一种适用于微波频段的宽带高选择性IPD滤波器芯片

一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片
技术领域
1.本发明涉及微波传输及集成电路领域，特别涉及一种无源射频滤波器芯片，尤其涉及一种适用于微波频段的宽带高选择性集成无源器件(integrated passive device,ipd)滤波器芯片。


背景技术：

2.随着移动通信发展到5g时代，通信市场对射频器件的需求量显著增加，同时对精确度和性能的要求也越来越高，而传统的pcb工艺滤波器通常封装体积较大，性能精度较低，已经逐渐难以适应当下的主流需求。
3.为此，如何提供一种能够在提高芯片成片的性能的同时减小元件封装体积的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，以克服传统技术的缺陷，使其适用于微波频段宽，且具有宽带高选择性，在能够提高器件性能的同时减小元件封装体积，将器件集成度提高到芯片级别。
5.本发明的技术方案如下：
6.根据本发明的一方面，提供一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，所述ipd滤波器芯片包括衬底和制备在所述衬底上的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器，该ipd滤波器包括：
7.至少四组串联电容电感谐振器，所述至少四组串联电容电感谐振器形成十字形连接结构，所述至少四组串联电容电感谐振器中的第一组串联电容电感谐振器和第二组串联电容电感谐振器连接所述十字形连接结构的中心连接点并在第一方向上位于所述中心连接点的两侧，所述至少四组串联电容电感谐振器中的第三组串联电容电感谐振器和第四组串联电容电感谐振器连接所述十字形连接结构的中心连接点并在与第一方向交叉的第二方向上位于所述中心连接点的两侧；
8.第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器；以及
9.第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口采用接地-信号-接地(gsg)结构；
10.所述第一并联电容电感谐振器连接第一端口，所述第二并联电容电感谐振器连接第二端口。
11.在本发明一些实施例中，各组串联电容电感谐振器包括串联的电容和电感，所述第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器各包括并联的电容和电感；所述第一组串联电容电感谐振器经所述第一并联电容电感谐振器连接所述第一端口，所述第二组串联电容电感谐振器经所述第二并联电容电感谐振器连接所述第二端口。
12.在本发明一些实施例中，所述至少四组串联电容电感谐振器形成的十字形连接结构为对称结构；第一端口处的所述第一并联电容电感谐振器和第二端口处的第二并联电容
电感谐振器呈中心对称结构。
13.在本发明一些实施例中，所述第一串联电容电感谐振器的电容和电感与所述第二串联电容电感谐振器的电容和电感彼此相等；所述第三串联电容电感谐振器的电容和电感与所述第四串联电容电感谐振器的电容和电感彼此不相等；所述第一并联电容电感谐振器的电容和电感与所述第二并联电容电感谐振器的电容和电感彼此相等。
14.在本发明一些实施例中，所述第一组串联电容电感谐振器包括第一电容和第一电感，所述第二组串联电容电感谐振器包括第二电容和第二电感，所述第一组串联电容电感谐振器和所述第二组串联电容电感谐振器用于选择所述ipd滤波器的中心频率；所述第三组串联电容电感谐振器包括第三电容和第三电感，所述第四组串联电容电感谐振器包括第四电容和第四电感，所述第三电容和所述第四电容接地，所述第三组串联电容电感谐振器和所述第四组串联电容电感谐振器用于调节通带外侧传输零点的位置；所述第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器用于增强阻带抑制。
15.在本发明一些实施例中，所述ipd滤波器芯片中的元件大小和线路宽度为微米量级。
16.在本发明一些实施例中，所述ipd滤波器芯片适用于1ghz到10ghz频段之间的频段范围，各谐振器的电感值在0.1nh到10nh之间，电容值在0.1pf到10pf之间。
17.在本发明一些实施例中，在所述衬底上，所述ipd滤波器芯片外围设置有封闭的接地金属框，所述接地金属框连接所述第一端口和第二端口的接地端以及连接第三组串联电容电感谐振器和第四组串联电容电感谐振器的接地端。
18.在本发明一些实施例中，所述ipd滤波器中的元件和线路通过在衬底上沉积生长多层金属-半导体-金属-半导体堆叠结构而形成。
19.在本发明一些实施例中，所述衬底为gaas衬底。
20.本发明实施例的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，具有宽带高选择性的特点，且尺寸小、选择性高、通带内阻抗匹配良好、通带能量损耗小。在能够提高器件性能的同时减小元件封装体积，将器件集成度提高到芯片级别。
21.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
22.本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
24.图1为本发明一实施例中一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片的电路芯片版图。
25.图2为本发明一实施例中一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片的版图仿真结果图。
26.图3为本发明一实施例中一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片的电路原理示意图。
27.附图标记说明：
28.1：接地金属；c1：第一电容；c2：第二电容；
29.c3：第三电容；c4：第四电容；c5：第五电容；
30.c6：第六电容；l1：第一电感；l2：第二电感；
31.l3：第三电感；l4：第四电感；l5：第五电感；
32.l6：第六电感；g：接地端；s：信号端。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
34.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
35.为了解决传统的pcb工艺滤波器存在的封装体积较大、性能精度较低等的问题，本发明提供了一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片。该芯片可以采用gaas衬底或其他半导体材料的衬底，通过在衬底上沉积生长多层薄膜金属，来制作电容、电感、传输线等电路元件。本发明用ipd工艺实现的宽带高选择性微波滤波器芯片具有尺寸小、选择性高、通带内阻抗匹配良好和通带能量损耗小等特点。
36.下面结合示例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。
37.图1所示为本发明一种适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片的电路版图。如图1所示的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片包括：衬底和制备在所述衬底上的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器，该宽带高选择性ipd滤波器包括位于芯片中心的四组串联电容电感谐振器和芯片两侧各一组并联电容电感谐振器。
38.这四组串联电容电感谐振器形成十字形连接结构，这四组串联电容电感谐振器中的第一组串联电容电感谐振器和第二组串联电容电感谐振器连接十字形连接结构的中心连接点并在第一方向(如水平方向)上位于中心连接点的两侧，第三组串联电容电感谐振器和第四组串联电容电感谐振器连接十字形连接结构的中心连接点并在与第一方向交叉的第二方向(如与水平方向垂直的竖直方向)上位于所述中心连接点的两侧。在本发明实施例中，各组串联电容电感谐振器包括串联的电容和电感，例如，第一组串联电容电感谐振器包括串联的第一电容c1和第一电感l1，第二组串联电容电感谐振器包括串联的第二电容c2和第二电感l2，第三组串联电容电感谐振器包括串联的第三电容c3和第三电感l3，第四组串联电容电感谐振器包括串联的第四电容c4和第四电感l4。在本发明一实施例中，所述第一组串联电容电感谐振器经所述第一并联电容电感谐振器连接所述第一端口，所述第二组串联电容电感谐振器经所述第二并联电容电感谐振器连接所述第二端口；第一组串联电容电感谐振器和第二组串联电容电感谐振器用于选择所述ipd滤波器的中心频率；第三电容c3和第四电容c4接地，第三组串联电容电感谐振器和第四组串联电容电感谐振器用于调节通带外
侧传输零点的位置。
39.位于芯片两侧的两组并联电容电感谐振器分别为第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器；第一并联电容电感谐振器包括并联的第五电容c5和第五电感l5，第二并联电容电感谐振器各包括并联的第六电容c6和第六电感l6。第一并联电容电感谐振器连接第一端口，第二并联电容电感谐振器连接第二端口。第一端口和第二端口均采用接地-信号-接地(gsg)结构。在本发明实施例中，如图1所示，第一端口和第二端口位于芯片两侧。本发明一些实施例中，第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器还用于增强阻带抑制。
40.串联电容电感谐振器能让谐振频率处的信号通过，阻挡别的频率的信号，所以这里第一组和第二组串联电容电感谐振器位于连接第一端口和第二端口的主路上，为了是选择中心频率，让中心频率的信号能从第一端口通过第一组和第二组谐振器到达第二端口，同时抑制阻带的信号，第三组和第四组串联电容电感谐振器接地，就是为了将阻带信号导入到地而无法从第一端口到达第二端口。
41.ipd滤波器芯片外围可设置有封闭的接地金属框，如长方形接地金属边框，芯片两侧的第一端口和第二端口均采用接地-信号-接地(gsg)的信号输入输出模式，其中接地端与接地金属边框连接，以便于元件线路的接地操作。在本发明实施例中长方形接地金属边框仅为示例，也可以是其他形状的接地金属框。当然，也可以不设置封闭的接地金属框，可以在需要接地的位置设置接地电极。
42.在本发明一些实施例中，四组串联电容电感谐振器形成的十字形连接结构为位置对称的对称结构。作为一个示例，第一组串联电容电感谐振器和第二组串联电容电感谐振器是以十字形连接结构的中心连接点为对称中心的中心对称结构，第三组串联电容电感谐振器和第四组串联电容电感谐振器也是以十字形连接结构的中心连接点为对称中心的中心对称结构，在此，所说的中心对称，是指对应串联电容电感谐振器的彼此对应的元件或其他结构位置对称，而并不要求各元件细微结构严格对称，例如，并不要求彼此对应的电感线圈的缠绕方向为中心对称。此外，对称结构中元件的参数值可能相等也可能不相等。以图1为例，l1和l2的电感值相等，c1和c2的电容值相等，l1,c1,l2,c2四个器件组成的两组谐振器用来控制整个滤波器的中心频率。l3,c
3 l4,c4四个器件组成的两组谐振器分别对应通带外侧左右各一个传输零点，用来调节传输零点，l3和l4的电感值不相等，c3和c4的电容值也不相等。基于图1的电路图，ipd滤波器的工作带宽可以通过预先调节l3、c3和l4、c4两组谐振器的电容和电感值大小来调节传输零点的位置，从而改变工作带宽的大小。
43.在本发明一些实施例中，第一端口处的第一并联电容电感谐振器和第二端口处的第二并联电容电感谐振器呈中心对称结构。在此，所说的中心对称，是指第一并联电容电感谐振器和第二并联电容电感谐振器的彼此对应的元件或其他结构参数相等、位置对称，而并不要求各元件的细微结构严格对称，例如，并不要求彼此对应的电感线圈的缠绕方向为中心对称。在本发明实施例中，l5和l6的电感值相等，c5和c6的电容值相等，这两组并联谐振器在两侧端口处呈中心对称分布，用来进一步增强阻带抑制效果。
44.虽然在图1中示出了如上所示的对称结构，但本发明并不限于图1的电路形式，图3给出了本发明另一实施例中ipd滤波器芯片的电路原理示意图，图3所示的电路图中，四组串联电容电感谐振器形成的十字形连接结构可以不是对称各，同样，两组并联电容电感谐
振器也可以不是对称结构。
45.此外，图1和图3中，虽然仅示出了4组串联电容电感谐振器，但本发明并不限于此，还可以由更多组串联电容电感谐振器形成十字形连接结构，在这种情况下，十字形连接结构的各个线路上可以有一组以上的串联电容电感谐振器。同样，连接在芯片两侧各个端口处的并联电容电感谐振器也可以有一个或多个。
46.在图1所示的电路图中，第一电感l1和第二电感l2是两个内部直径(以下简称内径)为150um，宽度和间隔都是15um，圈数为4.5的环形电感，具体可以为圆环形；第一电容c1和第二电容c2是两个宽32um的方形电容；第三电感l3和第四电感l4是两个内径为100um，宽度和间隔都是15um，圈数为3.5的环形电感；第三电容c3是一个宽40um的方形电容；第四电容c4是一个宽69um的方形电感；第五电感l5和第六电感l6是两个内径为150um，宽度和间隔都是15um，圈数为2.5的环形电感；第五电容c5和第六电容c6是两个宽60um的方形电容。芯片外围是上下宽75um，左右宽195um的长方形边框接地金属，左右两侧分别有一个gsg信号输入输出端口。在探针台测试的时候，接地端口(g端口)和外围接地金属相连接，信号端口(s端口)和两侧各一个长75um宽55um的长方形金属盘相连。可以看出，ipd滤波器中的元件大小和线路宽度为微米量级。得益于ipd工艺优势，整个芯片大小可以做到只有2.74mm*1.22mm。
47.可以通过调试谐振器中各个电容电感值的大小来控制谐振频率，从而控制工作频率。本发明的宽带高选择性ipd滤波器芯片可以设计在1ghz到10ghz频段之间的频段范围内，所以电感值可以在0.1nh到10nh之间，电容值可以在0.1pf到10pf之间，这些电容电感值对于ipd工艺来说，就是通过调节电感的圈数、宽度、间隔和调节电容的长宽来实现。在此给出的频段范围、电容和电感范围仅为示例，超出给定的范围的频段、电容和电感值也是可以实现的，本发明并不限于此。
48.本发明实施例可采用薄膜集成无源器件(tfipd)技术加工制作，其工艺流程包括沉积、钝化、刻蚀、抛光等等先进的半导体加工技术，可以以介电常数为12.85的gaas作为衬底材料，在gaas衬底上制作多层金属-半导体-金属-半导体堆叠结构，来制作电容、电感、传输线等电路元件，即在gaas(砷化镓)衬底上加工多层金属，采用刻蚀、沉积等工艺改变金属层的几何形状，从而可以加工小型化mim(金属注射成形)电容、螺旋电感、传输线、耦合线等结构，加工工艺精确到微米量级，一方面提高了芯片成片的性能，另一方面减小了元件封装体积，将器件集成度提高到芯片级别；其能够满足现有通信市场对射频芯片小型化和集成化的要求。除了gaas衬底之外，本发明也可以在其它衬底上沉积生长多层薄膜金属，来制作ipd滤波器的电容、电感、传输线等电路元件。本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，也可以用其它工艺来加工制作这些电容电感，例如采用低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic，ltcc)工艺等上加工多层金属，采用刻蚀、沉积等工艺改变金属层的几何形状，从而加工出电容、螺旋电感等器件，加工工艺可以精确到微米量级，能够满足当下通信市场对射频芯片小型化和集成化的要求。
49.图2为图1所示的宽带高选择性ipd滤波器芯片的仿真结果。图2中显示滤波器的中心频率是3.44ghz，3db带宽从2.97ghz到3.91ghz，相对带宽为27.82％。通带内回波损耗低于-17db，带内阻抗匹配效果良好。通带左侧的传输零点在2.52ghz处，通带右侧的传输零点在4.38ghz，带外抑制最小值在4.62ghz处为-34.5db，带外平均抑制在-50db左右，抑制效果十分出色。由此可以看出本发明ipd滤波器工作带宽很宽、通带部分的回波损耗很小，带内
阻抗匹配效果优秀，同时通过在通带两侧各引入一个传输零点，实现了迅速抑制带外信号的功能。
50.本发明实施例可以通过调节第三电感l3、第三电容c3和第四电感l4、第四电容c4两组谐振器的电容电感值大小调节传输零点的位置，来改变ipd滤波器的工作带宽的大小。传输零点可参见图2中s
21
在2.5ghz、4.5ghz和6ghz处的若干尖锐点，图2中，0db表示100％，-10db表示10％，-20db表示1％，-30db表示0.1％。s
21
是插入损耗，表示从第一端口1到达第二端口2的能量，回波损耗s
11
表示在第一端口1处反射回来的能量，传输零点为s
21
值很小、s
11
值很大的频率点。本发明实施例中，中心十字型部分结构具有一定带外抑制效果，大概为-25db左右，然后通过引入第五电容c5、第五电感l5和第六电容c6、第六电感l6后，进一步加强了带外抑制效果。如图2所示，带外抑制最低为-34.5db在4.62ghz处，同时10ghz以下的带外抑制平均值在-50db，带外抑制性能十分优秀。以滤波器电路中包含第五电容c5和第五电感l5的并联电容电感谐振器为例，其有阻抗匹配效果，当滤波器电路在端口处和端口50ω的阻抗相等(也称为匹配)时，电信号就能通过滤波器电路从第一端口1到达第二端口2，反之在阻带处，滤波器电路和端口阻抗不匹配，那么信号在第一端口1处反射回来，无法通过滤波器电路，也就无法将电信号传到第二端口2，这也是滤波器的工作原理，回波损耗(在图2中就是s
11
)小表示反射的能量少，通过的能量多，回波损耗大表示反射的能量大，通过的能量少。
51.此外，本发明在保证优秀的带外抑制的同时，通带内插入损耗在3.41ghz处有-1.36db的优秀峰值，通带内回波损耗低于-17db，匹配效果优秀，通带能量损失很小。
52.图1对应的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，具有如下优势：
53.1、本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片使用了tfipd(薄膜集成无源器件)技术，使得芯片尺寸可以做到仅为2.74mm
×
1.22mm，相比于传统pcb板材传输线滤波器，本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片更加小型化和集成化；
54.2、本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，其工作带宽很宽，其中心频率可以为3.44ghz，3db带宽可以从2.97ghz至3.91ghz，相对带宽可以为27.82％；
55.3、本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，其通带内插入损耗在3.41ghz处有-1.36db的优秀峰值，其通带内回波损耗低于-17db，匹配效果十分优秀，其通带能量损失很小；
56.4、本发明的适用于微波频段的宽带高选择性ipd滤波器芯片，在保证通带内良好的阻抗匹配性能的同时，在紧贴通带两侧引入了传输零点，带外抑制最小值在4.62ghz处为-34.5db，10ghz以下的平均带外抑制达到了-50db，其带外抑制效果十分优秀。
57.对于在本发明构思内的其他变型的宽带高选择性ipd滤波器芯片，同样具有宽带高选择性的特点，且尺寸小、选择性高、通带内阻抗匹配良好、通带能量损耗小。在能够提高器件性能的同时减小元件封装体积，将器件集成度提高到芯片级别。
58.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
59.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，本发明实施例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。