超寬帶四通道開關(guān)濾波器的設(shè)計

張 斌 李 磊 王元源 馬云柱 張國強 潘龍飛

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在射頻/微波系統(tǒng)中需要把信號頻譜進行恰當?shù)姆蛛x，完成這一功能的部件就是濾波器。電磁波頻譜是有限的，需要按照應(yīng)用加以分配，而濾波器不但可以用來限定大功率發(fā)射機在規(guī)定頻段內(nèi)輻射，反過來還能夠用來抑制接收機工作頻段外的干擾[1]。

在微波電路設(shè)計中，通常放大器的二次諧波抑制只有20 dBc左右，為了滿足特定的諧波抑制指標，必須額外增加濾波器抑制諧波。當放大電路工作頻帶超過1個倍頻程時,通帶低頻點的二次諧波就會落在工作帶寬以內(nèi)，此時不得不采用分段濾波的方式來保證寬帶范圍內(nèi)的諧波抑制[2]。由此就產(chǎn)生了開關(guān)濾波器。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，以化合物半導(dǎo)體GaAs為襯底的，單片微波集成電路(MMIC)是當今高集成度、小型化、低成本和多功能設(shè)計的主要研究方向[3]。本設(shè)計以實際項目需求為背景，基于國內(nèi)某代工廠的GaAs ED工藝線，設(shè)計并流片完成了一款6GHz～20GHz的四通道開關(guān)濾波器芯片。

1 開關(guān)濾波器的基本組成

開關(guān)濾波器的組成如圖1所示，由輸入/輸出端兩個單刀四擲開關(guān)(SP4T)、四個不同頻段的帶通濾波器組成，集成在以GaAs為襯底的芯片上。理想的帶通濾波器應(yīng)該有一個完全平坦的通帶，并且在通帶內(nèi)沒有放大或者衰減，同時在通帶以外的所有頻率完全被衰減掉[4]。本次設(shè)計的開關(guān)濾波器四個通帶頻段分別為6GHz～9.6GHz、9GHz～12.6GHz、11.8GHz～15.6GHz和14.6 GHz～20GHz。

圖1 開關(guān)濾波器的結(jié)構(gòu)組成

開關(guān)元件主要采用GaAs場效應(yīng)管(FET)。 FET晶體管的通斷是由柵偏置電壓控制的，控制電壓為-5V～0V。通過同時切換輸入/輸出端兩個單刀四擲開關(guān)(SP4T)，從而實現(xiàn)通道選通濾波。

2 開關(guān)濾波器的設(shè)計優(yōu)化

2.1 開關(guān)設(shè)計

本設(shè)計中開關(guān)電路由GaAs場效應(yīng)管(FET)搭配微帶線、電感等無源器件構(gòu)成。FET管作為一個多端口器件，可以通過控制柵極偏置電壓的大小來改變源極與漏極間的電阻。開關(guān)器件的寄生效應(yīng)限制著開關(guān)的高頻性能。GaAs FET的柵極控制電壓為-5V～0V，即當柵壓為-5V時，可以將其等效為一個電容和一個大電阻的并聯(lián)；而當柵壓為0V時，可以將其等效為一個小電阻，如圖2所示[5]。開關(guān)元件直接影響了開關(guān)濾波器的端口回波損耗。

圖2 FET管等效模型

圖3所示為單刀四擲開關(guān)的基本拓撲，每條支路均采用一串一并的結(jié)構(gòu)，四路相互獨立。通過控制FET管的柵極電壓，實現(xiàn)通道的開啟關(guān)斷狀態(tài)的切換。

圖3 單刀四擲開關(guān)結(jié)構(gòu)拓撲

2.2 濾波器設(shè)計

本文使用ADS軟件設(shè)計的開關(guān)濾波器。ADS(Advanced Design System)是由Keysight 公司推出的一款EDA軟件，可以加載晶圓代工廠提供的工藝設(shè)計包(Process Design Kit,PDK)，調(diào)用PDK中的各種有源和無源器件模型進行電磁仿真[6]。

從實現(xiàn)方法來看，帶通濾波器設(shè)計方式分為分布參數(shù)方式和集總參數(shù)方式。分布參數(shù)帶通濾波器常見的結(jié)構(gòu)有梳狀型、交指型、發(fā)卡型等，適用于窄帶濾波器。集總式濾波器是由LC組成的濾波器，具有頻帶寬、尺寸小、無寄生通帶、設(shè)計靈活等優(yōu)點。本次設(shè)計的開關(guān)濾波器采用的是LC集總式帶通濾波器。

帶通濾波器可以由低通濾波器和高通濾波器的組合產(chǎn)生。通濾波器有多種形式，如巴特沃思(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、橢圓函數(shù)(Elliptic Function) 濾波器等。以巴特沃思濾波器為例，如圖4所示，是典型的巴特沃思LC低通濾波器拓撲原型。巴特沃思低通濾波器特性曲線如圖5所示。

圖4 LC低通濾波器原型

圖5 Butterworth低通濾波器特性曲線

巴特沃思低通濾波器的頻率響應(yīng)可表示為

其中，n為濾波器階數(shù)，ωc為濾波器截止頻率外損耗降低3dB的頻率，ωp為濾波器通帶截止頻率，ε是調(diào)節(jié)帶內(nèi)波紋幅度的函數(shù)。

高通濾波器與低通濾波器頻率特性相反。高通濾波器允許高于截止頻率的信號通過，并抑制低于截止頻率信號的一種濾波器。如圖6所示，是典型的LC高通濾波器拓撲結(jié)構(gòu)。LC高通濾波器頻率特性曲線如圖7所示。

圖6 LC高通濾波器原型

圖7 Butterworth高通濾波器特性曲線

帶通濾波器融合了低通和高通濾波器的頻率特性，只允許特定頻段的信號傳輸，并同時抑制高于和低于這一頻段的信號。帶通濾波器的拓撲原型如圖8所示。

圖8 LC帶通濾波器原型

本文設(shè)計的四個帶通濾波器指標分別為：

1) 中心頻率7.5GHz，帶寬3GHz，帶內(nèi)插損小于3dB，端口回波損耗大于15dB，在頻率5.5GHz和10.5GHz處帶外衰減大于40dB；

2) 中心頻率10.5GHz，帶寬3GHz，帶內(nèi)插損小于3dB，端口回波損耗大于15dB，在頻率7.5GHz和13.5GHz處帶外衰減大于40dB；

3) 中心頻率13.5GHz，帶寬3GHz，帶內(nèi)插損小于3dB，端口回波損耗大于15dB，在頻率10.5GHz和16.5GHz處帶外衰減大于40dB；

4) 中心頻率17.5GHz，帶寬5GHz，帶內(nèi)插損小于3dB，端口回波損耗大于15dB，在頻率13GHz和22GHz處帶外衰減大于40dB。

傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計方法需要根據(jù)預(yù)設(shè)指標查表確定濾波器的級數(shù)和參數(shù)。本文使用ADS軟件中濾波器設(shè)計向?qū)Чぞ?如圖9所示)，根據(jù)預(yù)設(shè)值就可以確定濾波器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，再考慮器件的可實現(xiàn)性，綜合優(yōu)化[7]。

圖9 濾波器設(shè)計向?qū)?/p>

2.3 開關(guān)濾波器芯片設(shè)計仿真

根據(jù)GaAs ED工藝設(shè)計規(guī)則，將四個帶通濾波器通過兩組單刀四擲開關(guān)并聯(lián)搭建，組成開關(guān)濾波器整版電路，如圖10所示。為了得到較為準確的仿真數(shù)據(jù)，需要對電路版圖進行Momentum仿真。Momentum是ADS軟件中一種對3D進行簡化的2.5D電磁場仿真器，是MMIC設(shè)計中最為實用的仿真工具[8]。

圖10 開關(guān)濾波器

3 開關(guān)濾波器的測試結(jié)果

芯片流片是基于國內(nèi)某代工廠的0.25μm GaAs ED產(chǎn)線完成的。芯片實物如圖11所示,尺寸為3.2mm×2.4mm×0.1mm 。

圖11 芯片實物

芯片采用在片測試，微波測試系統(tǒng)主要由Cascade Microtech探針臺和PNA-XN5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成[9]。芯片測試結(jié)果如圖12所示，可以看出：在通道1中，通帶6GHz ～9.6GHz內(nèi)插入損耗≤10dB，回波損耗≥15dB, 其在帶外遠端抑制達到了40dB ；在通道2中，通帶9GHz ～12.6GHz內(nèi)插入損耗≤10dB，回波損耗≥18dB, 其在帶外遠端抑制達到了40dB；在通道3中，通帶11.8GHz ～15.6GHz內(nèi)插入損耗≤10dB，回波損耗≥15dB, 其在帶外遠端抑制達到了40dB；在通道4中，通帶14.6GHz ～20GHz內(nèi)插入損耗≤10dB，回波損耗≥14dB, 其在帶外遠端抑制達到了40dB。

圖12 開關(guān)濾波器實測結(jié)果

4 結(jié)束語

通過對開關(guān)和濾波器的理論分析，基于的GaAs 0.25μm ED工藝，借助ADS仿真軟件成功設(shè)計了一款6GHz～20GHz的四通道開關(guān)濾波器芯片。該設(shè)計芯片尺寸僅為3.2mm×2.4mm×0.1mm，可以提高寬帶通信系統(tǒng)的集成度，降低系統(tǒng)設(shè)計成本，具有較高的實用價值。目前國內(nèi)尚未有同頻段四通道開關(guān)濾波器芯片。