基于IPD工藝的無反射低通濾波器設計*

王浩洋，邢孟江，李小珍，張 磊，楊曉東

（1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650504；2.昆明學院 信息技術學院，云南 昆明 650214）

0 引 言

濾波器在電子系統中普遍存在，其理論研究和實用設計已經持續了一個世紀。在今天，實用性濾波器的設計和實現依然是電子通信領域最活躍的研究領域[1]。傳統濾波器通過將阻帶信號反射回源端達到濾波效果。這種抑制不需要信號的方式，有時可能由于非線性器件中的雜散混合、敏感有源組件的無意重新偏置或各種信號路徑之間的串擾，而導致與系統中其他組件的有害交互[2]。一直以來，設計人員針對減小反射提出了一些措施。比如，在敏感器件前后插入衰減器或隔離放大器，但會降低整個系統的信噪比和動態范圍；利用雙工器一個端口實現對阻帶反射信號的吸收，但這對設計電路有較大的空間需求，且仍然會因為一些反射信號造成阻抗失配；使用差分式濾波器緩解阻帶反射信號的影響，使得濾波器的帶寬受制于電橋的帶寬，使之不適合寬帶應用[3]；通過卓越的阻抗匹配減小反射，需要很大數量的元件，即使一階濾波器也需要很多元件[4]。

這些改善方法效果不明顯，還會帶來其他弊端。因此，設計者開始從拓撲角度關注無反射濾波器的研究。2011年，美國國家射電天文臺Matthew A. Morgan等提出了新型的無反射濾波器拓撲結構和設計方法。為驗證理論，用分立元件設計測試了325 MHz的無反射低通濾波器和中心頻率210 MHz帶寬200 MHz的無反射帶通濾波器[1]。2014年，電子科技大學秦巍巍等提出了采用微帶線結構實現的一種新型吸收式帶通濾波器。該濾波器通帶內插入損耗小于3 dB，通帶電壓駐波比小于2，帶外駐波比在很大頻率范圍內小于3.5[5]。同年，上海交通大學張程等利用耦合相消原理設計了一種調頻頻率為5.17～5.56 GHz的無反射可調帶阻濾波器。該濾波器在通帶內插損值約為0.44 dB，在阻帶抑制大于15dB 的基礎上，回波損耗保持在10 dB以上[6]。2016年，韓國的Tae-Hak Lee等人提出了一階無反射集總元件低通和帶通濾波器的設計方法，并采用集總式表面貼裝器件（SMD）的方式，設計加工了中心頻率為95 MHz、3 dB帶寬、30 MHz的無反射帶通濾波器[4]。

無反射濾波器從分立元件到集總元件的發展過程，說明了無反射濾波器小型化的必然趨勢。它在追求更小器件體積的同時，實現了更小的阻帶信號反射。薄膜集成無源器件（Thin Film-Integrated Passive Device，TF-IPD）工藝具有高精度、小尺寸、高可靠性及與半導體工藝相兼容等優點。使用靈活的材料和工藝流程，降低了雜散電感和雜散電容的影響，提高了無源器件的性能，適合于高頻應用。IPD工藝與新型無反射濾波器拓撲結合設計制作無反射低通濾波器，能在減小器件尺寸的同時實現更好的無反射效果。

本文基于IPD工藝和新型電路結構設計了一款無反射低通濾波器，其3 dB截止頻率為1.25 GHz，帶外抑制在1.25～8 GHz之間大于20 dB，帶內回波損耗大于28 dB，帶外回波損耗在1.25～7.5 GHz之間大于27 dB。器件尺寸僅為1 mm×1 mm×0.3 mm，在許多不同應用中優勢明顯。

1 IPD工藝

本文所設計無反射低通濾波器采用硅基薄膜集成無源器件工藝[7-9]。襯底采用的高阻硅具有價格低、熱導率良好與IC制作工藝兼容等優點。電容采用MIM薄膜電容，利用金屬作為電極，降低了電阻值，提高了元件共振頻率，適用于高頻應用。所用電容均為平行板電容器，兩極板之間填充高介電材料提高電容量。電感采用平面螺旋電感，通過硅平面刻蝕技術實現，主要設計考慮如何降低其寄生電容和提高品質因子（Q）。考慮到降低其直流阻抗可以提高Q值，所以電感導線的膜厚設置為10 μm。電阻由NiCr合金組成，采用磁控濺射共沉積方法獲得精準電阻。

圖1所用IPD工藝疊層圖，給出了每一層的材質和厚度。其中，R為NiCr高精度薄膜電阻；M1為1 μm的Cu層，用于互聯和MIM電容的下極板；M2為0.65 μm的Cu層，作為電容上極板；M3為10 μm的Cu層，用于實現電感和互聯；M1和M2之間的D1層為0.2 μm的SiNx，作為MIM電容的電介質層；D2和D3都是低k電介質層，用于絕緣隔離。

圖1 硅基IPD工藝疊層圖

2 理論推導與電路設計

2.1 理論推導

為設計無反射低通濾波器，從一個結構對稱的二端口網絡開始。對稱平面將其分成完全對稱的兩部分。當施加偶模信號時，因為兩端口的信號同相且相等，所以對稱平面上沒有電流通過，通過對稱平面的線相當于斷路。此時，這個半電路為偶模等效電路，反射系數為Γeven。當施加奇模信號時，因為兩端口的信號相等且反相，所以通過對稱平面對地電壓為零，通過對稱平面的節點相當于對地虛短。此時，這個半電路為奇模等效電路，反射系數為Γodd。

根據線性網絡的疊加性，得到：

從而得到：

為得到無反射濾波器，s11和s22應為0，得到：

由式（5）可知，偶模等效電路中反射的頻率為最終兩端口網絡傳輸的頻率，說明偶模等效電路和最終全兩端口網絡的阻帶和通帶是相反的。以低通濾波器為設計目標時，應以高通濾波器作為偶模等效電路。

得：

由式（6）可知，要使濾波器無反射，需要偶模等效電路的輸入阻抗和奇模等效電路的輸入導納相等，這被稱作對偶條件。

2.2 電路設計

本文以三階高通濾波器作為設計起點，如圖2（a）所示。畫出其對偶作為奇模等效電路，依然為高通。此時，并不能看出奇偶模等效電路關于對稱平面對稱。為了得到對稱網絡，在不改變原網絡輸入阻抗和頻率響應的情況下，對電路進行以下變化以恢復對稱結構[10]。如圖2（b）所示，在偶模一側交換最后的電容和串聯的終端電阻的位置；在奇模一側改變第一個電感和終端電阻的接地連接，由絕對接地變為虛擬接地。如圖2（c）所示，在偶模一側于輸入節點和對稱平面（是一個開路電路）之間添加一個電感；相似地，在電阻和對稱平面之間添加一個開路連接線；在奇模一側于對稱平面（虛短）到地之間添加一個電容。經過以上變換，得到無反射低通濾波器如圖2（d）所示，然后根據目標指標求個元件值。

根據文獻[11]可知，以3 dB截止頻率為設計指標的gk如下：

于是，可以計算特征阻抗為50 Ω，3 dB截止頻率為1.25 GHz的無反射低通濾波器的元件值為：

圖2 無反射低通濾波器拓撲推導

圖3為本文設計的三階無反射低通濾波器的電路原理圖。基于圖3的電路拓撲和計算得到的元件值，在Ansoft Designer中建立電路并進行仿真優化，得到如圖4所示的S參數仿真結果。由圖4可知，該濾波器3 dB截止頻率為1.25 GHz，帶外抑制大于15 dB，回波損耗大于20 dB，滿足設計要求，能良好地實現無反射。

圖3 無反射低通濾波器原理

圖4 無反射低通濾波器的Ansoft Designer仿真結果

3 無反射低通濾波器的建模與仿真

當得到設計的無反射低通濾波器Ansoft Designer的仿真優化結果后，本文基于IPD工藝設計標準，在三維電磁場仿真軟件HFSS中建立其三維電磁模型并進行仿真。模型采用平面螺旋電感、MIM薄膜電容和NiCr薄膜電阻。襯底厚度300 μm，平面結構如圖 5（a）所示。在1 mm×1 mm的平面結構中，主導器件面積的是螺旋電感，使之均勻分布于四個象限，以減小整體面積。S為信號端，G為接地端，均通過金屬垂直通孔接地。圖5（b）是無反射低通濾波器集成無源器件三維結構圖。用HFSS對模型進行仿真，得到插入損耗（S21）和回波損耗（S11）如圖6所示。可知，其3 dB截止頻率為1.25 GHz，帶外抑制在1.25～8 GHz之間大于20 dB，帶內回波損耗大于28 dB，帶外回波損耗在1.25～7.5 GHz之間大于27 dB。仿真結果符合設計要求，能良好地實現無反射。分析可知，HFSS的仿真結果與原理圖的Ansoft Designer仿真有偏差，原因在于原理圖仿真中所加寄生電感不能完全表現模型中的寄生效應。

圖5 無反射低通濾波器模型

圖6 無反射低通濾波器的HFSS仿真結果

4 結 語

本文基于IPD工藝設計了一款三階無反射低通濾波器。通過HFSS建模仿真得到該濾波器3 dB截止頻率為1.25 GHz，帶外抑制在1.25～8 GHz之間大于20 dB，帶內回波損耗大于28 dB，帶外回波損耗在1.25～7.5 GHz之間大于27 dB。器件尺寸僅為1 mm×1 mm×0.3 mm。這款濾波器體積小、精度高、阻帶信號吸收良好，能有效減少各信號路徑之間的串擾，在許多對反射信號敏感的電子系統中具有良好的應用優勢。