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)級封裝（System In Package，SIP）的集成架構(gòu)與設(shè)計思路，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的量產(chǎn)能力，但是由于材料與工藝的限制，其實際應(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。在無源器件的實現(xiàn)上，得益于GaAs襯底極低的介質(zhì)損耗（為萬分之一量級）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

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Q_E所決定，n階濾波器的典型廣義耦合矩陣如式(1)所示：

    因為濾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稱的，其中m_ii為各個諧振器頻率的相對偏移，對于同步調(diào)諧的濾波器來說，m_ii=0；m_ij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帶寬大小。實際應(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)合實際項目中對濾波器的指標(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

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。根據(jù)微波濾波器基本理論知識^[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。因此在實際設(shè)計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)約版圖面積即實現(xiàn)濾波器的小型化，將微帶開路諧振單元設(shè)計成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)因素來綜合出各個諧振器間的實際物理尺寸，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，其仿真曲線有兩個諧振尖峰點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稱的結(jié)構(gòu)，同理只需再對諧振器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相位與諧振頻率點處相差±90°的兩側(cè)頻點，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)因素約等于諧振點處頻率f₀除以兩側(cè)與f₀相位各相差90°頻點的差值，圖5中ky1等于210 μm時，計算得出的Q_e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

    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蝹€或兩個諧振器而言的，而忽略了其他諧振單元耦合效應(yīng)的影響, 同時原理圖相對簡單的電路級仿真已無法準(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)計的參考初值，與最終實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。

    版圖設(shè)計時主要需參考整體原理圖的仿真結(jié)果和耦合矩陣?yán)碚?，對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)、輸入輸出饋電點的位置（ky1）進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而找到上述變量對濾波器的插損、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間長達(dá)3～5個月，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，實測與仿真結(jié)果對比如圖8所示。

    從圖8可知，該濾波器芯片實測與仿真結(jié)果吻合度很好，驗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)群時延測試結(jié)果表明，該濾波器的帶內(nèi)群時延約為360～405 ps，群時延波動小于50 ps，具有很好的相位響應(yīng)。

    為了驗證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，十分符合對于一致性要求較高的批量化應(yīng)用。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計并實現(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新的方向。

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作者信息:

陸  宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都610036）