基于GaAs技术的准集总元件可调带通滤波器

《Micromachines》：A Quasi-Lumped Element Tunable Bandpass Filter Based on GaAs Technology Xulei Cheng and Bin You

　　

本文提出一种采用砷化镓（GaAs）工艺制造的小型化可调带通滤波器芯片。在版图设计中，研究人员利用准集总元件替代传统螺旋电感，并集成片上PN结变容二极管和金属-绝缘体-金属（MIM）电容。通过引入源-负载耦合结构与接地串联LC谐振器，产生三个传输零点（TZs），从而增强频率选择性。通过独立调节耦合电容和接地串联LC谐振结构，滤波器的工作频率实现连续可调。研究人员建立等效电路模型以分析滤波器性能。为实验验证，加工并测量了所提滤波器，芯片紧凑面积为1.35×1.365 mm2。测量结果显示中心频率调谐范围为5.4至6.2 GHz，与仿真结果吻合良好，从而验证了所提出的小型化连续可调滤波器方案。

**研究背景与意义**
现代无线终端设备持续小型化，通信频段数量不断增加，对紧凑型多频段滤波器需求日益迫切。可调滤波器作为实现多频段工作的有效解决方案受到广泛关注。传统基于印刷电路板（PCB）的变容二极管调谐滤波器虽性能良好，但受限于PCB工艺，整体尺寸较大，难以满足高度集成射频前端组件的紧凑性要求。在小型化滤波器方案中，集成无源器件（IPD）技术（如硅基、玻璃基及GaAs基IPD工艺）因高制造精度和高品质因数（Q）展现应用潜力，但通常缺乏片上调谐元件，导致工作频段固定。为克服该局限，部分研究尝试将IPD与外部调谐组件结合（如微机电系统（MEMS）或钛酸锶钡（BST）变容管），但系统复杂度增加。基于GaAs赝配高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺的可重构滤波器通过控制晶体管开关状态调节传输零点（TZ）位置或调谐谐振器，实现中心频率或带宽调谐。CMOS Q增强型可调滤波器及N路径滤波器也可实现调谐，但各有局限。在此背景下，研究人员提出一种基于新型GaAs变容二极管工艺的准集总元件可调带通滤波器，旨在实现紧凑尺寸、连续调谐与优良选择性的平衡。该研究发表在《Micromachines》。

**关键技术与方法**
（不超过250字）
研究人员采用GaAs IPD工艺，衬底介电常数12.9、厚100 μm，金属层M1（1 μm金）和M2（4 μm金）；集成氮化硅（SiN）MIM电容（密度720 pF/mm2）及片上PN结变容二极管。在版图中用微带线实现准集总电感（宽15 μm），其Q值优于螺旋电感。通过分析等效电路，确定耦合电容C1和接地串联LC谐振电容C2为调谐元件，设计两种变容管结构（双管串联Type A及单管串联MIM电容Type B），并包含限流电阻（562.5 Ω）。采用电磁（EM）仿真软件Momentum提取参数，进行EM协同仿真（emCosim），并在25℃下测量。

**研究结果**
（保留每个小标题并总结）
**2.1 电路配置**
研究人员展示了工艺截面：GaAs衬底、SiN介质、背孔（BSV）接地。电路包含两个金属层，M2用于微带线以降低导体损耗。片上集成PN结变容二极管（VDN与VDP间偏压改变耗尽层宽度调节电容），实现电压控制调谐。版图中采用准集总结构替代螺旋电感，并用MIM电容与变容管组合设计。对称结构简化调谐流程，源-负载耦合增强通带选择性。等效电路包含9个电感和7个电容，C1为耦合电容，C2与L2形成接地串联LC谐振器引入TZ，L3、C3、L4构成匹配网络，C4提供源-负载耦合。
**2.2 电路分析**
研究人员推导无源-负载耦合时的ABCD矩阵，并叠加源-负载耦合路径的导纳矩阵，得到总Y矩阵及S参数表达式。当两路径转移导纳幅值相等且相位差180°时形成TZ。仿真显示，无源-负载耦合时仅有一个TZ（由C2-L2决定），加入耦合电容C4后，TZ0向通带偏移，并产生两个额外TZ，增强了通带选择性。
**2.3 可调带通滤波器设计**
受工艺限制，集总元件滤波器中心频率通常低于6 GHz，圆形螺旋电感Q值较低且面积大。EM仿真表明，在6 GHz、线宽15 μm下，微带线电感的Q值显著高于螺旋电感，且可实现更小电感值，提供更大设计灵活性。基于微带线长度（最长1.4 mm）远小于导波波长λg/4（λg≈13.9 mm），满足准集总元件条件。通过调节C1可改变滤波器带宽（图8a），调节C2可改变TZ位置（图8b），两者协同实现中心频率连续调谐。为满足不同调谐需求，设计两种变容管结构：Type A（两个20 μm×30 μm变容管串联）提供更宽电容调谐范围，用于C1；Type B（20 μm×30 μm变容管串MIM电容）调谐范围较小但抗直流抖动，用于C2。电阻设为562.5 Ω以限制电流并隔直。
**3 测量与讨论**
研究人员在探针台上进行测量，使用直流电源提供两路独立偏压（V1、V2），矢量网络分析仪（VNA）配合100 μm间距GSG探针测量S参数。芯片面积1.35×1.365 mm2。测量结果表明，在0–12 GHz内产生三个TZ。三种偏压状态下，中心频率从5.4 GHz调至6.2 GHz，插入损耗2.5–3.7 dB，绝对带宽保持2.5 GHz。随偏压升高，变容管Q值增大，插入损耗降低。仿真与测量结果存在微小偏差：实测插入损耗略高、回波损耗略好，原因为探头接触寄生及校准平面偏移等非理想效应。与已有集成工艺可调滤波器相比，该滤波器尺寸紧凑（1.845 mm2）、调谐方案简单（仅两个直流电压）、实现连续调谐。

**总结与结论**
（翻译原文结论部分）
本文提出一种基于GaAs技术的可调带通滤波器。该滤波器采用新型片上变容二极管结构，并在拓扑中引入源-负载耦合以增强通带选择性。在版图实现中，采用微带结构替代小电感值的集总电感，从而改善滤波器性能，同时实现集总元件难以达到的小电感值。测量结果与仿真吻合良好。该滤波器在紧凑芯片面积内实现了中心频率连续调谐，为小型化可调滤波器提供了一种有效设计方法。