SIW交指帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真*

翟瓊?cè)A，歐　毅，薛晨陽(yáng)，李志剛，歐　文

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，北京100029）

SIW交指帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真*

翟瓊?cè)A1，2，歐毅2*，薛晨陽(yáng)1，李志剛2，歐文2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，北京100029）

介紹了一種雙層SIW帶通濾波器，兩層之間采用交指結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)諧振，輸入輸出采用共面波導(dǎo)形式。所設(shè)計(jì)的毫米波濾波器芯片尺寸僅有7 mm×3.5 mm×0.8 mm，使用三維高頻電磁仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，結(jié)果表明濾波性能符合設(shè)計(jì)要求:中心頻率10.6 GHz、帶寬2.5 GHz、帶內(nèi)插損2 dB。最后闡明了基于MEMS技術(shù)的該濾波器的工藝制作流程。

帶通濾波器；基片集成波導(dǎo)；交指型；抽頭式；MEMS

EEACC:2575；1270D；1320doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.019

微波濾波器是一種無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)，具有頻率選擇特性，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對(duì)抗和通訊等系統(tǒng)中，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高可靠性系統(tǒng)的保障，小型化和高性能是其重要的研究方向。抽頭式交指帶通濾波器因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、頻帶寬、二次通帶遠(yuǎn)和易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用?；刹▽?dǎo)（SIW）是由介質(zhì)基板、上下金屬面、金屬化通孔組成的類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［1］，具有品質(zhì)因數(shù)高、功率容量大、隔離度高、低插損、低輻射、小體積、輕重量、低成本、易集成等諸多優(yōu)點(diǎn)［2］，是平面微波毫米波集成電路中的研究熱點(diǎn)。

本文在硅片上制作金屬通孔以實(shí)現(xiàn)諧振腔，在雙層SIW界面制作交指型金屬圖形以實(shí)現(xiàn)電磁耦合，設(shè)計(jì)了一種微波帶通濾波器，具有體積小、重量輕、插損低等優(yōu)點(diǎn)，可用MEMS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1　設(shè)計(jì)原理

對(duì)于窄帶和中等帶寬（FBW＜30%）的濾波器，通常選用終端短路式交指結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］，其階數(shù)由下式確定［4］。

諧振器間的耦合系數(shù)Ki，i+1和外部品質(zhì)因數(shù)Q:

式中:FBW是濾波器的相對(duì)帶寬，N為濾波器的級(jí)數(shù)，gi，gi+1為低通原型的歸一化元件值，i=1，2，…，n-1。

對(duì)于各諧振器微帶線取同等寬度的情況，文獻(xiàn)［5］中給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)公式:

式中:Y1表示單根諧振線的特性導(dǎo)納，Yt表示輸入輸出抽頭線的導(dǎo)納，θt為輸入或輸出諧振器從接地端到抽頭端口的電長(zhǎng)度。

利用濾波器的導(dǎo)納參數(shù)即可求得各階耦合微帶線的奇偶模特性阻抗［6］。利用帶狀線特性阻抗計(jì)算公式可以確定Z1=1/Y1所對(duì)應(yīng)的諧振器線寬，再通過調(diào)整諧振器之間的間隙Si，i+1來(lái)獲得期望的阻抗 Z0ei，i+1和 Z0oi，i+1。

式中:λg為介質(zhì)中的波長(zhǎng)，Δli為相應(yīng)諧振器開路端的等效線長(zhǎng)。

抽頭式交指濾波器的抽頭位置 Lt的計(jì)算公式［7］:

式中:R是信號(hào)源阻抗（通常為50 Ω）；Z0是諧振器無(wú)耦合情況下的特性阻抗，Q為濾波器的外部品質(zhì)因數(shù)。

雙層SIW結(jié)構(gòu)具有較高的Q值，且可以有效縮小濾波器的芯片面積［8］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。SIW諧振腔與矩形波導(dǎo)的等效關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式為［9］:

式中:Weff為SIW的等效寬度，W為矩形波導(dǎo)的寬度，d為金屬通孔的直徑，p為金屬通孔間的距離。

2　設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1，由式（1）得濾波器級(jí)數(shù)N=7，相對(duì)帶寬FBW=18.182%，選取通帶波紋0.01 dB的契比雪夫低通原型濾波器可滿足設(shè)計(jì)要求。通過計(jì)算，其歸一化元件值g參數(shù)如下:

g0=g8=1.000 0，g1=g7=0.797 0，g2=g6=1.392 4，g3=g5= 1.748 1，g4=1.633 1

表1　濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

由諧振器耦合系數(shù)式（3）知:K1，2=K6，7，K2，3=K5，6，K3，4=K4，5，所以濾波器為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其相鄰諧振器間隙 S1，2=S6，7，S2，3=S5，6，S3，4=S4，5。利用式（4）～式（10）可以算出濾波器各階耦合微帶線的奇偶模特性阻抗，如表2所示。由式（2）、（11）可以算出抽頭點(diǎn)的位置。

表2　濾波器各耦合節(jié)特性阻抗

本文所設(shè)計(jì)的雙層SIW濾波器的外形如圖1所示，將上層硅片和金屬層透明化，濾波器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，上下兩層之間的耦合由交指諧振器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。介質(zhì)基片選用厚度為400 μm、電阻率ρ＞4 000 Ω×cm的高阻硅襯底，介電常數(shù)為11.9；選擇Au作為微帶信號(hào)線，厚度18 μm。

圖1　雙層SIW濾波器結(jié)構(gòu)

圖2　交指諧振器結(jié)構(gòu)及局部放大圖

使用三維高頻電磁仿真軟件CST對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將求出的各諧振器的線寬及間距設(shè)為仿真初值，優(yōu)化后的交指結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表3，Si，i+1為諧振器的間距，Lt為抽頭點(diǎn)到短路端的距離。金屬通孔的半徑r=80 μm，通孔作為叉指結(jié)構(gòu)的短路端，其間距p與諧振器間距一致，如圖2所示。

表3　濾波器物理尺寸　單位：μm

由于GCPW接地共面波導(dǎo)具有寬帶匹配、易與微帶電路轉(zhuǎn)換、便于封裝和測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，輸入輸出端口采用GCPW形式，特性阻抗50 Ω，中間信號(hào)線的寬度120 μm，信號(hào)線與兩側(cè)地的間距為70 μm。

3　建模與仿真分析

CST是一款精確有效的電磁仿真軟件，覆蓋了整個(gè)電磁頻段［10］，提供了完備的時(shí)頻全波算法，其獨(dú)有純瞬態(tài)場(chǎng)路協(xié)同仿真，運(yùn)用有限積分法對(duì)麥克斯韋積分方程進(jìn)行離散化并迭代求解，非常適合諸如濾波器等主要關(guān)心帶內(nèi)參數(shù)問題的設(shè)計(jì)。

建模過程中，考慮到相鄰諧振器間的耦合效應(yīng)，微帶信號(hào)線的厚度不能忽略；金屬通孔與上下表面金屬層形成了基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此采用電邊界條件；設(shè)置合適的波導(dǎo)端口尺寸，采用瞬態(tài)求解器可以得到如圖3所示的頻率響應(yīng)特性曲線。結(jié)果表明:濾波器的中心頻率為10.6 GHz，帶內(nèi)插損2 dB，3 dB帶寬大于2.5 GHz，f0±2.5 GHz處帶外抑制大于50 dB，通帶內(nèi)VSWR小于1.3，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3　CST仿真結(jié)果

通過調(diào)整諧振器的參數(shù)可以有效調(diào)節(jié)濾波性能:濾波器的中心頻率由諧振器的長(zhǎng)度決定，諧振器越長(zhǎng)，中心頻率越低，如圖4所示，與式（11）相符。帶寬主要由諧振器的間距決定，間距越小，耦合越強(qiáng)，兩個(gè)諧振模的諧振頻率相距越遠(yuǎn)，通帶越寬。通帶內(nèi)的駐波主要取決于抽頭位置。

圖4　濾波器S11隨諧振器長(zhǎng)度L變化曲線

微帶線結(jié)構(gòu)中接地金屬化孔為微波信號(hào)提供射頻接地回路［11］，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮接地金屬化孔的寄生電感效應(yīng)對(duì)濾波器幅頻特性產(chǎn)生的影響。圖5所示為濾波器S參數(shù)隨通孔半徑r變化的曲線，可以看出，隨著r的增大，濾波器中心頻率和高頻傳輸零點(diǎn)向右偏移，帶外抑制增強(qiáng)。當(dāng)r＞100 μm時(shí)，濾波器的回波損耗增大；由于加工工藝的限制，r不宜過小。

圖5　濾波器S參數(shù)隨r變化曲線

4　工藝及實(shí)現(xiàn)方案

SIW結(jié)構(gòu)交指帶通濾波器的實(shí)現(xiàn)主要采用MEMS體硅工藝和圓片鍵合工藝，包括光刻、剝離、ICP刻蝕、金屬圖形化及圓片鍵合等工藝步驟。

濾波器的制作工藝流程如圖6所示，主要包括: （a）采用雙面拋光的高阻硅襯底，在正面光刻出交指圖形、濺射種子層Cr、電鍍加厚Au、剝離光刻膠獲得金屬圖形；（b）光刻出CPW接口臺(tái)階，ICP刻蝕100 μm的深度；（c）背面蒸發(fā)一層Al作掩膜［12］，光刻出通孔圖形、ICP刻蝕通孔，去除鋁掩蔽層；（d）背面濺射、電鍍使通孔及背面金屬化，與襯底正面金屬形成三維互連［13-15］，至此上層芯片制作完成；（e）光刻、電鍍、剝離形成下層芯片的金屬圖形；（f）刻蝕下層硅片的接地通孔；（g）下層芯片通孔及背面金屬化；（h）上下層對(duì)位鍵合，多步徑劃片分離濾波器芯片。

圖6　SIW濾波器工藝流程示意圖

制作中通孔側(cè)壁的垂直度決定后續(xù)孔壁金屬化的難易程度，對(duì)濾波器性能有嚴(yán)重影響:側(cè)壁鍍金厚度越大，回波損耗越小、帶外抑制越強(qiáng)，側(cè)壁鍍金工藝不理想，會(huì)使濾波器插損增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致濾波器中心頻率偏移。

5　結(jié)論

本文論述了SIW與交指結(jié)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)帶通濾波器的方法。在交指諧振器的外圍設(shè)計(jì)一排金屬通孔，不僅可以保證濾波器良好的微波接地，減少空間信號(hào)的干擾；而且與上下層金屬形成SIW結(jié)構(gòu)，有效限制內(nèi)部電磁能量向外輻射，得到的濾波器損耗更小，性能更優(yōu)。結(jié)合三維高頻電磁仿真軟件的分析，可以降低研究成本、縮短研制周期。利用MEMS工藝的立體加工能力，可對(duì)本文所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行流片加工。

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翟瓊?cè)A（1990-），女，中北大學(xué)碩士研究生，主要從事MEMS微波濾波器方面研究，zhaiqionghua@ime.ac.cn；

歐毅（1975-），男，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事MEMS傳感器和執(zhí)行器技術(shù)研究。先后參與、主持并完成多項(xiàng)國(guó)家863、國(guó)家973、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和科學(xué)院項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，以第一發(fā)明人申請(qǐng)并授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)，ouyi@ime.ac.cn。

Design and Simulation of SIW-Interdigital Band-Pass Filters*

ZHAI Qionghua1，2，OU Yi2*，XUE Chenyang1，LI Zhigang2，OU Wen2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Integrated Circuit Advanced Process Center，Beijing 100029，China）

A double-layer SIW band-pass filter has been introduced，in which the interdigital strip-lines structure was utilized to achieve resonant and the CPW coplanar waveguide was used as the input and output lines.The chip size of the millimeter-wave filter designed is as small as 7 mm×3.5 mm×0.8 mm.Then the filter was simulated and optimized by using a 3D electro-magnetic field analysis software.The simulation results show that the central frequency，bandwidth，and insertion loss of the designed filter respectively are 10.6 GHz，2.5 GHz and 2 dB，which fully meet the design aims.Finally，the fabrication process of the MEMS-based filter was presented.

band-pass filter；SIW；interdigital；tapped-line；MEMS

TN603.5

A

1004-1699（2015）09-1379-05

項(xiàng)目來(lái)源:基于兩種非線性理論的新型MEMS振動(dòng)能量收集芯片研究項(xiàng)目（61274119）；應(yīng)用于太赫茲成像的左手材料焦平面陣列研究項(xiàng)目（61306141）

2015-03-26修改日期:2015-06-17