一款小型化高阻帶抑制的GaAs低通濾波器

張 斌

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

微波濾波器在無(wú)線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，起到選擇頻帶和信道的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。在微波電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)用濾波器從各種電信號(hào)中提取出想要的頻譜信號(hào)。濾波器作為重要的無(wú)源器件，其各項(xiàng)指標(biāo)如插入損耗、帶外抑制、帶寬、尺寸等很大程度影響著微波系統(tǒng)的性能。隨著微波系統(tǒng)體積日益縮小，對(duì)微波濾波器小型化、低成本、高性能的要求也越來(lái)越高。

21世紀(jì)以來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，單片微波集成電路(MMIC)[1]已經(jīng)成為了世界各國(guó)研究人員競(jìng)相研究的熱門(mén)方向。其中以化合物半導(dǎo)體GaAs為襯底的MMIC是當(dāng)今小型化、高集成度、多功能和低成本設(shè)計(jì)的主要方向。本文以實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，基于成都海威華芯公司0.25 μm的GaAs ED工藝線，設(shè)計(jì)完成了一款DC～1.5 GHz的小型化高阻帶抑制低通濾波器。

1 低通濾波器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)基本原理

濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，它是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)通帶內(nèi)頻率信號(hào)呈現(xiàn)匹配傳輸，對(duì)阻帶頻率信號(hào)失配而進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻譜過(guò)濾功能。典型的頻率響應(yīng)包括低通、高通、帶通和帶阻特性。比較常見(jiàn)的低通濾波器有三種，分別是巴特沃茲 ( Butterworth)、切比雪夫 ( Chebyshev)、橢圓函數(shù)( Elliptic Function) 低通濾波器等。巴特沃茲低通濾波器是這三種濾波器中通頻帶內(nèi)和阻帶內(nèi)幅頻特性最平穩(wěn)的，但過(guò)渡帶較寬，且阻帶抑制較差。對(duì)于切比雪夫低通濾波器，通帶和阻帶內(nèi)的幅頻特性呈現(xiàn)等波紋形式，其過(guò)渡帶較巴特沃茲型衰減更快，阻帶抑制較之更高。與巴特沃茲和切比雪夫相比，橢圓函數(shù)低通濾波器頻率響應(yīng)是最為優(yōu)越的，這是因?yàn)闄E圓函數(shù)低通濾波器在有限的頻率上同時(shí)具有零點(diǎn)和極點(diǎn)，在通帶和阻帶內(nèi)均為等波紋特性。在同樣的階數(shù)下，橢圓函數(shù)低通濾波器可以有更為緊湊的結(jié)構(gòu)，并形成陡度最大的過(guò)渡帶[2]，如圖1所示。因此本文設(shè)計(jì)的低通濾波器采用橢圓函數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 濾波器設(shè)計(jì)

本文使用ADS軟件設(shè)計(jì)一款DC～1.5 GHz的高性能MMIC低通濾波器。ADS全稱(chēng)Advanced Design System，是Keysight公司推出的大型EDA軟件，可進(jìn)行時(shí)域、頻域仿真，模擬電路、數(shù)字電路仿真，線性、非線性仿真，數(shù)?；旌戏抡娴?。ADS以其強(qiáng)大的仿真功能和較高的準(zhǔn)確性，已經(jīng)成為微波行業(yè)最為流行的EDA軟件[3]。

ADS軟件中集成了濾波器輔助設(shè)計(jì)工具——Filter DesignGuide(濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?。Filter Design-Guide可以很方便地設(shè)計(jì)出目標(biāo)濾波器的初始LC參數(shù)值。如圖2所示設(shè)置，選擇橢圓函數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置通帶頻率Fp為1.5 GHz，阻帶截止頻率Fs為2.6 GHz,波紋系數(shù)Ap為0.3 dB,帶外損耗As為70 dB。

圖2 濾波器設(shè)計(jì)向?qū)?/p>

點(diǎn)擊濾波器設(shè)計(jì)向?qū)е蠨esign按鍵，軟件自動(dòng)生成一個(gè)理想的7階集總參數(shù)低通濾波器，如圖3所示。由于ADS自動(dòng)生成的原理圖中電容電感過(guò)于理想，沒(méi)有考慮到實(shí)際器件感值容值的可實(shí)現(xiàn)性，所以這里的電感值和電容值只是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)初始值。

考慮到端口阻抗和級(jí)間匹配，以及可實(shí)現(xiàn)性等因素，在初始原理圖的基礎(chǔ)上優(yōu)化，綜合得出合理的電路原理圖，如圖4所示。圖5為該優(yōu)化后原理圖的仿真結(jié)果。 這樣，一個(gè)集總參數(shù)低通濾波器的原理圖設(shè)計(jì)過(guò)程就完成了。

圖3 初始原理圖

圖4 優(yōu)化后的原理圖

圖5 原理圖仿真結(jié)果

原理圖的仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際芯片的制作往往和理論有較大的差距，這就需要考慮干擾、耦合等因素的影響。實(shí)際電路的性能可能會(huì)與原理圖仿真結(jié)果有一定差異，因此需要在ADS中進(jìn)行版圖仿真。ADS版圖采用矩量法(Momentum)進(jìn)行電磁仿真，其仿真結(jié)果比在原理圖中仿真更為準(zhǔn)確。ADS Momentum是一種對(duì)3D進(jìn)行簡(jiǎn)化的2.5D電磁場(chǎng)仿真器，非常適合第3維度上均勻變化的結(jié)構(gòu)仿真，是設(shè)計(jì)芯片最實(shí)用的仿真工具。本次芯片設(shè)計(jì)采用的是成都海威華芯公司0.25 μm的GaAs ED襯底模型PDK。設(shè)計(jì)版圖如圖6所示，版圖結(jié)構(gòu)與圖4一一對(duì)應(yīng)。對(duì)圖6中濾波器版圖進(jìn)行Momentum仿真，結(jié)果如圖7所示。在通帶DC～1.5 GHz內(nèi)，插入損耗≤1.4 dB，回波損耗≥18 dB, 其在2.6 GHz處的帶外抑制達(dá)到了20 dB，在2.85 GHz處的帶外抑制達(dá)到了40 dB，整個(gè)阻帶一直到20 GHz都有大于40 dB的抑制，版圖仿真結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

圖6 濾波器版圖

圖7 版圖Momentum仿真結(jié)果

2 濾波器的制作與測(cè)試結(jié)果

2.1 濾波器的制作

芯片加工是基于成都海威華芯公司0.25 μm的GaAs ED工藝線加工完成。該工藝線采用了外延和離子注入技術(shù)，表面采用了SiN保護(hù)，使芯片具有良好的穩(wěn)定性。芯片中包含有MIM電容、螺旋電感、微帶線等無(wú)源器件。芯片實(shí)物如圖8所示，芯片尺寸為1.5 mm×0.65 mm×0.1 mm，僅為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)常見(jiàn)的同頻段移相器面積的約75%(同頻段，中電13所的BWLF-1R5G[4], 尺寸1.6 mm×0.8 mm×0.1 mm;NC6603C-015[5]，尺寸2.4 mm×1 mm×0.1 mm)，能夠更進(jìn)一步地提高組件與電路的集成度和降低產(chǎn)品成本。

圖8 芯片實(shí)物

2.2 濾波器測(cè)試結(jié)果分析

微波測(cè)試系統(tǒng)由PNA-XN5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Cascade Microtech探針臺(tái)組成[6]，芯片測(cè)試結(jié)果如圖9所示。可以看出，在通帶DC～1.5 GHz內(nèi)，插入損耗≤1.4 dB，回波損耗≥15 dB, 其在2.6 GHz處的帶外抑制達(dá)到了20 dB ，在2.85 GHz處的帶外抑制達(dá)到了40 dB，整個(gè)阻帶一直到20 GHz都有大于40 dB的抑制。通過(guò)與版圖仿真結(jié)果相對(duì)比，可以看出實(shí)測(cè)與仿真具有良好的一致性，誤差在可接受范圍以內(nèi)，具有較高的使用價(jià)值。

圖9 實(shí)測(cè)結(jié)果

表1所示的是本文設(shè)計(jì)的芯片與同頻段中電13所的BWLF-1R5G芯片電特性對(duì)比。由表中可以看到，本文設(shè)計(jì)的濾波器在尺寸和阻帶抑制方面要優(yōu)于BWLF-1R5G芯片。

表1 電特性對(duì)比

項(xiàng)目本設(shè)計(jì)BWLF-1R5G截止頻率1.5 GHz1.5 GHz插入損耗≤1.4 dB≤1.4 dB回波損耗≥15 dB≥15 dB阻帶抑制≥ 20dB@2.6 GHz;≥ 40dB@2.85 GHz～20 GHz≥ 20dB@2.6 GHz;≥ 40dB@2.95 GHz～16 GHz尺寸1.5 mm×0.65 mm×0.1 mm1.6 mm×0.8 mm×0.1 mm

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低通濾波器的理論分析，基于0.25 μm的GaAs ED工藝，使用ADS軟件成功設(shè)計(jì)了一款DC～1.5 GHz的小型化高阻帶抑制低通濾波器，并成功流片。該設(shè)計(jì)芯片尺寸和阻帶抑制，都要優(yōu)于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的同頻段濾波器，具有較高的實(shí)用價(jià)值。其更小的芯片尺寸對(duì)射頻電路的小型化、集成化和低成本設(shè)計(jì)，有較好的支撐能力。