺寸。

（5）本发明中输入端口采用信号-接地结构，对比于传统的接地-信号-接地结构，省下了一个接地端口的位置，节省了芯片体积，进一步达到芯片小型化的目的。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片电路原理图。

图2所示为本发明实施例提供的一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片三维电路结构示意图。

图3所示为本发明实施例提供的第一谐振器效果示意图。

图4所示为本发明实施例提供的第二谐振器效果示意图。

图5所示为本发明实施例提供的第三谐振器效果示意图。

图6所示为本发明实施例提供的适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片的电磁EM仿真S参数曲线图。

图7所示为本发明实施例提供的图6通带部分的放大S参数曲线图。

附图标记说明：1-输入端口、2-输出端口。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片，包括基底以及设置于基底上的IPD带通滤波器电路，IPD带通滤波器电路包括输入端口1、输出端口2以及连接于输入端口1与输出端口2之间的电容电感谐振器网络。

其中，输入端口1用于接收输入的信号，电容电感谐振器网络用于通过5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号，并对5.15GHz~5.85GHz频率范围以外的信号进行抑制，输出端口2用于输出经电容电感谐振器网络处理后处于5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号。

如图1所示，电容电感谐振器网络包括第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，第一谐振器的输入端与输入端口1连接，其输出端与第二谐振器的输入端连接，第二谐振器的输出端与第三谐振器的输入端连接，第三谐振器的输出端与输出端口2连接。

如图1和图2共同所示，第一谐振器包括电容C1，电容C1的一端作为第一谐振器的输入端，其另一端分别与电感L1的一端以及电容C3的一端连接，电感L1的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端通过接地通孔G1接地，电容C3的另一端作为第一谐振器的输出端。

第一谐振器由两个串联电容C1和C3中间添加并联支路，并联支路为电感L1和电容C2串联后到地；由于电容自身具有通高频阻低频的特性，所以第一谐振器最终会产生一个高通加陷波零点的作用，第一谐振器在2.7GHz附近产生一个零点，效果如图3所示。

如图1和图2共同所示，第二谐振器包括电容C4和电感L2，电容C4的一端和电感L2的一端连接，并作为第二谐振器的输入端，电容C4的另一端分别与电感L2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端以及电感L3的一端连接，电容C5的另一端通过接地通孔G2接地，电容C6的另一端分别与电感L3的另一端以及电容C7的一端连接，并作为第二谐振器的输出端，电容C7的另一端通过接地通孔G3接地。

第二谐振器中电感L2与电容C4并联，电感L3与电容C6并联，第二谐振器在7GHz与8.8GHz附近产生两个传输零点，效果如图4所示。

如图1和图2共同所示，第三谐振器包括电容C8，电容C8的一端作为第三谐振器的输入端，其另一端分别与电容C9的一端以及电容C10的一端连接，电容C9的另一端与电感L4的一端连接，电感L4的另一端通过接地通孔G4接地，电容C10的另一端作为第三谐振器的输出端。

第三谐振器由两个串联电容C8和C10中间添加并联支路，并联支路为电感L4和电容C9串联后到地，由于电容自身具有通高频阻低频的特性，同样第三谐振器会产生一个高通加陷波零点的作用，第三谐振器在4.2GHz附近产生一个零点，效果如图5所示。

本发明实施例中，第一谐振器和第三谐振器中的并联支路可以形成一个带阻陷波点，通过调节电容电感值，控制该陷波点的位置在通带高频带外，同时调节与之并联到地电容，可将高频信号引入地，从而最终形成一个低通加带阻陷波点的波形。

本发明实施例中，电容C1~C10均为MIM平板电容，其电容量均不超过4pf，各个电容的具体参数设置如表1所示。

表1

电容

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

C10

参数值

0.44pf

1.18pf

0.2pf

0.52pf

0.66pf

0.43pf

1.18pf

1.53pf

1.18pf

1.53pf

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MIM平板电容具有高集成度，减小了电容的体积，进而减小了带通滤波器芯片的尺寸。

本发明实施例中，电感L1~L4均采用薄膜IPD技术在基底上生成，并且由上下两层叠层金属层构成，在两层金属交接的位置通过金属通孔连接，其电感量均不超过4nH，各个电感的具体参数设置如表2所示。

表2

电感	L1	L2	L3	L4
					参数值	2.6nH	0.974nH	0.758nH	2.6nH

如图2所示，本发明实施例中，电感L1~L4的形状优选为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八边形，也可以是四边形、六边形等多边形结构。本发明实施例中，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，可具有更高的Q值，减小电路损耗。

本发明实施例中，基底采用厚度为100μm的砷化镓化合物材料，根据实际封装需求也可选择其他不同厚度的基底材料。

本发明实施例中，接地通孔G1~G4均通过VIA连接到基底下方的地上，其中输入端口1采用信号-接地（S-G）结构，输出端口2采用接地-信号-接地（G-S-G）结构，这样省下了一个接地端口的位置，节省了芯片体积，进一步达到芯片小型化的目的。

本发明实施例中，IPD带通滤波器芯片尺寸仅为1400μm*660μm，同时厚度仅有100μm，具有极小的芯片尺寸，适用于5G小型化应用。

如图6所示为本发明实施例提供的适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片的电磁EM仿真S参数曲线图，从图6中可知，滤波器的通带频率在5.15G-5.85GHz，在通带外低频处存在两个传输零点，分别位于2.7GHz以及4.2GHz，在通带高频处的传输零点位于7GHz与8.8GHz处，滤波器在2.7GHz位置处的抑制达-50dB，在4.2GHz位置处的抑制达-33dB，在7GHz位置处的抑制达到了-27dB，在8.8GHz处的抑制达到了-48dB，因此该滤波器可得到较好的抑制以及频率选择性。

图7是图6通带部分的放大S参数曲线图，从图7中可知，滤波器的通带最好损耗值为-1.8dB@5.5GHz ，滤波器的3dB相对带宽为31%。

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 (10)

1.一种适用于WIFI 5G频段的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，包括基底以及设置于基底上的IPD带通滤波器电路，所述IPD带通滤波器电路包括输入端口（1）、输出端口（2）以及连接于所述输入端口（1）与所述输出端口（2）之间的电容电感谐振器网络；所述输入端口（1）用于接收输入的信号，所述电容电感谐振器网络用于通过5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号，并对5.15GHz~5.85GHz频率范围以外的信号进行抑制，所述输出端口（2）用于输出经所述电容电感谐振器网络处理后处于5.15GHz~5.85GHz频率范围内的信号。

2.根据权利要求1所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述电容电感谐振器网络包括第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，所述第一谐振器的输入端与输入端口（1）连接，其输出端与第二谐振器的输入端连接，所述第二谐振器的输出端与第三谐振器的输入端连接，所述第三谐振器的输出端与输出端口（2）连接。

3.根据权利要求2所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述第一谐振器包括电容C1，所述电容C1的一端作为第一谐振器的输入端，其另一端分别与电感L1的一端以及电容C3的一端连接，所述电感L1的另一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端通过接地通孔G1接地，所述电容C3的另一端作为第一谐振器的输出端。

4.根据权利要求3所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述第二谐振器包括电容C4和电感L2，所述电容C4的一端和电感L2的一端连接，并作为第二谐振器的输入端，所述电容C4的另一端分别与电感L2的另一端、电容C5的一端、电容C6的一端以及电感L3的一端连接，所述电容C5的另一端通过接地通孔G2接地，所述电容C6的另一端分别与电感L3的另一端以及电容C7的一端连接，并作为第二谐振器的输出端，所述电容C7的另一端通过接地通孔G3接地。

5.根据权利要求4所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述第三谐振器包括电容C8，所述电容C8的一端作为第三谐振器的输入端，其另一端分别与电容C9的一端以及电容C10的一端连接，所述电容C9的另一端与电感L4的一端连接，所述电感L4的另一端通过接地通孔G4接地，所述电容C10的另一端作为第三谐振器的输出端。

6.根据权利要求5所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述电容C1~C10均为MIM平板电容，其电容量均不超过4pf。

7.根据权利要求5所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述电感L1~L4均采用薄膜IPD技术在基底上生成，并且由上下两层叠层金属层构成，在两层金属交接的位置通过金属通孔连接，其电感量均不超过4nH。

8.根据权利要求5所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述接地通孔G1~G4均通过VIA连接到基底下方的地上。

9.根据权利要求1所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述基底采用厚度为100μm的砷化镓化合物材料。

10.根据权利要求1所述的IPD带通滤波器芯片，其特征在于，所述输入端口（1）采用信号-接地结构，所述输出端口（2）采用接地-信号-接地结构。

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