MIM 電容器及其在慢波濾波器設計中的應用

馮立營，鄭宏興，范義梅，孫程光，王 萌

(1.天津職業技術師范大學 電子工程學院，天津 300222;2.河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401;3.訊創(天津)電子有限公司，天津 300385)

微帶帶通濾波器(BPF)具有低成本和易于與其他平面微波元件集成的優點，是無線通信系統中非常重要的元件。隨著微波電路向高集成度方向發展，微帶BPF 的小型化需求正在提升。研究人員已經提出多種技術用以縮減微帶BPF 的尺寸，如分形結構[1-2]、多模諧振器[3-4]、介質加載[5]和慢波開環諧振器(OLR)[6-8]等。其中，基于慢波OLR 的BPF 因兼具結構緊湊和寬阻帶特性成為近年研究熱點。慢波OLR 通常由微帶開路環和加載在其開路端的電容器構成。增加該加載電容器的容值不但可以縮減慢波OLR 的尺寸，還可以增加其第一寄生頻率與基頻的頻率比，從而拓寬BPF 阻帶。利用開路端微帶間隙可以實現結構簡單的低容值電容器(例如0.2 pF)[9]。文獻[7]提出了一種基于加載該電容器OLR 的BPF，通過減小開路端微帶間隙可以增加該電容器容值，從而縮減BPF 的尺寸。交指電容器結構復雜，但可以提供更大容值(小于1 pF)[10-13]。文獻[8]提出了一種基于加載交指電容器OLR 的BPF。相比于文獻[7]提出的BPF，該BPF 的相對尺寸小50%以上，其阻帶插入損耗大于20 dB 的頻率范圍達到其通帶中心頻率的2.8 倍。金屬-絕緣體-金屬(MIM) 電容器具有更高的容值[14-21]。MIM 電容器通常采用氮化硅或氧化鋁[14-15]等基板利用半導體技術進行制備[17]，然后封裝到表面貼裝元件中，再焊接到印刷電路板(PCB)上。為進一步提高微波電路的集成度，本研究利用PCB技術制作MIM 電容器，并將之直接集成到微帶慢波BPF 中，該方法不僅可以降低MIM 電容器制作的工藝要求，還可以節省BPF 制作成本。

本研究首先提出了一種基于PCB 技術的MIM 電容器。該MIM 電容器由一對刻蝕在基板兩側的正方形貼片組成。根據該電容器的結構特點，將其等效為一個p型二端口網絡，經電磁仿真得到其容值為5.26 pF，遠大于傳統的交指電容器的容值。應用加載該MIM 電容器的慢波OLR 進一步設計了一種二階慢波BPF。與基于加載交指電容器OLR 的BPF[8]相比，所提出BPF 實現了40%的尺寸縮減，同時其阻帶插入損耗大于20 dB的頻率范圍達到其通帶中心頻率的4.46 倍。

1 MIM 電容器

MIM 電容器設計在Taconic RF60A 基板上，該基板的相對介電常數為6.15，厚度為0.64 mm，損耗角正切為0.0028。圖1 顯示了MIM 電容器結構。所提出的MIM 電容器由一對刻蝕在基板兩側的正方形貼片組成，它們有相同的邊長L1，底部貼片被一個寬度為S1的環槽包圍，以便與地板隔離。為了方便與其他電路元件連接，底部貼片的引線通過金屬過孔延伸到基板的頂部。根據該MIM 電容器的結構特點，將其等效為一個如圖2 所示的π 型二端口網絡。在等效網絡中，串聯電容Cg表示兩個貼片之間的電容，兩個并聯電容Cp1/Cp2表示頂部貼片/底部貼片與地板之間的電容。通過電磁仿真可以提取Cg、Cp1和Cp2的值。圖2 中電路的Y參數由公式(1)提取:

圖2 MIM 電容器的等效二端口網絡Fig.2 Equivalent two port network of MIM capacitor

式中:w為角頻率。Cg、Cp1和Cp2可以表達為:

式中:Im(x)表示x的虛部。采用ANSYS HFSS 來提取圖1 中MIM 電容器的Y參數，再通過式(2)～(4)，計算Cg、Cp1和Cp2的值，分別為5.26，0.74 和0.83 pF。Cp2的值略大于Cp1，這是因為底部貼片比頂部貼片更接近地板。

圖1 MIM 電容器的結構。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.1 Configuration of MIM capacitor.(a) Top view;(b) Bottom view

2 MIM 電容加載慢波OLR

眾所周知，諧振器的諧振頻率與其尺寸有關，尺寸越大，其諧振頻率就越低。圖3 所示是一個傳統的微帶OLR。它由一個正方形的開環組成，在小型化濾波器設計中很受歡迎。可以通過改進該諧振器，從而在保持尺寸不變的同時獲得更低的諧振頻率。從圖3中看出，可以利用開環內部的空間。因此，可以將所提出的MIM 電容器嵌入到開環內的空間中形成新的MIM 電容加載慢波OLR 設計，如圖4 所示。頂部貼片連接到開環的一端;底部貼片通過一個過孔連接到開環的另一端。MIM 電容器充分利用了環內的空間，有效地節省了基板面積。

圖3 傳統微帶OLRFig.3 Conventional microstrip OLR

圖4 所示MIM 電容加載的慢波OLR 可以抽象為一個電容加載的傳輸線諧振器，其等效電路如圖5 所示，其中CL、Za、ba、d分別為負載電容、特征阻抗、傳播常數和傳輸線的長度。求解該傳輸線諧振器諧振時電長度的公式由(5)～(6) 所示[6]:

由式(5)～(6)知，當CL=0 時，θa0=π 和θa1=2π，其中θa0和θa1是基頻(f0)和第一寄生頻率(f1)的電長度。這種情況為無載的半波長諧振器。如果CL≠0，則諧振頻率隨負載電容的增加而降低，同時第一寄生頻率與基頻之比隨之增大，采用該諧振器設計的BPF將產生較寬的阻帶。

所提出慢波OLR 加載電容的大小取決于加載的MIM 電容器的容值。為了驗證這一設計，對如圖4所示的諧振器利用ANSYS HFSS 軟件進行了仿真。圖6 顯示了該MIM 電容器加載慢波OLR 的回波損耗(S11)隨L1變化的情況。可以看出，當圖4 中L1從4 mm 到7 mm 變化時，諧振頻率從0.75 GHz 降低到0.64 GHz。作為比較，相同尺寸傳統OLR(圖3)的回波損耗隨L1變化情況也在圖6 中顯示(諧振頻率1.77 GHz)。這一結果進一步支持了式(5)～(6)，MIM 電容器確實是一個電容負載。

圖4 MIM 電容器加載的慢波OLR。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.4 MIM capacitor loaded slow-wave OLR.(a) Top view;(b) Bottom view

圖5 電容加載傳輸線諧振器等效電路Fig.5 Equivalent circuit for the capacitive loaded transmission line resonator

圖6 MIM 電容加載慢波OLR 的回波損耗隨L1 變化Fig.6 Return loss of MIM capacitor loaded slow-wave OLR varies with L1

3 小型化二階慢波BPF 設計

為了充分利用上述MIM 電容器加載慢波OLR 的特性，設計了一種小型化二階慢波BPF。如圖7 所示，該BPF 由兩個對置的如圖4 所示的諧振器組成，采用相對介電常數為6.15、厚度為0.64 mm、損耗角正切為0.0028的Taconic RF60A 基板進行設計，尺寸如表1 所示。

圖7 小型化二階慢波BPF 結構。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.7 Configuration of 2nd-order slow-wave BPF.(a) Top view;(b) Bottom view

表1 小型化二階慢波BPF 尺寸Tab.1 Dimensions of 2nd-order slow-wave BPF mm

4 結果與討論

將所提出BPF 進行制備以方便測量，其實物圖如圖8 所示。采用AV3620 矢量網絡分析儀測量所提出的BPF。圖9 顯示了其測量和仿真的頻率響應。參照圖9(a)，當前BPF 的測量和仿真中心頻率分別為0.619 和0.625 GHz，對應回波損耗分別為-26.32 和-33.35 dB。測量結果和仿真結果之間的差異是由制造實物時的誤差造成的。該BPF 的尺寸為0.056λg×0.114λg，其中λg是中心頻率在基板上的波長。這意味著與文獻[8]中基于加載交指電容器OLR 的BPF 相比，所提出BPF 的尺寸減少了40%。測量的最小插入損耗為3.13 dB，比仿真結果高2.3 dB。這是符合預期的，因為仿真中沒有考慮介質和金屬損耗。測量的3 dB帶寬為3.38%，與仿真的帶寬相近。在通帶的每個邊緣附近都可以各觀察到一個傳輸零點，這可以提升BPF 的選擇性。該BPF 的寬帶響應如圖9 (b)所示，測量結果與仿真結果吻合較好。在遠離通帶的頻率上發現了兩個額外的傳輸零點，這導致了阻帶的深度衰減。該BPF 具有較寬的阻帶，測量的插入損耗大于20 dB 的頻率最高可達2.763 GHz，為通帶中心頻率的4.46 倍。

圖8 所制作的BPF 實物圖。(a) 頂視圖;(b) 底視圖Fig.8 Photos of fabricated BPF.(a) Top view;(b) Bottom view

圖9 測量和仿真的BPF 頻率響應。(a) 通帶;(b) 寬帶Fig.9 Measured and simulated frequency responses of proposed BPF.(a) Passband;(b) Wideband

5 結論

本文首先提出了一種基于PCB 的MIM 電容器。PCB 的基板被用作該MIM 電容器的電介質層。MIM電容器的兩個貼片被刻蝕在PCB 的兩側。通過網絡分析和電磁仿真，得到其容值為5.26 pF。為了驗證所提出MIM 電容器的有效性，設計了一種加載該電容器的慢波OLR。與傳統的OLR 相比，該諧振器尺寸較小。利用一對所提出OLR 進一步設計了一種小型化二階慢波BPF。對該BPF 進行了仿真和測試，測量和仿真結果吻合較好。與交指電容器加載的慢波BPF 相比，該BPF 的尺寸縮小了40%，其測量的插入損耗大于20 dB 阻帶范圍達到其通帶中心頻率的4.46 倍。