CN115313001B - 一种基于ipd的小型化高带外抑制带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器，包括基体层，金属层，金属层上形成的电路结构，其中所述带通滤波器电路结构包括所述输入端口和所述输出端口之间的m个片上变压器式滤波器,以及位于所述输入端口和片上变压器式滤波器间的n1个LC谐振器、位于所述输出端口和片上变压器式滤波器间的n2个LC谐振器，采用特定的紧凑结构和薄膜无源集成技术实现尺寸小、损耗低、带外抑制好、成本低的无源带通滤波器。采用包含变压器、电容电感组成谐振器的拓扑结构能解决带内损耗高的问题，同时增加了高次模零点加强带外抑制，并且较大地减少芯片尺寸，易于集成。
Description
技术领域
本发明属于微波集成无源器件技术领域，特别涉及一种基于IPD的小型化高带外抑 制带通滤波器。
背景技术
薄膜IPD技术通过采用多种先进半导体加工技术，如光刻、薄膜沉积和刻蚀工艺，使得加工出来的器件在微米级有更高的工艺精度，并且在保证电路高集成度的同时依旧出现较低的相互干扰。薄膜IPD技术能够实现射频微波器件的小型化并且易于与CMOS 工艺的集成，从而实现整个射频收发模块集成到芯片上。
随着通信时代的发展，滤波器作为一种对特定频段以外的频率进行有效滤除的微波 器件，在射频微波前端中得到广泛的应用，是重要的无源器件。由于IPD工艺的特点， 电感的性能很大程度上影响了IPD滤波器的性能，平面电感面积越小电感Q值越差，这 就给IPD无源器件小型化和性能设计提高了难度。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中IPD设计的问题，利用片上变压器和传统LC谐振器设计了一种小型化高带外抑制带通滤波器，采用IPD工艺设计，具有成本低、重量 轻、集成度高的优点，并通过优化实现滤波器的小型化、低插损、高带外抑制的优点。 本发明采用的技术方案如下：
一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器，包括基体层、金属层、输入端口(1)、 输出端口(2)以及金属层上形成的电路结构；
所述基体层，包括衬底层和位于衬底层上方的多层介质层；
作为优选，所述衬底层采用高阻硅材质，所述多层介质层采用氮化硅层、氧化物钝化层交叠设置，且氧化物钝化层与衬底层接触；
所述金属层，包括金属层TM1、金属层TM2、金属层M1、金属层CAP、金属过孔层 TV1、金属过孔层V1；
所述电路结构包括位于所述输入端口(1)和所述输出端口(2)之间的m个片上变压器式滤波器,以及位于所述输入端口(1)和片上变压器式滤波器间的n1个LC谐振器、位 于所述输出端口(2)和片上变压器式滤波器间的n2个LC谐振器，其中n1≥0,n2≥0,m ≥1，且n1、n2不同时为0；
作为优选，LC谐振器间采用串联、并联中的至少一种连接。
作为优选，所述LC谐振器采用传统LC谐振器结构，用于优化带外高次谐波抑制，其包括电感Ls、电容Cs，电感Ls的一端接电容Cs的一端后作为当前传统LC谐振器的 输入端，接相邻传统LC谐振器的输出端或片上变压器式滤波器的输出端或输入端口(1)； 电感Ls的另一端接电容Cs的另一端后作为当前传统LC谐振器的输出端，接相邻传统 LC谐振器的输入端或片上变压器式滤波器的输入端或输出端口(2)；
所述片上变压器式滤波器包括片上变压器12、第六电容C6、第七电容C7；片上变压器的第一端口接第四电感L4(14)的一端、第六电容C6(11)的一端后作为当前片上变压器式滤波器的输入端，接传统LC谐振器的输出端或相邻片上变压器式滤波器的输出 端或输入端口(1)，第二端口接第六电容C6(11)的另一端后接地，第三端口接第四电感 L4(14)的另一端、第七电容C7(13)的一端后作为当前片上变压器式滤波器的输出端， 接传统LC谐振器的输入端或相邻片上变压器式滤波器的输入端或输出端口(2)；
作为优选，所述电路结构包括位于所述输入端口(1)和所述输出端口(2)之间的3个传统LC谐振器、1个片上变压器式滤波器；所述3个传统LC谐振器分别是第一LC 谐振器(15)、第二LC谐振器(16)、第三LC谐振器(17)；所述片上变压器式滤波器 包括片上变压器(12)、第六电容C6(11)、第七电容C7(13)；所述输入端口(1)连接所述 第一LC谐振器(15)的一端相连，所述第一LC谐振器(15)的另一端同时与第二LC谐 振器(16)的一端和第二电容C2(5)的一端相连，第二电容C2(5)的另一端接地，第二电 容C2(5)为接地电容；第二LC谐振器(16)的另一端同时与第三LC谐振器(17)的一端和 第四电容C4(8)的一端相连，第四电容C4(8)的另一端接地，第四电容C4(8)为接地电 容；第三LC谐振器(17)的另一端连接片上变压器(12)的第一端口(12-1)、第六电容 C6(11)的一端，第六电容C6(11)的另一端接地，片上变压器(12)的第二端口(12-2)、 第四端口(12-4)接地，片上变压器(12)的第三端口(12-3)接第七电容C7(13)的一端后接输出端口(2)，第七电容C7(13)的另一端接地，此外片上变压器(1)的第一端口(12-1) 和第三端口(12-2)之间通过第四电感L4(14)连接；
所述第一LC谐振器(15)由所述第一电感L1(3)和第一电容C1(4)并联构成，所述第二LC谐振器(16)由所述第二电感L2(6)和第三电容C3(7)并联构成，所述第三LC 谐振器(17)由所述第三电感L3(10)和第五电容C5(9)并联构成；
作为优选，所述的第一电感L1(3)、第二电感L2(6)、第三电感L3(10)、第四电感 L4(14)均为八边形螺旋电感，并且由金属层TM1、金属层TM2、金属过孔层TV1螺旋构 成；
作为优选，所述片上变压器式滤波器中片上变压器采用螺旋交叉结构，包括金属层 TM1、金属层TM2以及金属层TM1和金属层TM2之间的金属过孔层TV1；
作为优选，所述片上变压器式滤波器中片上变压器采用线宽渐变结构，线宽由内向 外逐渐变宽；
作为优选，所述第一电容C1(4)、第二电容C2(5)、第三电容C3(7)、第四电容C4(8)、第五电容C5(9)、第六电容C6(11)、第七电容C7(13)通过金属层M1和金属层CAP的层间耦合构成MIM平行板电容。金属层M1和金属层TM1通过金属过孔层V1连接,金属层 CAP和金属层TM1通过金属过孔层V1连接。
本发明的有益效果为：
(1)采用渐变片上变压器和传统LC谐振器结构，可大幅度降低器件的插入损耗和芯片 面积，芯片面积可做到仅0.5mm2；
(2)引入的多个LC谐振器单元，在高次模谐波上形成多个可调零点，提高带外抑制性 能；
(3)采用薄膜IPD工艺制作器件，使得器件小型化，集成度高。
附图说明
图1为本发明提供的IPD工艺的基体层和金属层示意图；
图2为本发明基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器的版图示意图，其中(1)至(4) 分别为本发明IPD小型化高带外抑制带通滤波器芯片的四种结构电路原理示意图；
图3为本发明实例提供的IPD小型化高带外抑制带通滤波器芯片金属层上形成的电 路结构示意图；
图4为本发明实例提供的IPD小型化高带外抑制带通滤波器芯片的版图原理示意图；
图5为本发明实例提供的IPD小型化高带外抑制带通滤波器芯片的电磁仿真S参数结果图。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。
一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器，包括基体层、金属层、输入端口1、输出端口2以及金属层上形成的电路结构；所述基体层，包括衬底层和位于衬底层上方 的多层介质层；所述金属层包括金属层TM1、金属层TM2、金属层M1、金属层CAP、金 属过孔层TV1、金属过孔层V1；
如图2所示，所述基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器的版图示意图，采用片上变压器和传统LC谐振器结构，实现芯片的小型化优点，芯片面积为1mm×0.5mm；
图2(1)所示，所述电路结构的其中一种实施例，包括位于所述输入端口1和所述输出端口2之间采用串联连接的第一LC谐振器、片上变压器式滤波器、第二LC谐振器。
图2(2)所示，所述电路结构的其中一种实施例，包括位于所述输入端口1和所述输出端口2之间的第一LC谐振器、第二LC谐振器、第三LC谐振器、第四LC谐振器、 片上变压器式滤波器，片上变压器式滤波器的输入端与并联的第一LC谐振器、第三LC谐振器连接，输出端与并联的第二LC谐振器、第四LC谐振器连接。
图2(3)所示，所述电路结构的其中一种实施例，包括位于所述输入端口1和所述输出端口2之间采用串联连接的第一LC谐振器、第二LC谐振器、第三LC谐振器、片 上变压器式滤波器。
图2(4)所示，所述电路结构的其中一种实施例，包括位于所述输入端口1和所述输出端口2之间采用串联连接的片上变压器式滤波器、第一LC谐振器、第二LC谐振器。
如图1所示，本发明提供的图2-3对应一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器的电路原理示意图；
所述LC谐振器用于优化带外高次谐波抑制，所述第一LC谐振器(15)由所述第一电感L1(3)和第一电容C1(4)并联，所述第二LC谐振器(16)由所述第二电感L2(6)和第三 电容C3(5)并联，所述第三LC谐振器(17)由所述第三电感L3(10)和第五电容C5(9)并 联；
所述电路结构，所述输入端口(1)连接所述第一LC谐振器(15)的一端相连，所述第一LC谐振器(15)的另一端同时与第二LC谐振器(16)的一端和第二电容C2(4)相连， 第二电容C2(4)为接地电容，第二LC谐振器(16)的另一端同时与第三LC谐振器(17) 的一端和第四电容C4(8)相连，第四电容C4(8)为接地电容，第三LC谐振器(17)的另 一端连接至片上变压器(12)的第一端口(12-1)，同时片上变压器(12)的第一端口(12-1) 串联第六电容C6(11)接地，片上变压器(12)的第二端口(12-2)、第四端口(12-4)接地， 片上变压器(12)的第三端口(12-3)接输出端口(2)，同时片上变压器(12)的第三端口 (12-3)串联第七电容C7(13)接地，此外片上变压器(12)的第一端口(12-1)和第三端口 (12-3)之间通过第四电感L4(14)连接；
所述的第一电感L1(3)、第二电感L2(6)、第三电感L3(10)、第四电感L4(14)均为八边形螺旋电感，并且由三层金属层螺旋构成；
所述片上变压器采用螺旋交叉结构，包括金属层TM1、金属层TM2以及金属层TM1和金属层TM2之间的金属过孔层TV1；
所述片上变压器式滤波器中片上变压器采用线宽渐变结构，线宽由内向外逐渐变宽， 最小线宽6um，最大线宽14um，线间距6um，圈数为5圈；
所述第一电容C1(4)、第二电容C2(5)、第三电容C3(7)、第四电容C4(8)、第五电 容C5(9)、第六电容C6(11)、第七电容C7(13)通过金属层M1和金属层CAP的层间耦合构成MIM平行板电容；
所述LC谐振器用于带外高次模谐波抑制，三个LC谐振器在高次谐波4.8GHz和7.2GHz附近形成三个零点，达到高带外抑制的特性。
如图3所示，本实施实例的基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器可应用与WIFI频段，设计通过优化，得到2.4GHz～2.5GHz通带内插入损耗小于1.4dB，回波损耗小于 -20dB，4.4GHz～7.3GHz带外抑制达到-40dB以下，芯片整体尺寸仅0.5mm2，可见该实例 能够显示出本发明具有小型化、低插损、高带外抑制的优点；
上述实施实例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施实例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于包括基体层、金属层、输入端口(1)、输出端口(2)以及金属层上形成的电路结构；
所述基体层，包括衬底层和位于衬底层上方的多层介质层；
所述电路结构包括位于所述输入端口(1)和所述输出端口(2)之间的m个片上变压器式滤波器,以及位于所述输入端口(1)和片上变压器式滤波器间的n1个LC谐振器、位于所述输出端口(2)和片上变压器式滤波器间的n2个LC谐振器，其中n1≥0,n2≥0,m≥1，且n1、n2不同时为0。
2.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述衬底层采用高阻硅材质。
3.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述多层介质层采用氮化硅层、氧化物钝化层交叠设置，且氧化物钝化层与衬底层接触。
4.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述金属层包括金属层TM1、金属层TM2、金属层M1、金属层CAP、金属过孔层TV1、金属过孔层V1；其中，金属层M1和金属层TM1通过金属过孔层V1连接,金属层CAP和金属层TM1通过金属过孔层V1连接，金属层CAP与金属层M1不连接，金属层TM1和金属层TM2通过金属过孔层TV1连接。
5.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于LC谐振器间采用串联、并联中的至少一种连接。
6.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述LC谐振器用于优化带外高次谐波抑制，其包括电感Ls、电容Cs，电感Ls的一端接电容Cs的一端后作为当前传统LC谐振器的输入端，接相邻LC谐振器的输出端或片上变压器式滤波器的输出端或输入端口(1)；电感Ls的另一端接电容Cs的另一端后作为当前LC谐振器的输出端，接相邻LC谐振器的输入端或片上变压器式滤波器的输入端或输出端口(2)。
7.如权利要求1或6所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述片上变压器式滤波器包括片上变压器(12)、第六电容C6(11)、第七电容C7(13)；片上变压器的第一端口接第四电感L4(14)的一端、第六电容C6(11)的一端后作为当前片上变压器式滤波器的输入端，接传统LC谐振器的输出端或相邻片上变压器式滤波器的输出端或输入端口(1)，第二端口接第六电容C6(11)的另一端后接地，第三端口接第四电感L4(14)的另一端、第七电容C7(13)的一端后作为当前片上变压器式滤波器的输出端，接LC谐振器的输入端或相邻片上变压器式滤波器的输入端或输出端口(2)。
8.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述电路结构包括位于所述输入端口(1)和所述输出端口(2)之间的3个LC谐振器、1个片上变压器式滤波器；所述3个LC谐振器分别是第一LC谐振器 (15)、第二LC谐振器 (16)、第三LC谐振器 (17)；所述片上变压器式滤波器包括片上变压器(12)、第六电容C6(11)、第七电容C7(13)；所述输入端口(1)连接所述第一LC谐振器 (15)的一端相连，所述第一LC谐振器 (15)的另一端同时与第二LC谐振器(16)的一端和第二电容C2(5)的一端相连，第二电容C2(5)的另一端接地，第二电容C2(5)为接地电容；第二LC谐振器(16)的另一端同时与第三LC谐振器(17)的一端和第四电容C4(8)的一端相连，第四电容C4(8)的另一端接地，第四电容C4(8)为接地电容；第三LC谐振器 (17)的另一端连接片上变压器(12)的第一端口(12-1)、第六电容C6(11)的一端，第六电容C6(11)的另一端接地，片上变压器(12)的第二端口(12-2)、第四端口(12-4)接地，片上变压器(12)的第三端口(12-3)接第七电容C7(13)的一端后接输出端口(2)，第七电容C7(13)的另一端接地，此外片上变压器(12)的第一端口(12-1)和第三端口(12-3)之间通过第四电感L4(14)连接；
所述第一LC谐振器 (15)由第一电感L1(3)和第一电容C1(4)并联构成，所述第二LC谐振器 (16)由第二电感L2(6)和第三电容C3(7)并联构成，所述第三LC谐振器 (17)由第三电感L3(10)和第五电容C5(9)并联构成。
9.如权利要求8所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述的第一电感L1(3)、第二电感L2(6)、第三电感L3(10)、第四电感L4(14)均为八边形螺旋电感。
10.如权利要求1所述一种基于IPD的小型化高带外抑制带通滤波器,其特征在于所述片上变压器式滤波器中片上变压器采用螺旋交叉结构，采用线宽渐变结构，线宽由内向外逐渐变宽。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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