基于变压器理论的微型化IPD低通与高通芯片滤波器设计与实现

《Chinese Journal of Electronics》：Miniaturized, Transformer-Theory-Based IPD Low-Pass and High-Pass on-Chip Filters

为解决现代电子设备对小型化高效滤波器的迫切需求，研究人员开展了基于变压器理论的集成无源器件（IPD）低通滤波器（LPF）和高通滤波器（HPF）研究。通过引入互感耦合控制传输零点（TZ）分布，在GaAs工艺上实现了具有低插入损耗、高选择性的七阶LPF和两款HPF。其中LPF核心尺寸仅0.42×1.09 mm2，带内插损0.13 dB；HPF B在16.5-40 GHz带内插损0.5-1.44 dB，带外抑制达38 dB。该研究为射频前端提供了高性能微型化滤波解决方案。

　　

在当今无线通信和射频前端系统飞速发展的浪潮中，电子设备正朝着更小、更轻、更高效的方向演进。这对内部的核心元器件提出了极为严苛的要求：它们需要在极其有限的空间内实现优异的性能。滤波器，作为射频系统中负责频率选择的关键部件，其性能优劣直接影响到整个系统的通信质量和抗干扰能力。然而，传统的片上滤波器设计常常面临一个两难困境：要实现良好的频率选择性和陡峭的过渡带，往往需要增加滤波器的阶数或引入额外的耦合结构，但这又会增大电路尺寸；而追求小型化设计，则可能以牺牲性能为代价。这种矛盾在低通滤波器（Low-Pass Filter, LPF）和高通滤波器（High-Pass Filter, HPF）的设计中表现得尤为突出。

目前主流的芯片制造工艺，如GaAs集成无源器件（Integrated Passive Device, IPD）、CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）和GaN（Gallium Nitride）等，通常采用平面结构构建电感和电容。其中的电感多采用方形或圆形螺旋结构，这种水平布局往往需要占用较大的芯片面积，难以满足现代电子设备对紧凑尺寸的要求。虽然诸如硅通孔（Through-Silicon Via, TSV）和玻璃通孔（Through-Glass Via, TGV）等三维集成技术能够通过垂直结构节省空间，但这些技术中电感器的建模值与实际值之间存在显著差异，设计挑战较大。另一方面，为了提升滤波器的频率选择性，通常需要引入传输零点（Transmission Zero, TZ），传统方法是通过构建电容耦合或在非相邻谐振器之间形成交叉耦合来实现，但这会引入额外的布线，增加插入损耗，使设计更加复杂。

面对这些挑战，发表在《Chinese Journal of Electronics》上的一项研究提出了一种创新的解决方案。该研究由电子科技大学的郑燕、田瀚宇和董源丹完成，他们巧妙地将变压器理论应用于片上滤波器的设计，成功开发出基于GaAs IPD工艺的微型化低通和高通滤波器。这项研究的核心思想是利用电感之间的互感耦合来控制传输零点的位置，从而在不增加额外元件和布线的情况下，实现滤波器性能的显著提升。

研究人员为开展此项研究，主要应用了以下几项关键技术：基于变压器理论的等效电路建模与ABCD矩阵分析、采用三金属层GaAs IPD工艺实现微型化布局、利用金属层堆叠构建可调控的互感耦合结构、通过等效传输线替代传统螺旋电感以降低损耗，以及结合电磁仿真与实验测试进行性能验证。

II. 低通滤波器设计与分析

研究首先提出了一个基于变压器理论的三阶低通滤波器单元。该单元的电路结构包含两个存在互感L_M的电感L₁和L₂，以及一个并联电容C₁。通过建立该电路的ABCD传输矩阵模型，研究人员推导出了其S参数表达式，特别是传输系数S₂₁的数学形式。

分析表明，由于互感L_M的存在，该滤波器单元能够在频响特性中产生一个传输零点，从而增强阻带抑制能力。传输零点的位置f_TZ与电路参数之间的关系可表示为：f_TZ= 1/(2π√(K_MC₁√(L₁L₂)))，其中K_M为耦合系数。这意味着通过调整互感的大小，可以灵活控制传输零点的频率位置。

研究人员进一步发现，当两个电感的重叠距离w₂增大时，耦合系数K_M减小，传输零点向高频方向移动；反之则向低频方向移动。同时，改变电感L₁和L₂的值也会影响滤波器的截止频率，但传输零点的位置可以通过调整K_M进行独立控制。

基于这一基本单元，研究人员构建了一个七阶低通滤波器。该滤波器由两个低通滤波器单元通过一个接地的LC串联谐振器连接而成。中间的谐振器可以产生一个额外的传输零点，其位置由电感L₃和电容C₂的值共同控制。因此，整个滤波器能够产生三个传输零点，显著提高了频率选择性。

在工艺实现方面，研究选择了100μm厚的GaAs工艺，该工艺包含三个金属层（M1、M2、M3），厚度分别为1μm、2μm和4μm。电容采用金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）结构，由M1和M2金属层以及SiN和聚酰亚胺介质构成。

布局设计上，研究人员没有采用传统的螺旋电感，而是使用等效的感性传输线来实现所需的电感值。这种方法显著降低了整体损耗，同时为布局设计提供了更大的灵活性，有利于实现芯片的微型化。互感是通过两个电感在水平方向上的重叠来实现的，通过控制重叠程度和两个电感磁场的相对方向，可以控制互感的大小和方向。

仿真结果显示，该七阶低通滤波器的通带范围从直流（DC）到12GHz，具有三个明显的传输零点。其中TZ₁由电感L₃和电容C₂共同作用产生，而TZ₂和TZ₃在频率上重叠，由两对电感之间的互感产生。通带内的群延迟小于0.12纳秒。

III. 高通滤波器设计与分析

1. 高通滤波器A的设计

研究团队还提出了两种基于变压器理论的高通滤波器设计。第一种高通滤波器（HPF A）由三个串联电容和两个互耦电感组成。通过引入互感，在两个端口之间形成了两个信号传输路径，当互感系数K_M1为正值时，可以在通带左侧产生一个传输零点。

具体的HPF A电路包含四个串联电容（C₁, C₂, C₃, C₄）和三个接地电感（L₁, L₂, L₃）。为了在非相邻电感之间构建交叉耦合以产生传输零点，在电感L₁和L₃之间引入了互感耦合，耦合系数为K_M1。这种磁交叉耦合的存在导致信号从端口1到端口2有两条不同的路径，由于两条路径之间存在相位差，从而在截止频率下方引入了一个传输零点。

在布局实现上，电感被其等效传输线替代，电容采用MIM电容。电感L₁和L₃分别使用M2和M3金属层构建，在水平方向上有部分重叠，从而实现交叉耦合。重叠量决定了互感系数K_M1的大小。

仿真结果显示，HPF A的电路仿真与布局仿真响应吻合良好，响应在11.8GHz处伴有一个传输零点，增强了左侧的带外抑制。通带范围内的群延迟优于0.15纳秒。

2. 高通滤波器B的设计

第二种高通滤波器（HPF B）是一个九阶电路，由七个串联电容（C₁, C₂, C₃, C₄, C₅, C_f1, C_f2）和四个接地电感（L₁, L₂, L₃, L₄）组成。该滤波器在相邻电感之间建立互感耦合，L₁与L₂之间以及L₃与L₄之间的磁耦合系数分别记为K_M1和K_M2。

为了引入两个传输零点，电感之间采用了强磁耦合。在布局中，L₁和L₂使用不同的金属层构建，L₃和L₄也采用类似的模式。此外，它们在水平方向上有大的重叠区域，产生了额外的平面电容，记为C_f1和C_f2。布局上的部分重叠以及寄生电容的引入进一步促进了HPF的微型化。

仿真结果显示，HPF B的布局和等效电路响应在通带左侧均表现出两个传输零点，但布局中的两个传输零点较浅。通带内的群延迟优于0.22纳秒。

为了验证HPF B的两个传输零点是独立可控的，研究人员分析了K_M1和K_M2作为变量时的电路响应。当增大K_M1时，TZ₂的位置保持不变，而通带截止频率增加；同样，当增大K_M2时，TZ₁保持不变，截止频率逐渐增加。这表明两个传输零点可以通过调整不同的耦合系数进行独立控制。

IV. 测试结果与讨论

为了验证所提出的基于变压器理论的低通和高通滤波器设计方法的可行性，研究人员制作并测试了三个芯片滤波器。

低通滤波器的测试结果显示，最小带内插入损耗（Insertion Loss, IL）为0.13 dB，回波损耗（Return Loss, RL，|S₁₁|）优于15 dB。在2.3 GHz处测量到一个传输零点。LPF的核心尺寸为0.42×1.09 mm²（不包括测试焊盘）。

高通滤波器A的测试结果与仿真相比存在轻微的频率右偏，传输零点位置也有轻微偏差。在通带范围（14.5-40 GHz）内的最小损耗为0.85 dB。芯片尺寸（不包括接地-信号-接地，GSG）仅为0.52×0.84 mm²。

九阶高通滤波器B的测试与仿真在低频段拟合良好，高频段存在轻微频率偏移。测试结果在通带内的最小损耗为0.72 dB。芯片尺寸为0.61×0.84 mm²。

与以往研究的性能比较表明，所提出的低通滤波器在尺寸和损耗方面均表现出优势。与基于微带结构的LPF相比，该结构具有更低的损耗；与基于准集总SISL（Substrate Integrated Suspended Line）的LPF相比，所提出的结构在尺寸和损耗方面均具有优势。

同样，与以往的高通结构相比，HPF A表现出更高的滚降率，而HPF B显示出更好的带外抑制能力。与基于SISL的准集总或分布式结构相比，两种提出的HPF具有更显著的尺寸优势。

V. 结论

本研究提出了基于互感理论的低通和高通滤波器单元，并采用GaAs技术设计了三种滤波器结构。这些结构利用了不同类型的磁耦合：LPF采用正弱磁耦合；HPF A采用负弱磁耦合；HPF B采用正强磁耦合。通过传输线的等效电长度，实现了不同极性和强度的磁耦合的灵活实现。

通过利用电感之间的非互易互感，在阻带内引入了传输零点，增强了选择性和带外抑制，而无需额外的集总元件或布线。通过巧妙调整互感大小，实现了传输零点的可控分布。互感的使用允许在布局设计中电感在水平方向重叠，有利于滤波器的小型化。

这项研究的成功不仅为无线通信和射频前端提供了高性能的微型化滤波解决方案，也为未来片上无源器件的设计提供了新的思路和方法。特别是在5G通信、物联网设备等对尺寸和性能要求极高的应用领域，这种基于变压器理论的IPD滤波器设计方法具有广阔的应用前景。