基于GaAs IPD的K波段滤波器芯片的设计资料分析总结.doc
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1、基于GaAs IPD的K波段滤波器芯片的设计资料分析总结基于砷化镓集成无源器件(Integrated Passive Device,IPD)工艺,研制出了一款性能优良的K波段发夹型带通滤波器芯片,测试结果表明:在19.521.3 GHz频带内,该芯片滤波器的插入损耗2.6 dB,最小插入损耗为20 GHz处2.2 dB, 带内输入输出回波损耗-25 dB,群时延波动50 ps, 测试结果与仿真设计十分吻合。该滤波器尺寸仅为2.96 mm1.8 mm0.1 mm,相比传统工艺的微波滤波器,体积大大缩小,符合当前通信、雷达等微波系统中器件小型化的发展趋势,具有广阔的应用前景。0 引言随着当代半导体
2、工艺与器件的日趋改善与进步,得益于系统级封装(System In Package,SIP)的集成架构与设计思路,当代雷达、通信、电子战等微波系统朝着小型化、高密度集成、高可靠性、低成本等方向发展,因此对微波系统中器件与模块提出了更高的要求。微波滤波器作为微波系统中重要的无源器件,在射频前端应用广泛,其各项指标很大程度地影响着微波系统的整体指标。在(亚)毫米波频带的实际工程应用中,PCB、LTCC、腔体等传统工艺制造的滤波器1-3由于其相对尺寸过大、加工精度、量产一致性及难以与系统集成等问题已无法满足当代微波系统小型化与高性能的要求,而当前采用体声波和声表面波技术的MEMS滤波器4-5虽然拥有较
3、小的尺寸和不错的量产能力,但是由于材料与工艺的限制,其实际应用的频段目前主要在C波段以下,无法满足更高频率的微波系统的需求。GaAs作为第二代半导体材料,采用GaAs衬底的高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)等有源工艺制造的如功放、移相器等有源芯片早已大量应用在各军用及民用微波系统中。在无源器件的实现上,得益于GaAs衬底极低的介质损耗(为万分之一量级)和微电子工艺制程,采用GaAs衬底IPD工艺制造的如滤波器、功分器、耦合器等器件具有较高的性能与加工精度、较小的体积、优秀的量产一致性,因此十分适合于微波毫米波系统中的大规模应用。本
4、文则是基于国内某GaAs IPD工艺线,研制出了一款K波段带通芯片滤波器,体积仅为2.96 mm1.8 mm0.1 mm,比原有采用传统工艺制造的器件,体积缩小了约80%,实现了无源器件的小型化,其相应的性能指标完全满足系统需求。1 工艺简介为了使微波无源器件在GaAs衬底上集成,本项目的IPD工艺使用先进和高成品率的微电子制造过程,其工艺典型的无源器件的衬底模型示意图如图1所示。图1中底部的100 m的GaAs为整个集成无源器件的衬底介质,再通过若干如光刻、显影、溅射、剥离、金属蒸镀、刻蚀等微电子工艺即可在衬底上面形成一系列的金属、电介质、过孔等多层结构,可形成不同的基本无源元件如MIM(M
5、etal-Instric-Metal)电容、螺旋电感、TFR(Thin Firm Resistor)电阻等,该IPD工艺的典型参数指标如表1所示。2 带通滤波器设计2.1 耦合矩阵综合根据滤波器耦合矩阵的理论6,无论何种结构的微波滤波器,其电特性参数由其耦合系数矩阵m和外部品质因素QE所决定,n阶滤波器的典型广义耦合矩阵如式(1)所示:因为滤波器为互易无源器件,所以式(1)的滤波器广义耦合矩阵是对称的,其中mii为各个谐振器频率的相对偏移,对于同步调谐的滤波器来说,mii=0;mij为谐振器间的互耦合系数,其与耦合强度成正相关关系,决定了滤波器的相对带宽大小。实际应用中,需要将广义耦合矩阵通过
6、式(2)转换成狭义耦合矩阵:式中,f0为滤波器的中心频率,BW为滤波器的带宽。结合实际项目中对滤波器的指标要求:中心频率为20.4 GHz、带宽大于1.8 GHz,并需要较高的带外抑制,拟采用5阶契比雪夫响应的形式来实现,结合CoupleFil滤波器矩阵综合软件和式(2)可以确定该滤波器的狭义耦合矩阵如式(3)所示。2.2 电路原理图设计2.2.1 谐振单元的确定在确定了滤波器的狭义耦合矩阵和外部品质因素后,需进行具体的电路设计。根据微波滤波器基本理论知识6,可采用1/2介质波长的开路微带线作为基本谐振单元,为了减小滤波器的插入损耗即需要提高单个谐振器的Q值,微带线损耗即影响谐振器Q值的主要因
7、素为其导体损耗,导体基本的电阻计算公式为:式中,为导体的电阻率,L为导体长度,h和w分别为导体横截面的厚度和宽度。可知在导体电阻率e和长度L确定的条件下,要想减小微带线的导体损耗主要有两种方法:第一种方法就是增加导体的厚度,结合本IPD的工艺特性,可选择M1+M2两层导体(其中M1层厚1 m,M2层厚2 m)同时走线方式,即将M1与M2层之间的SiN刻蚀后金属化填充,使总导体厚度达到该工艺目前的3 m的最大值;第二种方法则是增加导体的宽度,结合Txline软件可计算出在频率20.4 GHz处,100 m厚的GaAs衬底上的特征阻抗为50 ,半波长的微带线的宽度和长度分别约为70 m和2 600
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