基于砷化鎵IPD 技術(shù)的帶通濾波器小型化設(shè)計(jì)

趙丁雷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031）

1 概述

相控陣?yán)走_(dá)具有快速的波束掃描，靈活的波束賦形能力，已經(jīng)成為先進(jìn)軍事裝備中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著新一代載荷平臺(tái)有源相控陣?yán)走_(dá)向小型化、高性能以及高集成方面發(fā)展，這就要求射頻前端有著更小的體積和更高的集成度。但是目前大多數(shù)無(wú)源器件受制作工藝的限制，集成度不夠高，體積也較大，難以達(dá)到上述的要求。

目前，無(wú)源器件主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是集總參數(shù)方式，另一種是分布參數(shù)方式。采用集總參數(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)源器件，電路尺寸不受波長(zhǎng)限制，適合集成，而采用分布參數(shù)方式的無(wú)源器件，由于電路尺寸和波長(zhǎng)有關(guān)，不易集成。從集成的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)采用集總參數(shù)方式，以實(shí)現(xiàn)器件小型化。

集成無(wú)源器件IPD（Integrated Passive Device），是將基本單元電路（電感L、電容C、以及電阻R）集成到基板的襯底中，并由這些單元電路構(gòu)成功能性無(wú)源器件，如濾波器、功分器、巴倫、耦合器、雙工器等。由于具有微型化、高性能、低成本等特點(diǎn)，IPD 技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。

IPD 根據(jù)基板的工藝，分為薄膜IPD 和厚膜IPD。厚膜IPD 以絲網(wǎng)印刷技術(shù)為主，如LTCC 等。薄膜IPD 主要采用光刻技術(shù)，其加工精度高，有利于實(shí)現(xiàn)小型化，高性能；薄膜IPD 可以采用砷化鎵（GaAs）、玻璃（Glass）、高阻性硅（HiZ Silicon）、氧化鋁（Al2O3）等材料作為基底[1-10]，如圖1。表1 給出了一些常見(jiàn)材料的損耗角正切和介電常數(shù)。

圖1 不同襯底的IPD 器件：a）氧化鋁基濾波器；b）砷化鎵低通濾波器；c）玻璃基功分器；d）硅基低通濾波器

表1 常見(jiàn)材料的損耗角正切及介電常數(shù)

GaAs 材料相比于其他基底材料具有極低的介質(zhì)損耗（為萬(wàn)分之一量級(jí)），可以形成低損耗的電感和傳輸線(xiàn)。因此采用GaAs IPD 工藝實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件，具有較好的工藝優(yōu)勢(shì)。

本文工作基于國(guó)內(nèi)某GaAs IPD 微電子工藝線(xiàn)，設(shè)計(jì)了一款性能優(yōu)良的帶通濾波器芯片，相比采用傳統(tǒng)工藝的濾波器，可以有效地減小射頻前端電路的體積和重量，提升雷達(dá)的有效載荷，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

2 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

利用網(wǎng)絡(luò)綜合方法設(shè)計(jì)Chebyshev 濾波器結(jié)構(gòu)，在理想元件條件下可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如圖2。

圖2 三階Chebyshev 濾波器電路結(jié)構(gòu)

但由于以下兩個(gè)因素的影響，在IPD 工藝下實(shí)現(xiàn)GHz 頻段的濾波器不再是公式化地應(yīng)用傳統(tǒng)意義上的集總元件綜合方法就能完成：（1）實(shí)際工藝中非理想化的元件特性；（2）工藝所允許的元件值是有限制的。

因此要在傳統(tǒng)的集總元件綜合方法的基礎(chǔ)上，選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并不斷進(jìn)行仿真優(yōu)化。

本文通過(guò)結(jié)合高通+低通并加入傳輸零點(diǎn)的設(shè)計(jì)，使得它具有更好的頻率選擇性，以及更陡峭的過(guò)渡帶。利用ADS 仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次摸索，得到了相對(duì)較好的設(shè)計(jì)方案，結(jié)果的如圖3 所示。

圖3 濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

其中，藍(lán)色框?yàn)楦咄ú糠衷诘皖l波段有較好抑制性能，紅色在高頻有較好的抑制性能，二者級(jí)聯(lián)構(gòu)成了高通+低通的混合結(jié)構(gòu)，使傳輸信號(hào)在低頻和高頻都有較好的抑制性能。

3 工藝加工流程

本項(xiàng)目將采用基于砷化鎵（GaAs）的IPD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)，選取的工藝基于國(guó)內(nèi)某GaAs IPD 微電子工藝線(xiàn)，工藝分為前板加工和背板加工兩部分，前板工藝包含了電感、電容等IPD 基本元件的制作。后板工藝包括了基板過(guò)孔和背板鍍金等。圖4 給出了基本元件的加工工藝過(guò)程。

圖4 加工流程圖

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用圓形螺旋電感與MIM 電容工藝，圓形電感的電感值由螺旋繞線(xiàn)圈數(shù)、螺旋電感線(xiàn)寬、為螺旋電感中各圈之間的間距和電感內(nèi)部半徑?jīng)Q定。MIM電容值由上下層金屬面積決定，圖5 給出了基本元件的截面結(jié)構(gòu)組成。

圖5 IPD 加工工藝截面結(jié)構(gòu)圖

4 版圖設(shè)計(jì)及仿真

完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需要將電路拓?fù)溆成涞桨鎴D設(shè)計(jì)中。首先我們結(jié)合IPD 工藝模型參數(shù)，將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的元件值帶入版圖并完成布線(xiàn)。

在從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的寄生效應(yīng)。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真中，電容電感都是獨(dú)立元件且其響應(yīng)特性都是穩(wěn)定且線(xiàn)性的。但是在版圖中：（1）元件間走線(xiàn)；（2）元件與地之間的寄生；（3）相鄰元件間耦合寄生，上都對(duì)元件值產(chǎn)生了較大的影響，破壞了在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳輸匹配。

通過(guò)運(yùn)用場(chǎng)路聯(lián)合的優(yōu)化方法，首先對(duì)直接映射版圖進(jìn)行場(chǎng)仿真，快速確定螺旋電感與電容各參數(shù)的初值，并引入優(yōu)化端口，如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化端口

隨后將仿真模型載入原理圖進(jìn)行電路迭代優(yōu)化，優(yōu)化后根據(jù)優(yōu)化值修改版圖設(shè)計(jì)完成對(duì)寄生效應(yīng)引起的反射損耗進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)次迭代后優(yōu)化后的版圖如圖7。

圖7 濾波器版圖設(shè)計(jì)

如圖8 為濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁仿真結(jié)果，其在通帶（1.3-2.3GHz）的損耗小于3.3dB，低頻0.7GHz 阻帶抑制大于35dBc，高頻3.2GHz 的抑制大于35dBc。

圖8 濾波器版圖電磁仿真結(jié)果

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的基于分布參數(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)源器件由于尺寸和波長(zhǎng)相關(guān)，往往占據(jù)了大量的板面積。將IPD 技術(shù)應(yīng)用于雷達(dá)、通信前端可以有效減小器件面積，提高系統(tǒng)集成度?；贗PD 技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)源器件往往大小僅為毫米量級(jí)，可以大大提高射頻系統(tǒng)的集成度。

本文采用 GaAs IPD 工藝研制了一款1.3-2.3GHz 帶通濾波器，相比傳統(tǒng)工藝研制的濾波器，其大大減小了體積，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，符合微波系統(tǒng)中器件小型化與SIP 高密度集成的發(fā)展趨勢(shì)。