CN115913160A - 一种基于ipd技术的小型化高带外抑制的带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器。主要包括主体电路、输入输出端口；所述主体电路包括第一串联电容、第一并联电感、第一串联电感、第二串联电容、第三串联电容9、第四串联电容、第五串联电容、零点调控部件；采用多零点的控制电路，在低边带和高边带加入一个零点，提升低频和高频的带外抑制，减少谐波干扰。
Description
技术领域
本发明属于射频/微波/通信技术领域，具体涉及一种基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器。
背景技术
射频无源滤波器作为射频前端的核心部件之一，在无线通信、医疗和物联网等领域具有广泛的应用需求。系统的小型化和多功能化对滤波器的尺寸、性能指标和集成度提出了更高的要求。近几年来，作为实现小型化的关键技术之一，IPD(集成无源器件)技术在实现滤波器小型化过程中得到了越来越小的关注，IPD技术通过扩散、光刻和刻蚀等半导体工艺制作流程，将电感、电容、电阻制备到半导体上，从而制作更小，更薄、集成度更高的电路模板。制作紧凑尺寸、高选择性和低插入损耗的带通滤波器是5G无线通信系统在频谱拥挤的情况下去除不需要的频率分量的迫切需要，如何在紧凑的尺寸和良好的性能中实现，它是一个问题，传统的目前的带通滤波器设计主要有以下问题：随着频率增大，寄生效应也随之产生，通带中将出现谐波，这使滤波器的通带性能受到了影响，当前大多数的带通滤波器的零点都是由交叉耦合形成的，并没有可以控制零点的单独电路，通过加入零点技术使得带通滤波器的高低频带外抑制提高。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中当前带通滤波器尺寸大、选择性差、插损大、成本高的文题，提出一种基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器，采用IPD工艺设计和新型电路拓扑结构，具有成本低、集成度高、性能好、高选择性的优点，可以满足当前射频/微波/通信技术领域的需求。
本发明采用的技术方案如下：
第一方面，提供一种基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器，包括：主体电路、输入输出端口；
其中，输入端口包括第一输入端口焊盘(1-1)、第二输入端口焊盘(1-2)、第三输入端口焊盘(1-3)；输出端口包括第一输出端口焊盘(1-4)、第二输出端口焊盘(1-5)、第三输出端口焊盘(1-6)；第一输入端口焊盘(1-1)、第三输入端口焊盘(1-3)为输入接地端口，第二输入端口焊盘(1-2)为信号输入端，第一输出端口焊盘(1-4)、第出输入端口焊盘(1-6)为输出接地端口，第二输出端口焊盘(1-5)为信号输出端；
所述主体电路包括第一串联电容(14)、第一并联电感(2)、第一串联电感(3)、第二串联电容(7)、第三串联电容(9)、第四串联电容(5)、第五串联电容(6)、零点调控电路部件；第一串联电容(14)的一端与第四串联电容(5)的一端连接后接第二输入端口焊盘(1-2)，第一串联电容(14)的另一端与第一并联电感(2)的一端、第一串联电感(3)的一端连接，第一并联电感(2)的另一端接地(15)，第一串联电感(3)的另一端与第二串联电容(7)的一端连接，第二串联电容(7)的另一端与第三串联电容(9)的一端连接，第三串联电容(5)的另一端与第四串联电容(6)的一端连接，第五串联电容(6)的另一端与第三串联电容(9)的另一端连接后接零点调控电路部件的输入端；
所述零点调控电路部件包括第一并联电容(8)、第二串联电感(10)、第六串联电容(12)、第二并联电感(4)、第二并联电容(13)、第三并联电容(11)；当第一并联电容(8)的一端、第二串联电感(10)的一端与第六串联电容(12)的一端连接后作为零点调控电路部件的输入端，第一并联电容(8)的另一端接地(15)，第二串联电感(10)的另一端与第六串联电容(12)的另一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第三并联电容(11)的一端与第二并联电感(4)的一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第三并联电容(11)的另一端连接地(15)，第二并联电感(4)的另一端与第二并联电容(13)的一端连接，第二并联电容(13)的另一端连接地；
当第一并联电容(8)、第二串联电感(10)的一端与第六串联电容(12)的一端连接形成一个二阶低通滤波器，在高频处产生了一个谐振，在高频处生成了一个零点。第三并联电容(11)连接地(15)生成一个无穷零点，对高频产生抑制；第二并联电感(4)的一端与第二并联电容(13)的一端进行串联，第二并联电感(4)的另一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第二并联电容(13)的另一端连接地(15)，在低频处产生了一个零点。
作为优选，第一并联电感(2)、第二串联电感(10)、第二并联电感(4)、第一串联电感(3)的形状为圆形、椭圆形、螺旋形、矩形、六边形或八边形，优选为八边形；
第一串联电感(3)采用渐变电感，其线宽和线间距由外至内逐渐变窄；
作为优选，第一串联电容(14)、第二串联电容(7)、第三串联电容(9)、第四串联电容(5)、第五串联电容(6)、第一并联电容(8)、第六串联电容(12)、第二并联电容(13)、第三并联电容(11)采用平面电容，其结构不仅限于平行板结构、交指型、分型结构；
作为优选，所述介质层采用填充氧化物和氮化物实现。
第二方面，提供基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所给的频段要求，构建一个交叉耦合电路：通过由第一并联电容(8)、第一串联电感(3)、第三串联电容(9)、第二串联电容(7)构成基本的谐振电路，第四串联电容(5)、第五串联电容(6)与谐振电路并联；这个交叉耦合电路实现3.3GHz-4.2GHz的频段插损要求，但是小频段的带外抑制仍很难达到；
步骤二：构建零点调控部件
2-1按照高频的带外抑制的设计指标，在高频加一个零点电路，这个零点电路通过第一并联电容(8)、第二串联电感(10)和第六串联电容(12)形成一个低通滤波器，实现在高频产生一个零点抑制；
低通滤波器的二端口传输矩阵：
其中X1＝wL3/1-W2L3C6，B1＝wC5，w为该滤波器额的零点频率；
二端口网络等效电路，S参数对ABCD矩阵的参数转换：
由公式(1)得AD-BC＝1；
所以S12＝S21；求出零点频率位置就是S12＝0的频率，其中Z0＝50；
将公式(1)带入公式(2)得出
由此推算出零点的移动与第二串联电感(10)、第六串联电容(12)有关：当第二串联电感(10)、第六串联电容(12)变大时，高频处的零点会向低频移动；
2-2通过在交叉耦合电路上加入低通滤波器电路，通过调试达到高频7GHz的频段要求。
2-3由于2.6GHz低频处的带外抑制需要达到25dB，所以在低频处加入一个接地的第二并联电感(4)与第二并联电容(13)的串联电路构成的谐振，形成一个低频处零点；
假设原电路的传输矩阵为：
则接入谐振器的整个电路的传输矩阵为：
其中B2＝wC7/1-w2L4C7，w为加入的低频零点；
将公式(4)带入到公式(2)使得S12＝0，得出
由此推断出低频零点的移动随着第二并联电感(4)和第二并联电容(13)的变大向低频偏移；
2-4由于高频对带外抑制的需求要求平稳，通过加入第三并联电容(11)，使得在高频产生一个无穷零点，对高频产生抑制；
步骤三：将整个电路整合并进行优化，使得交叉耦合电路与零点调控部件，通过优化调整参数，使得电路达到最优的状态。
本发明的有益效果为：
1、采用IPD工艺的设计，用八边形电感、渐变八边形电感和MIM电容结构代替传统的分立元件结构的电容电感，在提高滤波器性能的同时实现小型化，且具有成本低、集成度高的优点，适合批量生产；
2、本发明第四串联电容、第五串联电容通过串联的方式减小电容值，从而减小工艺的误差，且引入交叉耦合在左右边带各形成一个零点；
3、采用零点调控电路，可以在低边带和高边带加入一个零点，提高带外抑制，减少谐波干扰，并通过加入第一并联电容和第三并联电容对高频进行抑制。
4、本发明通过改变八边形电感、八边形渐变电感和MIM电容的个数和数值来改变滤波器的工作频率，适用于VHF、UHF、700&800MHz、Wifi以及5G等各个频段。
附图说明
图1为本发明的高带外抑制带通滤波器等效电路图；
图2为本发明的高带外抑制带通滤波器的电路拓扑结构示意图；
图3为本发明的介质层、金属层、接地环结构示意图；
图4为本发明的介质层、金属层和衬底结构的叠层示意图；
图5为本发明的高带外抑制带通滤波器的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。
基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器包括介质层16，金属层17，衬底18，接地环；
介质层位于衬底的上表面，由氧化物(Oxide)和氮化硅(SiN)组成；从下至上依次包括第一氧化层、第一氮化硅层、第二氧化层、第二氮化硅层、第三氧化层、第三氮化硅层；
金属层由TM2、TV1、TM1、V1、M1、CAP组成；所述TM1、TM2分别位于第二氮化硅层、第三氮化硅层；所述M1、CAP位于第一氮化硅层；所述TV1用于连接所述TM1、TM2，其中一个V1用于连接所述TM1、M1，另一个V1用于连接所述TM1、CAP；
所述金属层构成主体电路、输入输出端口；
输入端口包括第一输入端口焊盘1-1、第二输入端口焊盘1-2、第三输入端口焊盘1-3；输出端口包括第一输出端口焊盘1-4、第二输出端口焊盘1-5、第三输出端口焊盘1-6；第一输入端口焊盘1-1、第三输入端口焊盘1-3为输入接地端口，第二输入端口焊盘1-2为信号输入端，第一输出端口焊盘1-4、第出输入端口焊盘1-6为输出接地端口，第二输出端口焊盘1-5为信号输出端；
所述主体电路包括第一串联电容14、第一并联电感2、第一串联电感3、第二串联电容7、第三串联电容9、第四串联电容5、第五串联电容6、通过交叉耦合产生两个零点；第一串联电容14的一端与第四串联电容5的一端连接后接第二输入端口焊盘1-2，第一串联电容14的另一端与第一并联电感2的一端、第一串联电感3的一端连接，第一并联电感2的另一端接地15，第一串联电感3的另一端与第二串联电容7的一端连接，第二串联电容7的另一端与第三串联电容9连接，第三串联电容5的另一端与第四串联电容6的一端连接，第五串联电容6的另一端与第三串联电容9的另一端连接后接匹配电路的输入端；
所述零点调控电路部件包括第一并联电容8、第二串联电感10和第六串联电容12、第二并联电感4、第二并联电容13、第三并联电容11；
当第一并联电容8的一端、第二串联电感10与第六串联电容12的一端连接后作为零点调控电路部件的输入端，第一并联电容8的另一端接地15，第二串联电感10的另一端与第六串联电容12的另一端连接第二输出端口焊盘1-5，第三并联电容11的一端与第二并联电感4的一端连接第二输出端口焊盘1-5，第三并联电容11的另一端连接地15，第二并联电感4的另一端与第二并联电容13的一端连接，第二并联电容13的另一端连接地；
当第一并联电容8、第二串联电感10的一端与第六串联电容12的另一端连接形成一个二阶低通，在高频处产生了一个谐振，在高频处生成了一个零点。第三并联电容11连接地15生成一个无穷零点，对高频产生抑制；第二并联电感4的一端与第二并联电容13的一端进行串联，第二并联电感4的另一端连接第二输出端口焊盘1-5，第二并联电容13的另一端连接地15，在低频处产生了一个零点。
图1为图2所示主体电路的高带外抑制的带通滤波器的等效电路图；
第一并联电感2等效于L2，第二串联电感10等效于L3、第二并联电感4等效于L4；第一串联电感3等效于L1，第一串联电容14等效于C3，第二串联电容7等效于C9，第三串联电容9等效于C4，第四串联电容5等效于C1，第五串联电容6等效于C2，第一并联电容8等效于C5，第六串联电容12等效于C6，第二并联电容13等效于C7，第三并联电容11等效于C8。
如图1所示，该电路的工作原理为：由电容C3、电感L1、电容C4、电容C9构成基本的谐振电路，电容C1、C2与谐振电路并联，经过交叉耦合形成高低频两边各一个零点。在谐振电路末端加入一个零点控制电路，由电容C5、电感L3和电容C6形成一个二阶低通滤波器，在高频产生了一个零点，由电感L4和电容C7串联在低边带产生一个传输零点，电容C8对最高频部分进行抑制。
如图5所示，本实施例的带通滤波器的插损较小，约为1.6dB；通带内的回波损耗约为-16.5dB；高低频各有一个零点，抑制了高次谐波，带外抑制较好。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器，包括主体电路、输入输出端口；输入端口包括第一输入端口焊盘(1-1)、第二输入端口焊盘(1-2)、第三输入端口焊盘(1-3)；输出端口包括第一输出端口焊盘(1-4)、第二输出端口焊盘(1-5)、第三输出端口焊盘(1-6)；第一输入端口焊盘(1-1)、第三输入端口焊盘(1-3)为输入接地端口，第二输入端口焊盘(1-2)为信号输入端，第一输出端口焊盘(1-4)、第出输入端口焊盘(1-6)为输出接地端口，第二输出端口焊盘(1-5)为信号输出端；其特征在于：
所述主体电路包括第一串联电容(14)、第一并联电感(2)、第一串联电感(3)、第二串联电容(7)、第三串联电容(9)、第四串联电容(5)、第五串联电容(6)、零点调控电路部件；第一串联电容(14)的一端与第四串联电容(5)的一端连接后接第二输入端口焊盘(1-2)，第一串联电容(14)的另一端与第一并联电感(2)的一端、第一串联电感(3)的一端连接，第一并联电感(2)的另一端接地(15)，第一串联电感(3)的另一端与第二串联电容(7)的一端连接，第二串联电容(7)的另一端与第三串联电容(9)的一端连接，第三串联电容(5)的另一端与第四串联电容(6)的一端连接，第五串联电容(6)的另一端与第三串联电容(9)的另一端连接后接零点调控电路部件的输入端；
所述零点调控电路部件包括第一并联电容(8)、第二串联电感(10)、第六串联电容(12)、第二并联电感(4)、第二并联电容(13)、第三并联电容(11)；当第一并联电容(8)的一端、第二串联电感(10)的一端与第六串联电容(12)的一端连接后作为零点调控电路部件的输入端，第一并联电容(8)的另一端接地(15)，第二串联电感(10)的另一端与第六串联电容(12)的另一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第三并联电容(11)的一端与第二并联电感(4)的一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第三并联电容(11)的另一端连接地(15)，第二并联电感(4)的另一端与第二并联电容(13)的一端连接，第二并联电容(13)的另一端连接地；
当第一并联电容(8)、第二串联电感(10)的一端与第六串联电容(12)的另一端连接形成一个二阶低通滤波器，在高频处产生一个谐振，在高频处生成一个零点；第三并联电容(11)连接地(15)生成一个无穷零点，对高频产生抑制；第二并联电感(4)的一端与第二并联电容(13)的一端进行串联，第二并联电感(4)的另一端连接第二输出端口焊盘(1-5)，第二并联电容(13)的另一端连接地(15)，在低频处产生一个零点。
2.如权利要求1所述的一种基于IPD技术的小型化高带外抑制带通滤波器，其特征在于第一并联电感(2)、第二串联电感(10)、第二并联电感(4)、第一串联电感(3)的形状为圆形、椭圆形、螺旋形、矩形、六边形或八边形。
3.如权利要求2所述的一种基于IPD技术的小型化高带外抑制带通滤波器，其特征在于第一并联电感(2)、第二串联电感(10)、第二并联电感(4)、第一串联电感(3)的形状为八边形。
4.如权利要求1所述的一种基于IPD技术的小型化高带外抑制带通滤波器，其特征在于第一串联电感(3)采用八边形渐变电感。
5.如权利要求1所述的一种基于IPD技术的小型化高带外抑制带通滤波器，其特征在于第一串联电容(14)、第二串联电容(7)、第三串联电容(9)、第四串联电容(5)、第五串联电容(6)、第一并联电容(8)、第六串联电容(12)、第二并联电容(13)、第三并联电容(11)采用平面电容或贴片电容。
6.如权利要求5所述的一种基于IPD技术的小型化高带外抑制带通滤波器，其特征在于所述平面电容的结构为平行板结构、交指节构或分型结构。
7.权利要求1-6任一项所述的基于IPD技术的小型化高带外抑制的带通滤波器的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：根据所给的频段要求，构建一个交叉耦合电路：通过由第一并联电容(8)、第一串联电感(3)、第三串联电容(9)、第二串联电容(7)构成基本的谐振电路，第四串联电容(5)、第五串联电容(6)与谐振电路并联；
步骤二：构建零点调控电路
2-1按照高频的带外抑制的设计指标，通过第一并联电容(8)、第二串联电感(10)和第六串联电容(12)形成一个低通滤波器，实现在高频产生一个零点抑制；
低通滤波器的二端口传输矩阵：
其中X1＝wL3/1-W2L3C6，B1＝wC5，w为该滤波器额的零点频率；
二端口网络等效电路，S参数对ABCD矩阵的参数转换：
由公式(1)得AD-BC＝1；
所以S12＝S21；求出零点频率位置就是S12＝0的频率，其中Z0＝50；
将公式(1)带入公式(2)得出
由此推算出零点的移动与第二串联电感(10)、第六串联电容(12)有关：当第二串联电感(10)、第六串联电容(12)变大时，高频处的零点会向低频移动；
2-2通过在交叉耦合电路上加入低通滤波器电路，通过调试达到高频7GHz的频段要求；
2-3由于2.6GHz低频处的带外抑制需要达到25dB，所以在低频处加入一个接地的第二并联电感(4)与第二并联电容(13)的串联电路构成的谐振，形成一个低频处零点；
假设原电路的传输矩阵为：
则接入谐振器的整个电路的传输矩阵为：
其中B2＝wC7/1-w2L4C7，w为加入的低频零点；
将公式(4)带入到公式(2)使得S12＝0，得出
由此推断出低频零点的移动随着第二并联电感(4)和第二并联电容(13)的变大向低频偏移；
2-4由于高频对带外抑制的需求要求平稳，通过加入第三并联电容(11)，使得在高频产生一个无穷零点，对高频产生抑制；
步骤三：将整个电路整合并进行优化，使得交叉耦合电路与零点调控电路，通过优化调整参数，使得电路达到最优的状态。
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| CN202211485014.8A CN115913160A (zh) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 一种基于ipd技术的小型化高带外抑制的带通滤波器 |
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|---|---|---|---|
| CN202211485014.8A CN115913160A (zh) | 2022-11-24 | 2022-11-24 | 一种基于ipd技术的小型化高带外抑制的带通滤波器 |
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| CN115913160A true CN115913160A (zh) | 2023-04-04 |
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2022
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