基于IPD工藝的微型化高通無反射濾波器的設(shè)計(jì)*

徐 珊，邢孟江，李小珍，張 磊，楊曉東

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504；2.昆明學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650214）

0 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，移動(dòng)終端設(shè)備向著微型化、高性能的目標(biāo)轉(zhuǎn)化大勢所趨，對(duì)其搭載的微波器件也提出了更高要求。濾波器是通信和無線系統(tǒng)射頻前端最重要的器件之一[1]。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無反射特性的電路，是通過阻帶把不希望通過的信號(hào)反射回輸入端。在大部分應(yīng)用中，這些反射回輸入端的信號(hào)會(huì)造成諸如互調(diào)產(chǎn)物、增益波動(dòng)等影響系統(tǒng)性能的問題。類似混頻器的非線性器件對(duì)帶外信號(hào)會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，且對(duì)阻帶的反射信號(hào)高度敏感[2-4]。為了消除濾波器阻帶中確實(shí)且普遍存在的反射信號(hào)，國內(nèi)外許多專家進(jìn)行了專門的研究[5-9]。2011年，美國國家射電天文臺(tái)科學(xué)家MatthewA. Morgan等首次提出無反射概念，提出了一種基于對(duì)稱電路設(shè)計(jì)無反射濾波器的理論，并在此理論基礎(chǔ)上采用PCB工藝設(shè)計(jì)了3 dB帶寬為188 MHz，帶外抑制60 dB，100 MHz時(shí)插入損耗1 dB的低通無反射濾波器[5]。2016年，韓國的Tae-Hak Lee和Boyoung Lee采用集總式表面貼裝器件（SMD）的方式，設(shè)計(jì)加工了中心頻率為95 MHz、3 dB帶寬為30 MHz的無反射帶通濾波器[6]。2018年，美國科羅拉多大學(xué)Dimitra Psychogiou等基于由帶通型和帶阻型信道組成的互補(bǔ)雙工器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了調(diào)頻范圍0.8～1.1 GHz、中心頻率為0.98 GHz、通帶插入損耗0.91 dB、0.55～1.45 GHz范圍內(nèi)回波損耗大于10 dB的帶通濾波器[7]。在國內(nèi)，2014年，電子科技大學(xué)秦巍巍等提出采用微帶線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種新型無反射帶通濾波器。該濾波器通帶中心頻率為3 500 MHz、3 dB帶寬為479 MHz、通帶內(nèi)插入損耗小于3 dB、通帶內(nèi)電壓駐波比小于2、帶外駐波比在很大頻率范圍內(nèi)小于3.5[8]。2015年，上海交通大學(xué)張程等利用耦合相消原理設(shè)計(jì)了一種調(diào)頻頻率為5.17～5.56 GHz的無反射可調(diào)帶阻濾波器，通帶內(nèi)插損值約為0.44 dB，阻帶范圍內(nèi)回波損耗大于10 dB，阻帶抑制15 dB[9]。

IP（Integrated Passive Device）技術(shù)具有高精度、高重復(fù)性、尺寸小、高可靠度及低成本等優(yōu)點(diǎn)，非常適合微型化無源器件的設(shè)計(jì)。IPD工藝與標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)相似，基于薄膜和照相平板印刷工藝，可以用Si、GaAs等作為基底。與標(biāo)準(zhǔn)的集成電路技術(shù)相比，它使用的材料和工藝流程更靈活，能提高無源器件的性能，使器件更利于高頻應(yīng)用[10-12]。

本文首次提出基于IPD工藝設(shè)計(jì)的高通無反射濾波器，濾波器3 dB截止頻率為2.58 GHz，帶內(nèi)插入損耗小于0.3 dB，帶外抑制大于14 dB，帶外吸收大于19.7 dB，具有很好的無反射特性，且尺寸僅為1 mm×1 mm×0.1 mm。

1 設(shè)計(jì)與分析

1.1 偶模和奇模分析

本文推導(dǎo)的濾波器基于奇模偶模分析得到。假設(shè)二端口網(wǎng)絡(luò)須是對(duì)稱的，如圖1所示，以方便后續(xù)濾波器的推導(dǎo)。當(dāng)同時(shí)向圖1中對(duì)稱的二端口網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)端口輸入幅度相同、相位相同的信號(hào)時(shí)，由于電流通過對(duì)稱面的方向不確定，可以認(rèn)為對(duì)稱平面一側(cè)與另一側(cè)之間沒有電流通過，稱為偶模；當(dāng)同時(shí)向圖1中兩個(gè)端口輸入幅度相同、相位180°異相的信號(hào)時(shí)，由于對(duì)稱平面上所有節(jié)點(diǎn)的電壓極性不確定，可以認(rèn)為它們相對(duì)地的電勢為零，稱為奇模?；诖耍刂鴮?duì)稱平面將二端口網(wǎng)絡(luò)分開，可得到兩個(gè)僅包含原二端口網(wǎng)絡(luò)一半元素的單端口網(wǎng)絡(luò)，稱對(duì)稱平面上所有節(jié)點(diǎn)開路的一半為偶模等效電路，所有節(jié)點(diǎn)短接到地的一半為奇模等效電路，如圖2所示。原二端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)可由偶模、奇模等效電路的反射系數(shù)表示，如式（1）和式（2）所示，其中Γeven表示偶模激勵(lì)下偶模等效電路單端口反射系數(shù)，Γodd表示奇模激勵(lì)下奇模等效電路單端口反射系數(shù)。

圖1 對(duì)稱二端口網(wǎng)絡(luò)

圖2 偶模、奇模等效電路

為了實(shí)現(xiàn)理想輸入匹配條件，令S11和S22都恒等于零，得到：

1.2 N階高通無反射濾波器拓?fù)?/h3>

由式（3）知，偶模歸一化輸入阻抗與奇模歸一化輸入導(dǎo)納相等。為滿足此條件，令偶模與奇模等效電路互為對(duì)偶（電容代替電感，串聯(lián)元件改為并聯(lián)元件）。

由式（4）知，原二端口網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)氖桥寄５刃щ娐分蟹瓷浠剌斎攵说男盘?hào)。為確保偶模電路反射高頻不反射低頻，將偶模等效電路設(shè)計(jì)為一端終止的低通濾波器原型，同時(shí)將奇模等效電路設(shè)計(jì)為低通濾波器原型的對(duì)偶形式，以此來滿足式（3）。用于推導(dǎo)高通無反射濾波器的對(duì)偶低通電路，如圖3所示。因?yàn)槊恳粚?duì)電容與電感之間互為對(duì)偶，可得拓?fù)鋱D中每個(gè)電容電感值都相等，等于歸一化元件值，用gk表示。

圖3 用于高通無反射濾波器推導(dǎo)的對(duì)偶低通電路

為了得到滿足如圖1、圖2所示的二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱條件，對(duì)圖3中的兩個(gè)電路在不改變電路特性的情況下做如圖4所示的拓?fù)渥儞Q。

圖4 滿足對(duì)稱條件變換后的對(duì)偶低通電路

（1）在偶模等效電路與對(duì)稱平面之間添加一個(gè)電容，由于此時(shí)對(duì)稱平面相當(dāng)于開路，添加的元件對(duì)電路沒有影響；

（2）交換偶模等效電路末端相互串聯(lián)的電感、電阻順序；

（3）從（2）中串聯(lián)的電感、電阻共同節(jié)點(diǎn)處，引一根連接到對(duì)稱平面的導(dǎo)線；

（4）將奇模等效電路中第一個(gè)并聯(lián)電容和末端輸出電阻由實(shí)接地變?yōu)樘摻拥兀?/p>

（5）在奇模等效電路實(shí)接地與虛接地之間添加一個(gè)電感，由于電感兩端接地，添加的元件對(duì)電路沒有影響。

1.3 3階高通無反射濾波器電路

對(duì)圖3進(jìn)行適當(dāng)整理，得到3階高通無反射濾波器，如圖5所示。

圖53 階高通無反射濾波器

該濾波器傳輸零點(diǎn)ωZ由式（6）得出，其中波紋系數(shù)ε=0.192 5，|H(jω)|為濾波器傳遞函數(shù)幅值，TN(ω)是N階切比雪夫多項(xiàng)式：

歸一化元件值gk、電容值C、電感值L可確定：

將插入損耗IL=3 dB、階數(shù)N=3、特征阻抗Z0=50Ω和截止頻率f0=2.58 GHz代入公式，計(jì)算得到gk值為0.657 3，電容值為1.877 0 pF，電感值 為 4.692 5 nH， 即C1=C2=C3=C4=1.877 0 pF，L1=L2=L3=L4=4.692 5 nH，R=50 Ω。

2 濾波器的三維建模及仿真

按照?qǐng)D5的3階高通無反射濾波器電路中各元件的值，建立基于IPD工藝的HFSS模型，電感選擇平面螺旋電感，電容采用MIM（金屬-絕緣介質(zhì)-金屬）電容，采用Si3N4作為介質(zhì)材料，相對(duì)介電常數(shù)為7，銅作為導(dǎo)體，濾波器的整體尺寸為1 mm×1 mm×0.1 mm。設(shè)計(jì)的濾波器的三維結(jié)構(gòu)，如圖6所示，G表示接地端，S表示激勵(lì)端，L表示電感，C表示電容，R表示電阻。在此三維結(jié)構(gòu)中，四個(gè)電感均勻分布在芯片的四個(gè)象限中，縮小了濾波器體積，有利于微型化。為得到高Q值，設(shè)計(jì)的平面螺旋電感的線寬稍稍大于線間距，且采用高阻硅作襯底，襯底高度100 μm。模型采用通孔接地的方式，減小了寄生電容的影響。

圖6 三階高通無反射濾波器三維結(jié)構(gòu)

分別用ADS和HFSS對(duì)高通無反射濾波器電路圖和基于IPD工藝的三維結(jié)構(gòu)仿真，得到的回波損耗（S11）與插入損耗（S21）如圖7所示。

圖73 階高通無反射濾波器

仿真結(jié)果表1顯示了ADS與HFSS幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的仿真結(jié)果對(duì)比，其中1.66 GHz是HFSS模型中的帶外傳輸零點(diǎn)。對(duì)比顯示，較于其他幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值，帶外吸收最小值這一項(xiàng)差別較大。兩個(gè)仿真結(jié)果存在偏差的原因是電容電感的寄生效應(yīng)和耦合以及它們與地之間生成的寄生電容。雖然理想元件模型在所有頻率下有無限輸入回波損耗，但是實(shí)際元件的寄生會(huì)導(dǎo)致有限反射系數(shù)。由圖6可以看出，濾波器帶內(nèi)插入損耗小于0.3 dB，帶外吸收大于19.7 dB，帶外抑制大于14 dB?？梢?，本文設(shè)計(jì)的濾波器符合設(shè)計(jì)初衷，驗(yàn)證了基于IPD工藝設(shè)計(jì)高通無反射濾波器的可行性。

表1 ADS與HFSS關(guān)鍵參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

3 結(jié) 語

本文利用對(duì)稱且對(duì)偶的二端口網(wǎng)絡(luò)分析，基于IPD工藝，在高阻硅襯底上設(shè)計(jì)了一款三階高通無反射濾波器。分別用ADS及HFSS軟件仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的基于IPD工藝的高通無反射濾波器的可行性。濾波器截止頻率為2.58 GHz，通帶最小插入損耗小于0.18 dB，帶外抑制大于14 dB，帶外吸收大于19.7 dB，尺寸僅為1 mm×1 mm×0.1 mm。該濾波器設(shè)計(jì)方法簡單，易于單片集成。以上數(shù)據(jù)表明，本文中的濾波器非常適合微型化、對(duì)反射信號(hào)高度敏感的器件，可為后續(xù)無反射濾波器的設(shè)計(jì)提供參考。