超寬帶四通道開關濾波器的設計

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/微波系統中需要把信號頻譜進行恰當的分離，完成這一功能的部件就是濾波器。電磁波頻譜是有限的，需要按照應用加以分配，而濾波器不但可以用來限定大功率發射機在規定頻段內輻射，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，此時不得不采用分段濾波的方式來保證寬帶范圍內的諧波抑制[2]。由此就產生了開關濾波器。

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

1 開關濾波器的基本組成

開關濾波器的組成如圖1所示，由輸入/輸出端兩個單刀四擲開關(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該有一個完全平坦的通帶，并且在通帶內沒有放大或者衰減，同時在通帶以外的所有頻率完全被衰減掉[4]。本次設計的開關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 開關濾波器的結構組成

開關元件主要采用GaAs場效應管(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(SP4T)，從而實現通道選通濾波。

2 開關濾波器的設計優化

2.1 開關設計

本設計中開關電路由GaAs場效應管(FET)搭配微帶線、電感等無源器件構成。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。開關器件的寄生效應限制著開關的高頻性能。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；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]。開關元件直接影響了開關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的基本拓撲，每條支路均采用一串一并的結構，四路相互獨立。通過控制FET管的柵極電壓，實現通道的開啟關斷狀態的切換。

圖3 單刀四擲開關結構拓撲

2.2 濾波器設計

本文使用ADS軟件設計的開關濾波器。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計包(Process Design Kit,PDK)，調用PDK中的各種有源和無源器件模型進行電磁仿真[6]。

從實現方法來看，帶通濾波器設計方式分為分布參數方式和集總參數方式。分布參數帶通濾波器常見的結構有梳狀型、交指型、發卡型等，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、設計靈活等優點。本次設計的開關濾波器采用的是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(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可表示為

其中，n為濾波器階數，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是調節帶內波紋幅度的函數。

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高通濾波器拓撲結構。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。

傳統的濾波器設計方法需要根據預設指標查表確定濾波器的級數和參數。本文使用ADS軟件中濾波器設計向導工具(如圖9所示)，根據預設值就可以確定濾波器的初始結構參數，再考慮器件的可實現性，綜合優化[7]。

圖9 濾波器設計向導

2.3 開關濾波器芯片設計仿真

根據GaAs ED工藝設計規則，將四個帶通濾波器通過兩組單刀四擲開關并聯搭建，組成開關濾波器整版電路，如圖10所示。為了得到較為準確的仿真數據，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設計中最為實用的仿真工具[8]。

圖10 開關濾波器

3 開關濾波器的測試結果

芯片流片是基于國內某代工廠的0.25μm GaAs ED產線完成的。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，微波測試系統主要由Cascade Microtech探針臺和PNA-XN5244A矢量網絡分析儀組成[9]。芯片測試結果如圖12所示，可以看出：在通道1中，通帶6GHz ～9.6GHz內插入損耗≤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 開關濾波器實測結果

4 結束語

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