基于砷化鎵集成無源器件（Integrated Passive Device，IPD）工藝，研制出了一款性能優(yōu)良的K波段發(fā)夾型帶通濾波器芯片，測試結(jié)果表明：在19.5～21.3 GHz頻帶內(nèi)，該芯片濾波器的插入損耗＜2.6 dB,最小插入損耗為20 GHz處2.2 dB, 帶內(nèi)輸入輸出回波損耗＜-25 dB，群時(shí)延波動(dòng)＜50 ps, 測試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)十分吻合。該濾波器尺寸僅為2.96 mm×1.8 mm×0.1 mm，相比傳統(tǒng)工藝的微波濾波器，體積大大縮小，符合當(dāng)前通信、雷達(dá)等微波系統(tǒng)中器件小型化的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

0 引言

隨著當(dāng)代半導(dǎo)體工藝與器件的日趨改善與進(jìn)步，得益于系統(tǒng)級(jí)封裝（System In Package，SIP）的集成架構(gòu)與設(shè)計(jì)思路，當(dāng)代雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)等微波系統(tǒng)朝著小型化、高密度集成、高可靠性、低成本等方向發(fā)展，因此對(duì)微波系統(tǒng)中器件與模塊提出了更高的要求。

微波濾波器作為微波系統(tǒng)中重要的無源器件，在射頻前端應(yīng)用廣泛，其各項(xiàng)指標(biāo)很大程度地影響著微波系統(tǒng)的整體指標(biāo)。在（亞）毫米波頻帶的實(shí)際工程應(yīng)用中，PCB、LTCC、腔體等傳統(tǒng)工藝制造的濾波器[1-3]由于其相對(duì)尺寸過大、加工精度、量產(chǎn)一致性及難以與系統(tǒng)集成等問題已無法滿足當(dāng)代微波系統(tǒng)小型化與高性能的要求，而當(dāng)前采用體聲波和聲表面波技術(shù)的MEMS濾波器[4-5]雖然擁有較小的尺寸和不錯(cuò)的量產(chǎn)能力，但是由于材料與工藝的限制，其實(shí)際應(yīng)用的頻段目前主要在C波段以下，無法滿足更高頻率的微波系統(tǒng)的需求。

GaAs作為第二代半導(dǎo)體材料，采用GaAs襯底的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）等有源工藝制造的如功放、移相器等有源芯片早已大量應(yīng)用在各軍用及民用微波系統(tǒng)中。在無源器件的實(shí)現(xiàn)上，得益于GaAs襯底極低的介質(zhì)損耗（為萬分之一量級(jí)）和微電子工藝制程，采用GaAs襯底IPD工藝制造的如濾波器、功分器、耦合器等器件具有較高的性能與加工精度、較小的體積、優(yōu)秀的量產(chǎn)一致性，因此十分適合于微波毫米波系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。

本文則是基于國內(nèi)某GaAs IPD工藝線，研制出了一款K波段帶通芯片濾波器，體積僅為2.96 mm×1.8 mm×0.1 mm，比原有采用傳統(tǒng)工藝制造的器件,體積縮小了約80%，實(shí)現(xiàn)了無源器件的小型化，其相應(yīng)的性能指標(biāo)完全滿足系統(tǒng)需求。

1 工藝簡介

為了使微波無源器件在GaAs襯底上集成，本項(xiàng)目的IPD工藝使用先進(jìn)和高成品率的微電子制造過程，其工藝典型的無源器件的襯底模型示意圖如圖1所示。

圖1中底部的100 μm的GaAs為整個(gè)集成無源器件的襯底介質(zhì)，再通過若干如光刻、顯影、濺射、剝離、金屬蒸鍍、刻蝕等微電子工藝即可在襯底上面形成一系列的金屬、電介質(zhì)、過孔等多層結(jié)構(gòu)，可形成不同的基本無源元件如MIM(Metal-Instric-Metal)電容、螺旋電感、TFR(Thin Firm Resistor)電阻等，該IPD工藝的典型參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 帶通濾波器設(shè)計(jì)

2.1 耦合矩陣綜合

根據(jù)濾波器耦合矩陣的理論[6]，無論何種結(jié)構(gòu)的微波濾波器，其電特性參數(shù)由其耦合系數(shù)矩陣m和外部品質(zhì)因素QE所決定，n階濾波器的典型廣義耦合矩陣如式(1)所示：

因?yàn)闉V波器為互易無源器件，所以式(1)的濾波器廣義耦合矩陣是對(duì)稱的，其中mii為各個(gè)諧振器頻率的相對(duì)偏移，對(duì)于同步調(diào)諧的濾波器來說，mii=0；mij為諧振器間的互耦合系數(shù)，其與耦合強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，決定了濾波器的相對(duì)帶寬大小。實(shí)際應(yīng)用中，需要將廣義耦合矩陣通過式(2)轉(zhuǎn)換成狹義耦合矩陣：

式中，f0為濾波器的中心頻率，BW為濾波器的帶寬。結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中對(duì)濾波器的指標(biāo)要求：中心頻率為20.4 GHz、帶寬大于1.8 GHz，并需要較高的帶外抑制，擬采用5階契比雪夫響應(yīng)的形式來實(shí)現(xiàn)，結(jié)合CoupleFil濾波器矩陣綜合軟件和式(2)可以確定該濾波器的狹義耦合矩陣如式(3)所示。

2.2 電路原理圖設(shè)計(jì)

2.2.1 諧振單元的確定

在確定了濾波器的狹義耦合矩陣和外部品質(zhì)因素后，需進(jìn)行具體的電路設(shè)計(jì)。根據(jù)微波濾波器基本理論知識(shí)[6]，可采用1/2介質(zhì)波長的開路微帶線作為基本諧振單元，為了減小濾波器的插入損耗即需要提高單個(gè)諧振器的Q值，微帶線損耗即影響諧振器Q值的主要因素為其導(dǎo)體損耗，導(dǎo)體基本的電阻計(jì)算公式為：

式中，ρ為導(dǎo)體的電阻率，L為導(dǎo)體長度，h和w分別為導(dǎo)體橫截面的厚度和寬度?？芍趯?dǎo)體電阻率e和長度L確定的條件下，要想減小微帶線的導(dǎo)體損耗主要有兩種方法：第一種方法就是增加導(dǎo)體的厚度，結(jié)合本IPD的工藝特性，可選擇M1+M2兩層導(dǎo)體（其中M1層厚1 μm，M2層厚2 μm）同時(shí)走線方式，即將M1與M2層之間的SiN刻蝕后金屬化填充，使總導(dǎo)體厚度達(dá)到該工藝目前的3 μm的最大值；第二種方法則是增加導(dǎo)體的寬度，結(jié)合Txline軟件可計(jì)算出在頻率20.4 GHz處，100 μm厚的GaAs襯底上的特征阻抗為50 Ω，半波長的微帶線的寬度和長度分別約為70 μm和2 600 μm。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮采用寬度更大即特抗阻抗更低的微帶諧振器作為諧振器單元，為了節(jié)約版圖面積即實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化，將微帶開路諧振單元設(shè)計(jì)成U型的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。

2.2.2 耦合系數(shù)的仿真

在確定了濾波器基本諧振單元的尺寸后，需要根據(jù)狹義耦合系數(shù)矩陣和外部品質(zhì)因素來綜合出各個(gè)諧振器間的實(shí)際物理尺寸，發(fā)夾型微帶諧振器單元間主要通過縫隙耦合，以1和2諧振單元為例，諧振器間的耦合系數(shù)仿真示意圖如圖2所示。

影響發(fā)夾諧振器間耦合系數(shù)的因素即為兩個(gè)發(fā)夾諧振單元的縫隙（即如圖3中的S21變量），仿真初值為80 μm，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3的S參數(shù)仿真結(jié)果可知，其仿真曲線有兩個(gè)諧振尖峰點(diǎn)f1和f2，分別為18.46 GHz和20.62 GHz。為了使源和負(fù)載耦合效應(yīng)對(duì)諧振單元間耦合的影響最小化，仿真過程中盡可能加大圖中源端和負(fù)載端微帶與諧振單元間的縫隙（即圖3中的S11變量），使得兩個(gè)諧振尖峰頻率不隨S11變量的變化而變化為止。諧振器間耦合系數(shù)的綜合近似公式為：

根據(jù)圖3的仿真結(jié)果和式(6)，對(duì)比式(3)的狹義耦合矩陣，可知其耦合系數(shù)比理想值偏大，耦合過強(qiáng)，因此要適當(dāng)增加兩個(gè)諧振單元的縫隙以降低兩者的耦合強(qiáng)度。由于本濾波器采用輸入輸出完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，同理只需再對(duì)諧振器2和3之間進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)兩者間的耦合系數(shù)，以滿足理論的耦合系數(shù)值，即可得到5個(gè)諧振單元間縫隙大小的初值。

2.2.3 外部品質(zhì)因素的仿真

在確定完各諧振單元間的耦合縫隙大小即耦合系數(shù)后，需要通過改變?yōu)V波器輸入輸出饋電位置來調(diào)節(jié)其外部品質(zhì)因素的大小，外部品質(zhì)因素原理圖仿真示意圖如圖4所示。

在諧振單元確定的情況下，采用特征阻抗50 Ω即寬度為70 μm的微帶線進(jìn)行直接饋電，其外部品質(zhì)因素由圖4中的ky1參量即饋電點(diǎn)距離發(fā)夾諧振器底部的距離來決定，圖4的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5中f0為單個(gè)發(fā)夾型諧振器的諧振頻率即20.38 GHz，f1和f2分別為S11相位與諧振頻率點(diǎn)處相差±90°的兩側(cè)頻點(diǎn)，分別約為19.31 GHz和21.45 GHz，頻域法的外部品質(zhì)因素估算公式為：

即外部品質(zhì)因素約等于諧振點(diǎn)處頻率f0除以兩側(cè)與f0相位各相差90°頻點(diǎn)的差值，圖5中ky1等于210 μm時(shí)，計(jì)算得出的Qe為9.5要小于理論值的11。因此需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)饋電點(diǎn)的位置，即ky1的值以滿足初步理論的指標(biāo)要求，最終各參數(shù)的值見下文。

2.3 版圖的仿真與設(shè)計(jì)

由于上節(jié)基于原理圖和耦合矩陣?yán)碚撎崛〉某醪匠叽缰皇轻槍?duì)單個(gè)或兩個(gè)諧振器而言的，而忽略了其他諧振單元耦合效應(yīng)的影響, 同時(shí)原理圖相對(duì)簡單的電路級(jí)仿真已無法準(zhǔn)確地預(yù)測K波段下的電磁場結(jié)果，原理圖仿真的尺寸參數(shù)只能作為版圖設(shè)計(jì)的參考初值，與最終實(shí)際物理尺寸可能存在一定甚至是較大的偏差。因此鑒于GaAs IPD工藝具有精準(zhǔn)的電磁（EM）仿真模型，在上節(jié)綜合出濾波器各單元結(jié)構(gòu)的初步尺寸后，可直接根據(jù)該IPD的工藝設(shè)計(jì)規(guī)則和模型進(jìn)行基于Momentum的芯片濾波器整體版圖仿真與設(shè)計(jì)。

版圖設(shè)計(jì)時(shí)主要需參考整體原理圖的仿真結(jié)果和耦合矩陣?yán)碚?，?duì)影響濾波器性能的主要參數(shù)即各諧振器的長度(l)、寬度(w)、諧振單元間的耦合縫隙(S12和S23)、輸入輸出饋電點(diǎn)的位置（ky1）進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而找到上述變量對(duì)濾波器的插損、帶寬、通帶范圍等特性影響的變化趨勢，并且需在芯片尺寸與整體性能做出一定的折中，這是一個(gè)不斷迭代的過程，最終上述各參數(shù)調(diào)節(jié)后的取值及對(duì)濾波器特性主要影響關(guān)系見表2。

最終流片的版圖如圖6所示，芯片尺寸為2.96 mm×1.8 mm×0.1 mm。

3 實(shí)物與測試結(jié)果

其他微電子工藝如Si CMOS、GaAs HEMT等有源芯片的流片時(shí)間長達(dá)3～5個(gè)月，而基于GaAs IPD工藝的無源MMIC由于其日趨成熟穩(wěn)定的工藝與純無源結(jié)構(gòu)，具有較快的流片周期，典型的流片時(shí)間僅為20天，十分符合現(xiàn)代快速的科研生產(chǎn)需求。最終本文研制的小型化K波段帶通濾波器芯片實(shí)物如圖7所示。

濾波器芯片采用Keysight公司的N5247A矢網(wǎng)和Cascade公司的ACP系列的GSG-150探針進(jìn)行測試，實(shí)測與仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

從圖8可知，該濾波器芯片實(shí)測與仿真結(jié)果吻合度很好，驗(yàn)證了該工藝模型的準(zhǔn)確性。圖8(a)的S參數(shù)測試結(jié)果表明，在通帶19.5-21.3 GHz內(nèi)，其插入損耗最小值約2.2 dB，最大值2.6 dB，回波損耗小于-25 dB，匹配效果十分良好，其在帶外15.5 GHz與26.8 GHz處的帶外抑制已達(dá)到50 dB。圖8(b)群時(shí)延測試結(jié)果表明，該濾波器的帶內(nèi)群時(shí)延約為360～405 ps，群時(shí)延波動(dòng)小于50 ps，具有很好的相位響應(yīng)。

為了驗(yàn)證IPD工藝的穩(wěn)定與一致性，隨機(jī)抽取本次流片的5塊芯片分別進(jìn)行單獨(dú)測試，最終各芯片測試結(jié)果如圖9所示。

從圖9可知，隨機(jī)抽取的各濾波器芯片的測試結(jié)果十分吻合，難以辨別出測試結(jié)果的差異，進(jìn)而證明了該工藝的成熟與穩(wěn)定，十分符合對(duì)于一致性要求較高的批量化應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于GaAs IPD微電子工藝的發(fā)夾型K波段帶通濾波器芯片，該濾波器擁有優(yōu)良的性能和一致性，且相比采用傳統(tǒng)LTCC、薄膜、PCB工藝研制的濾波器，體積大大減小，實(shí)現(xiàn)了器件的小型化，目前已代替?zhèn)鹘y(tǒng)濾波器在某毫米波通信項(xiàng)目中直接應(yīng)用，該GaAs IPD工藝也為今后微波毫米波系統(tǒng)中其他無源器件的小型化指明了一個(gè)新的方向。