SIW交指带通滤波器的设计与仿真*

翟琼华，欧　毅，薛晨阳，李志刚，欧　文

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心，北京100029）

SIW交指带通滤波器的设计与仿真*

翟琼华1，2，欧毅2*，薛晨阳1，李志刚2，欧文2

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心，北京100029）

介绍了一种双层SIW带通滤波器，两层之间采用交指结构实现谐振，输入输出采用共面波导形式。所设计的毫米波滤波器芯片尺寸仅有7 mm×3.5 mm×0.8 mm，使用三维高频电磁仿真软件对该结构进行仿真和优化，结果表明滤波性能符合设计要求:中心频率10.6 GHz、带宽2.5 GHz、带内插损2 dB。最后阐明了基于MEMS技术的该滤波器的工艺制作流程。

带通滤波器；基片集成波导；交指型；抽头式；MEMS

EEACC:2575；1270D；1320doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.019

微波滤波器是一种无源二端口网络，具有频率选择特性，广泛应用于雷达、电子对抗和通讯等系统中，是实现高质量高可靠性系统的保障，小型化和高性能是其重要的研究方向。抽头式交指带通滤波器因为具有体积小、重量轻、频带宽、二次通带远和易实现等优点而得到广泛应用。基片集成波导（SIW）是由介质基板、上下金属面、金属化通孔组成的类波导结构［1］，具有品质因数高、功率容量大、隔离度高、低插损、低辐射、小体积、轻重量、低成本、易集成等诸多优点［2］，是平面微波毫米波集成电路中的研究热点。

本文在硅片上制作金属通孔以实现谐振腔，在双层SIW界面制作交指型金属图形以实现电磁耦合，设计了一种微波带通滤波器，具有体积小、重量轻、插损低等优点，可用MEMS工艺来实现。

1　设计原理

对于窄带和中等带宽（FBW＜30%）的滤波器，通常选用终端短路式交指结构来实现［3］，其阶数由下式确定［4］。

谐振器间的耦合系数Ki，i+1和外部品质因数Q:

式中:FBW是滤波器的相对带宽，N为滤波器的级数，gi，gi+1为低通原型的归一化元件值，i=1，2，…，n-1。

对于各谐振器微带线取同等宽度的情况，文献［5］中给出了详细的设计公式:

式中:Y1表示单根谐振线的特性导纳，Yt表示输入输出抽头线的导纳，θt为输入或输出谐振器从接地端到抽头端口的电长度。

利用滤波器的导纳参数即可求得各阶耦合微带线的奇偶模特性阻抗［6］。利用带状线特性阻抗计算公式可以确定Z1=1/Y1所对应的谐振器线宽，再通过调整谐振器之间的间隙Si，i+1来获得期望的阻抗 Z0ei，i+1和 Z0oi，i+1。

式中:λg为介质中的波长，Δli为相应谐振器开路端的等效线长。

抽头式交指滤波器的抽头位置 Lt的计算公式［7］:

式中:R是信号源阻抗（通常为50 Ω）；Z0是谐振器无耦合情况下的特性阻抗，Q为滤波器的外部品质因数。

双层SIW结构具有较高的Q值，且可以有效缩小滤波器的芯片面积［8］，其结构如图1所示。SIW谐振腔与矩形波导的等效关系经验公式为［9］:

式中:Weff为SIW的等效宽度，W为矩形波导的宽度，d为金属通孔的直径，p为金属通孔间的距离。

2　设计实例

根据滤波器设计指标，如表1，由式（1）得滤波器级数N=7，相对带宽FBW=18.182%，选取通带波纹0.01 dB的契比雪夫低通原型滤波器可满足设计要求。通过计算，其归一化元件值g参数如下:

g0=g8=1.000 0，g1=g7=0.797 0，g2=g6=1.392 4，g3=g5= 1.748 1，g4=1.633 1

表1　滤波器设计指标

由谐振器耦合系数式（3）知:K1，2=K6，7，K2，3=K5，6，K3，4=K4，5，所以滤波器为左右对称结构，其相邻谐振器间隙 S1，2=S6，7，S2，3=S5，6，S3，4=S4，5。利用式（4）～式（10）可以算出滤波器各阶耦合微带线的奇偶模特性阻抗，如表2所示。由式（2）、（11）可以算出抽头点的位置。

表2　滤波器各耦合节特性阻抗

本文所设计的双层SIW滤波器的外形如图1所示，将上层硅片和金属层透明化，滤波器的内部结构如图2所示，上下两层之间的耦合由交指谐振器结构来实现。介质基片选用厚度为400 μm、电阻率ρ＞4 000 Ω×cm的高阻硅衬底，介电常数为11.9；选择Au作为微带信号线，厚度18 μm。

图1　双层SIW滤波器结构

图2　交指谐振器结构及局部放大图

使用三维高频电磁仿真软件CST对该结构进行建模，将求出的各谐振器的线宽及间距设为仿真初值，优化后的交指结构具体参数见表3，Si，i+1为谐振器的间距，Lt为抽头点到短路端的距离。金属通孔的半径r=80 μm，通孔作为叉指结构的短路端，其间距p与谐振器间距一致，如图2所示。

表3　滤波器物理尺寸　单位：μm

由于GCPW接地共面波导具有宽带匹配、易与微带电路转换、便于封装和测试等优点，输入输出端口采用GCPW形式，特性阻抗50 Ω，中间信号线的宽度120 μm，信号线与两侧地的间距为70 μm。

3　建模与仿真分析

CST是一款精确有效的电磁仿真软件，覆盖了整个电磁频段［10］，提供了完备的时频全波算法，其独有纯瞬态场路协同仿真，运用有限积分法对麦克斯韦积分方程进行离散化并迭代求解，非常适合诸如滤波器等主要关心带内参数问题的设计。

建模过程中，考虑到相邻谐振器间的耦合效应，微带信号线的厚度不能忽略；金属通孔与上下表面金属层形成了基片集成波导结构，因此采用电边界条件；设置合适的波导端口尺寸，采用瞬态求解器可以得到如图3所示的频率响应特性曲线。结果表明:滤波器的中心频率为10.6 GHz，带内插损2 dB，3 dB带宽大于2.5 GHz，f0±2.5 GHz处带外抑制大于50 dB，通带内VSWR小于1.3，满足设计指标要求。

图3　CST仿真结果

通过调整谐振器的参数可以有效调节滤波性能:滤波器的中心频率由谐振器的长度决定，谐振器越长，中心频率越低，如图4所示，与式（11）相符。带宽主要由谐振器的间距决定，间距越小，耦合越强，两个谐振模的谐振频率相距越远，通带越宽。通带内的驻波主要取决于抽头位置。

图4　滤波器S11随谐振器长度L变化曲线

微带线结构中接地金属化孔为微波信号提供射频接地回路［11］，设计时必须考虑接地金属化孔的寄生电感效应对滤波器幅频特性产生的影响。图5所示为滤波器S参数随通孔半径r变化的曲线，可以看出，随着r的增大，滤波器中心频率和高频传输零点向右偏移，带外抑制增强。当r＞100 μm时，滤波器的回波损耗增大；由于加工工艺的限制，r不宜过小。

图5　滤波器S参数随r变化曲线

4　工艺及实现方案

SIW结构交指带通滤波器的实现主要采用MEMS体硅工艺和圆片键合工艺，包括光刻、剥离、ICP刻蚀、金属图形化及圆片键合等工艺步骤。

滤波器的制作工艺流程如图6所示，主要包括: （a）采用双面抛光的高阻硅衬底，在正面光刻出交指图形、溅射种子层Cr、电镀加厚Au、剥离光刻胶获得金属图形；（b）光刻出CPW接口台阶，ICP刻蚀100 μm的深度；（c）背面蒸发一层Al作掩膜［12］，光刻出通孔图形、ICP刻蚀通孔，去除铝掩蔽层；（d）背面溅射、电镀使通孔及背面金属化，与衬底正面金属形成三维互连［13-15］，至此上层芯片制作完成；（e）光刻、电镀、剥离形成下层芯片的金属图形；（f）刻蚀下层硅片的接地通孔；（g）下层芯片通孔及背面金属化；（h）上下层对位键合，多步径划片分离滤波器芯片。

图6　SIW滤波器工艺流程示意图

制作中通孔侧壁的垂直度决定后续孔壁金属化的难易程度，对滤波器性能有严重影响:侧壁镀金厚度越大，回波损耗越小、带外抑制越强，侧壁镀金工艺不理想，会使滤波器插损增大，严重时导致滤波器中心频率偏移。

5　结论

本文论述了SIW与交指结构结合设计带通滤波器的方法。在交指谐振器的外围设计一排金属通孔，不仅可以保证滤波器良好的微波接地，减少空间信号的干扰；而且与上下层金属形成SIW结构，有效限制内部电磁能量向外辐射，得到的滤波器损耗更小，性能更优。结合三维高频电磁仿真软件的分析，可以降低研究成本、缩短研制周期。利用MEMS工艺的立体加工能力，可对本文所设计的滤波器进行流片加工。

［1］ 程孝奇，李国辉，鉴浩，等.双层基片集成波导双通带滤波器设计［J］.电子元件与材料，2013，32（4）:57-60.

［2］ 郝张成.基片集成波导技术的研究［D］.南京:东南大学毫米波国家重点实验室，2005.

［3］ 彭卫东，周超，张熙.一种抽头式交指带通滤波器的设计及实现［J］.微电子学与计算机，2012，29（5）:197-199.

［4］ 甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计［M］.北京:科学出版社，1973:222-234.

［5］ Hong J S，Lancaster M J.Microstrip Filters for RF/Microwave Applications［M］.New York:John Wiley，2001:133-142.

［6］ 王义，楚光辉.一种微带交指型滤波器的改良型设计［J］.无线电工程，2007，37（12）:34-36.

［7］ Wong J S.Microstrip Tapped-Line Filter Design［J］.IRE Trans on MTT，1979，27（1）:44-50.

［8］ 杨志，杨拥军，李倩，等.硅基双层SIW结构毫米波MEMS滤波器［J］.微纳电子技术，2013，50（6）:376-379.

［9］ 肖丙刚，谢治毅，叶鹏.基片集成波导技术的研究现状和展望［J］.中国计量学院学报，2012，23（1）:95-104.

［10］陆瑜.一种微波交叉耦合滤波器的分析与仿真［D］.成都:电子科技大学，2013.

［11］张娜，李元.接地金属化孔对交指带通滤波器频响的影响分析［J］.中国电子科学研究院学报，2011，6（5）:548-550.

［12］Ganji B A，Majlis B Y.Deep Trenches in Silicon Structure using DRIE Method with Aluminum as an Etching Mask［J］.Semicon-ductor Electronics，2006:41-47.

［13］张勇，郁元卫，贾世星，等.Ka波段硅基MEMS滤波器［J］.传感技术学报，2008，21（2）:325-328.

［14］Zhu J，Yu Y W，Yang N B，et al.Micromachined Silicon Via-Holes and Interdigital Band Pass Filters［J］.Microsyst Technology，2006， 12（10-11）:913-917.

［15］Strohm K M，Nuechter P，Rheinfelder C N，et al.Via Hole Technology for Microstrip Transmission Lines and Passive Elements on High Resistivity Silicon［J］.IEEE MTT-S Digest，1999（2）: 581-584.

翟琼华（1990-），女，中北大学硕士研究生，主要从事MEMS微波滤波器方面研究，zhaiqionghua@ime.ac.cn；

欧毅（1975-），男，副研究员，硕士生导师，主要从事MEMS传感器和执行器技术研究。先后参与、主持并完成多项国家863、国家973、国家自然科学基金项目和科学院项目。在国内外期刊上发表学术论文20余篇，以第一发明人申请并授权国家发明专利5项，ouyi@ime.ac.cn。

Design and Simulation of SIW-Interdigital Band-Pass Filters*

ZHAI Qionghua1，2，OU Yi2*，XUE Chenyang1，LI Zhigang2，OU Wen2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Integrated Circuit Advanced Process Center，Beijing 100029，China）

A double-layer SIW band-pass filter has been introduced，in which the interdigital strip-lines structure was utilized to achieve resonant and the CPW coplanar waveguide was used as the input and output lines.The chip size of the millimeter-wave filter designed is as small as 7 mm×3.5 mm×0.8 mm.Then the filter was simulated and optimized by using a 3D electro-magnetic field analysis software.The simulation results show that the central frequency，bandwidth，and insertion loss of the designed filter respectively are 10.6 GHz，2.5 GHz and 2 dB，which fully meet the design aims.Finally，the fabrication process of the MEMS-based filter was presented.

band-pass filter；SIW；interdigital；tapped-line；MEMS

TN603.5

A

1004-1699（2015）09-1379-05

项目来源:基于两种非线性理论的新型MEMS振动能量收集芯片研究项目（61274119）；应用于太赫兹成像的左手材料焦平面阵列研究项目（61306141）

2015-03-26修改日期:2015-06-17