通过去嵌入技术优化的具有可控TZs的紧凑型IPD带通滤波器

《Microelectronics Journal》：A Compact IPD Bandpass Filter with Controllable TZs Optimized through De-Embedding Technique

　　

摘要：

本文提出了一种基于砷化镓集成无源器件技术的集总型带通滤波器。该滤波器采用三阶切比雪夫结构，并结合并联谐振路径设计。在谐振器外部引入集总元件，形成对称的双模单元，从而产生两个可共同控制的传输零点，进一步提升频率选择性和阻带抑制能力。通过分析集总元件的物理尺寸与性能之间的关系，可实现高Q值设计，增强电路的共振能力。为验证这一方法，研究人员利用砷化镓集成无源器件技术制造出了N77频段（3.3–4.2 GHz）的带通滤波器。实验结果与仿真数据高度吻合，该滤波器具有体积小、阻带抑制能力强且抑制深度大的优点。具体而言，其在中心频率3.75 GHz时的插入损耗仅为1.77 dB，且阻带内存在多个传输零点，其尺寸为0.014 × 0.007 λ?2，其中λ?为f?对应的空气中的波长。

引言

随着电子系统向高度集成化和多功能化发展，基于集成无源器件的微型化滤波器因其小巧的体积而受到了广泛研究。然而，集成无源器件工艺的Q值较低，导致其阻带抑制能力和通带边缘选择性不如使用分立元件构成的滤波器，难以满足射频通信领域的严格要求。因此，研究兼具微型化特性和高性能的片上滤波器具有重要意义[1]、[2]。

在传统工艺中，通过结构优化可以在实现器件微型化的同时保持高Q值性能。在[3]、[4]中，分别通过在表面声波设计中嵌入传输线以及抑制谐振器中的横向模式分量来提升Q值。基于低温共烧陶瓷的多层特性，[5]中提出了一种新的差分耦合机制，以实现更紧凑的布局。

在集成无源器件技术中，对器件微型化及Q值的追求尤为突出。[6]中提出了一种三路结构，通过生成多个传输零点来实现通带边缘的快速衰减和深度抑制。但这种设计由于需要低值电感器，会导致较大的布局面积浪费。[7]、[8]中的研究则引入了改进的π网络结构，以产生独特的电磁响应，从而提升选择性。[9]中提出了一种双模片上滤波器，以实现高选择性。此外，将印刷电路板走线与半波长阻抗谐振器相结合的半集总式设计也展现了出色的选择性和隔离性能[10]、[11]，但代价是牺牲了微型化程度。通过等效电路分析和结构优化，人们也实现了紧凑型的二阶滤波器结构[12]。最近，三维集成技术为开发具有更高选择性的紧凑型滤波器提供了新途径。[13]中，将三维复合左右手结构与基于TGV的SIW谐振器相结合，利用寄生耦合和连续体中的高Q准束缚态，无需额外的分立LC元件即可生成四个可独立控制的传输零点，从而实现快速衰减和宽阻带抑制效果。在[14]中，基于TSV的八模SIW谐振器使其谐振器面积相比全模结构减少了约87.5%，同时通过电磁混合耦合引入了可控的传输零点，提升了通带边缘的选择性。现有的集成无源器件带通滤波器设计主要从滤波器拓扑结构层面入手，通过多传输路径、改进的π网络、双模结构、混合耦合谐振器以及交叉耦合技术等方式来提升频率选择性、带外抑制能力和微型化程度。这些方法在提升滤波器性能方面取得了良好效果。不过，以往的研究大多侧重于优化电路拓扑结构和耦合机制，而尚未充分系统地探讨片上无源器件的固有特性与其实际实现方式之间的关系。尤其是，如何利用去嵌入后的器件参数来分析物理尺寸对电感、电容、Q值及自谐振频率的影响，进而指导高Q值器件的选择、滤波器的综合设计以及布局实现，仍需进一步研究。

本文提出了一种基于去嵌入分析的带通滤波器优化设计方法。图1展示了所提出的基于去嵌入优化的砷化镓集成无源器件带通滤波器的整体设计流程。与传统拓扑优化或工艺改进方法不同，本研究侧重于对工艺基础器件进行深入分析，并将分析结果直接应用于布局优化，以此提升滤波器性能。通过对螺旋电感器和金属-绝缘体-金属电容器的等效电路建模及物理尺寸参数分析，能够准确描述工艺特性。基于此分析，本文采用了切比雪夫网络结合精确的传输零点设计，通过两个可控制的传输零点来实现通带的快速衰减和宽阻带抑制。该方法有效解决了传统滤波器设计中带外抑制能力不足的问题，为高性能射频前端设计提供了新的解决方案。

内容片段

去嵌入技术

在本研究中，采用了OPEN-SHORT去嵌入方法，以消除芯片焊盘和连接互连对测试器件特性分析结果的影响。对于本研究所研究的紧凑型砷化镓集成无源器件集总元件，原始测试结构中的主要外部影响来自GSG探针焊盘引入的并联寄生导纳以及金属连接互连引入的串联寄生阻抗。OPEN-SHORT方法可以

电路设计

所提出的片上带通滤波器是基于砷化镓集成无源器件技术实现的。图6(a)展示了该滤波器的三维布局结构。图6(b)的右下角显示了金属层结构：TM?用于平面电感器，而TM?-TM?间隙则用于金属-绝缘体-金属电容器。此外，还可以通过过孔将信号接地端与电路相连。图6(c)展示了该滤波器的原理图。这是一种三阶切比雪夫带通滤波器，可通过并联-串联谐振结构提升选择性。

测量与分析

为进行实验验证，本研究采用了100微米级的砷化镓集成无源器件技术来实现所提出的三阶带通滤波器。图9对比了实测与仿真得到的S参数，并展示了所制备滤波器芯片的显微图像。该片上带通滤波器的尺寸为1.13 × 0.56平方毫米。仿真结果与实测数据的高度一致性表明，基于去嵌入技术的器件特性分析能够为电路综合和布局协同优化提供更可靠的器件参数，进而

结论

本文基于去嵌入分析设计了一种N77频段的砷化镓集成无源器件带通滤波器。该滤波器采用三阶切比雪夫结构，并结合并联谐振路径设计。对称的双模谐振单元通过主传输路径与辅助谐振路径的共同作用，产生了两个位置可共同控制的传输零点。此外，本文还采用基于去嵌入后器件特性的高Q值器件设计方法，实现了低插入损耗、强带外抑制能力以及

利益冲突声明

所有作者均未披露任何相关利益关系。

致谢

本研究部分得到了中国山东省的重点研发计划（项目编号2024KJHZ013）、中国国家自然科学基金（项目编号62320106002及U22A2014）以及中国山东省自然科学基金（项目编号ZR2023ZD03）的支持。

Jing-Yang Gao|Cong Wang|Jin-Yu Wang|Ji-Hu Li|Yang-Yang Lv|Yang Li

哈尔滨工业大学电子与信息工程学院，中国哈尔滨150001