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制作方法

本发明涉及滤波器技术领域，具体而言，涉及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

背景技术：

硅基毫米波集成电路的发展已经成功地证明了片上系统的前景，一些新兴的射频应用也得以支持。传统的6ghz以下和新兴的毫米波收发机设计之间的一个主要区别是，通常采用倍频技术来产生所需的本振信号，从而可以以节能的方式产生毫米波信号源来支持上/下频率毫米波区域的转换。为了产生在毫米波范围内运行所需的本振源，倍频器是最基本的构建模块，其他更高阶的倍频器可以通过将多个倍频器级联在一起来实现。由于倍频的基本操作特性是利用有源器件的非线性特性，因此有效控制产生的有害谐波成为一个关键问题。如果不解决此问题，则系统完整性可能会严重下降。因此，必须在倍频器设计中采用适当的滤波解决方案，以确保可以在射频链中，尤其是在较高频段上，适当地控制所有不想要的谐波。

现有的应用在射频前端的滤波器技术中，具有以下缺陷：(1)基于图案接地或缺陷接地结构(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。(2)有源滤波器其中添加有源元件(例如晶体管)以补偿集成无源元件的损耗，然而，由于非线性问题，这些滤波器仅限于非常低的功率应用，与完全无源滤波器相比，它们表现出更高的噪声系数和受其更高温度敏感性影响的潜在不稳定性，并且由于固有频率，其传递函数中可能存在一些通带波纹活动阶段的依赖性。(3)用于高选择性设计的其他紧凑型滤波器技术，例如基于声波谐振器的滤波器，受到高带内插入损耗的限制，并且工作在射频频谱的较低区域(一般小于5ghz)。

技术实现要素：

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基于耦合线结构的具有mpg元件的片上毫米波带通滤波器种包括：mpg元件、接地环、传输线、第一电容以及第二电容；

其中，带通滤波器的输入端与所述传输线的一端相连，滤波器的输出端与所述传输线另一端相连；所述第一电容的一端与所述输入端相连，所述第一电容的另一端接地，所述第二电容的一端与带通滤波器的输出端相连，所述第二电容的另一端接地，且所述第一电容的电容值和第二电容的电容值相等；

所述传输线由第一t型传输线和第二t型传输线对称组成，通过耦合的方式进行能量传输；

所述mpg元件被第一t型传输线和第二t型传输线分成前后两个部，形成对称结构，且mpg元件和传输线通过耦合的方式进行能量传输；

所述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元件两侧，通过预设层金属层堆叠的方式实现。

进一步地，所述mpg元件由第一开路枝节和第二开路枝节构成，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，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。

进一步地，所述第一电容和第二电容通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层mim来实现，所述的传输线通过预设层结构的顶层的金属层tm2来实现。

进一步地，第一电容的电容值和第二电容的电容值相等为0.62pf。

进一步地，所述第一t型传输线的窄边宽度w1＝2μm，宽边宽度w2＝12μm，第二t型传输线和第一t型传输线物理尺寸相同，且第一t型传输线和第二t型传输线耦合线间距w3＝2μm，总长w4＝60μm。

进一步地，第一开路枝节宽度为w5＝32μm，长度为w6＝50μm，第二开路枝节和第一开路枝节物理尺寸相同，方向相反。

进一步地，所述接地环上半部分的环宽度w7＝8μm，接地环的宽度w4＝60μm，长度w8＝126μm，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：

本发明提供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，包括mpg元件、接地环、传输线和第一电容、第二电容。具体的，滤波器输入端与传输线一端相连，滤波器输出端与传输线另一端相连；第一电容一端与该输入端相连，第一电容另一端接地，第二电容一端与该输出端相连，第二电容另一端接地，两个电容的电容值相等。第一电容和第二电容采用预设层结构的金属-绝缘体-金属层mim，并向滤波器提供适当的外部耦合。传输线采用两个t型传输线耦合的结构通过预设层顶层金属层tm2实现，且两个t型耦合传输线将mpg元件分成前后两个部分，形成对称结构。接地环分为上下两部分采用金属层堆叠的方式围绕在传输线和mpg元件两侧。用于生成传输零点的mpg元件由第一开路枝节和第二开路枝节构成，分别位于预设层金属层tm1层和m5层，无需占用任何额外的芯片面积就可以在较高的阻带处产生传输零点，而不会对其他滤波器的性能指标产生不利地影响，通过改变mpg元件中开路枝节的横向长度及改变用来构造mpg金属层层数的方式可以有效的控制传输零点在阻带上的位置，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0.06×0.284mm²。

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；

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。如图1所示，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，包括：mpg元件、接地环、传输线和第一电容c1、第二电容c2；其中，所述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输入端port1与所述传输线的一端相连，所述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输出端port2与所述的传输线另一端相连；所述第一电容c1的一端与所述输入端port1相连，所述第一电容c1的另一端接地，所述第二电容c2的一端与所述输出端port2相连，所述第二电容c2的另一端接地，且所述第一电容c1的电容值和第二电容c2的电容值相等为0.62pf，所述第一电容c1和第二电容c2通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层mim来实现。

所述的传输线由第一t型传输线3和第二t型传输线4构成并通过耦合的方式进行能量传输，第一t型传输线3和第二t型传输线4通过预设层结构的顶层的金属层tm2刻画来实现，其中，第一t型传输线3的w1＝2μm，w2＝12μm，第二t型传输线4和第一t型传输线物理尺寸相同，且第一t型传输线和第二t型传输线耦合线间距w3＝2μm，总长w4＝60μm。

所述的mpg元件由第一开路枝节5和第二开路枝节6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＝32μm,长度为w6＝50μm，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。所述的mpg元件分被第一t型传输线3和第二t型传输线4分成前后两个部，形成对称结构。mpg元件可以生成一个传输零点，如果需要，也可以使用两层以上的层来实现更强的耦合。mpg元件可以通过顶层金属层tm2下面的层tm1、m5～m1为顶层金属层下面的层来实现，无需占用任何额外的芯片面积，更好的实现小型化设计。

所述的接地环(1，2)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，这里的堆叠就是两个接地环所有金属层都用到，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w4＝60μm，长度w8＝126μm，下半部分与上半部分物理尺寸相同且对称。

所述第一t型传输线的窄边宽度w1＝2μm，宽边宽度w2＝12μm，第二t型传输线和第一t型传输线物理尺寸相同，且第一t型传输线和第二t型传输线耦合线间距w3＝2μm，总长w4＝60μm。

第一开路枝节宽度为w5＝32μm，长度为w6＝50μm，第二开路枝节和第一开路枝节物理尺寸相同，方向相反。

所述接地环上半部分的环宽度w7＝8μm，接地环的宽度w4＝60μm，长度w8＝126μm，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。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。为了充分理解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c3并联网络。第一t型传输线和第二t型传输线被建模包含l2和lm的t型网络。由于第一t型传输线和第二t型传输线把mpg元件分成前后两个部，故而形成对称结构，进而可以采用奇偶模分析法对等效结构进行适当的分析，以从理论上预测滤波响应的主要特征。通过推导，传输零点的位置可由以下通过找到。

如图3所示，通过改变开路枝节横向长度w9值，可以有效地控制传输零点的位置，且对低频部分的影响很小。进而证明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在保持带内性能基本不变的情况下，可以控制传输零点在上阻带的位置。

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。在这个带内频率范围内观察到的微小偏差主要是由于简化集总单元模型中使用的所有组件都是无损的。对于上阻带，谐波抑制方面的差异主要是由于用于实现的金属条的质量因数有限，以及一些为简单起见未包含在电路模型中的小寄生电容。

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。测量的中心频率和em模拟的中心频率都出现在23ghz，其中所测量的滤波器的最小带内插入损耗为3.8db(即比em模拟的高出0.5db)。因此，电磁模拟结果与实测结果在带内频率响应方面有合理的一致性。电磁仿真还表明，该设计在40～67ghz范围内实现了大于30db的阻带抑制，而测量结果在37～67ghz范围内具有大于30db的阻带抑制(受所用矢量网络分析仪测量能力的限制)。电磁模拟和测量结果之间的微小差异以及在45ghz以上的测量结果中出现的一些波纹主要是由于g-s-g焊盘和测试环境造成的，电磁模拟中不包括这些因素过程。

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。