基于砷化镓IPD 技术的带通滤波器小型化设计

赵丁雷

（中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031）

1 概述

相控阵雷达具有快速的波束扫描，灵活的波束赋形能力，已经成为先进军事装备中的关键技术。随着新一代载荷平台有源相控阵雷达向小型化、高性能以及高集成方面发展，这就要求射频前端有着更小的体积和更高的集成度。但是目前大多数无源器件受制作工艺的限制，集成度不够高，体积也较大，难以达到上述的要求。

目前，无源器件主要有两种实现方式，一种是集总参数方式，另一种是分布参数方式。采用集总参数实现的无源器件，电路尺寸不受波长限制，适合集成，而采用分布参数方式的无源器件，由于电路尺寸和波长有关，不易集成。从集成的角度出发，应当采用集总参数方式，以实现器件小型化。

集成无源器件IPD（Integrated Passive Device），是将基本单元电路（电感L、电容C、以及电阻R）集成到基板的衬底中，并由这些单元电路构成功能性无源器件，如滤波器、功分器、巴伦、耦合器、双工器等。由于具有微型化、高性能、低成本等特点，IPD 技术应用前景广阔。

IPD 根据基板的工艺，分为薄膜IPD 和厚膜IPD。厚膜IPD 以丝网印刷技术为主，如LTCC 等。薄膜IPD 主要采用光刻技术，其加工精度高，有利于实现小型化，高性能；薄膜IPD 可以采用砷化镓（GaAs）、玻璃（Glass）、高阻性硅（HiZ Silicon）、氧化铝（Al2O3）等材料作为基底[1-10]，如图1。表1 给出了一些常见材料的损耗角正切和介电常数。

图1 不同衬底的IPD 器件：a）氧化铝基滤波器；b）砷化镓低通滤波器；c）玻璃基功分器；d）硅基低通滤波器

表1 常见材料的损耗角正切及介电常数

GaAs 材料相比于其他基底材料具有极低的介质损耗（为万分之一量级），可以形成低损耗的电感和传输线。因此采用GaAs IPD 工艺实现无源器件，具有较好的工艺优势。

本文工作基于国内某GaAs IPD 微电子工艺线，设计了一款性能优良的带通滤波器芯片，相比采用传统工艺的滤波器，可以有效地减小射频前端电路的体积和重量，提升雷达的有效载荷，具有十分广阔的应用前景。

2 滤波器拓扑结构选择

利用网络综合方法设计Chebyshev 滤波器结构，在理想元件条件下可以实现设计要求，如图2。

图2 三阶Chebyshev 滤波器电路结构

但由于以下两个因素的影响，在IPD 工艺下实现GHz 频段的滤波器不再是公式化地应用传统意义上的集总元件综合方法就能完成：（1）实际工艺中非理想化的元件特性；（2）工艺所允许的元件值是有限制的。

因此要在传统的集总元件综合方法的基础上，选择合适的拓扑结构，并不断进行仿真优化。

本文通过结合高通+低通并加入传输零点的设计，使得它具有更好的频率选择性，以及更陡峭的过渡带。利用ADS 仿真软件进行设计，经过多次摸索，得到了相对较好的设计方案，结果的如图3 所示。

图3 滤波器拓扑结构示意图

其中，蓝色框为高通部分在低频波段有较好抑制性能，红色在高频有较好的抑制性能，二者级联构成了高通+低通的混合结构，使传输信号在低频和高频都有较好的抑制性能。

3 工艺加工流程

本项目将采用基于砷化镓（GaAs）的IPD 技术实现，选取的工艺基于国内某GaAs IPD 微电子工艺线，工艺分为前板加工和背板加工两部分，前板工艺包含了电感、电容等IPD 基本元件的制作。后板工艺包括了基板过孔和背板镀金等。图4 给出了基本元件的加工工艺过程。

图4 加工流程图

本设计实现中采用圆形螺旋电感与MIM 电容工艺，圆形电感的电感值由螺旋绕线圈数、螺旋电感线宽、为螺旋电感中各圈之间的间距和电感内部半径决定。MIM电容值由上下层金属面积决定，图5 给出了基本元件的截面结构组成。

图5 IPD 加工工艺截面结构图

4 版图设计及仿真

完成拓扑结构设计后，需要将电路拓扑映射到版图设计中。首先我们结合IPD 工艺模型参数，将拓扑结构中的元件值带入版图并完成布线。

在从拓扑结构映射到版图设计过程中不可避免的会产生复杂的寄生效应。在拓扑结构的仿真中，电容电感都是独立元件且其响应特性都是稳定且线性的。但是在版图中：（1）元件间走线；（2）元件与地之间的寄生；（3）相邻元件间耦合寄生，上都对元件值产生了较大的影响，破坏了在拓扑结构设计的传输匹配。

通过运用场路联合的优化方法，首先对直接映射版图进行场仿真，快速确定螺旋电感与电容各参数的初值，并引入优化端口，如图6 所示。

图6 优化端口

随后将仿真模型载入原理图进行电路迭代优化，优化后根据优化值修改版图设计完成对寄生效应引起的反射损耗进行优化。数次迭代后优化后的版图如图7。

图7 滤波器版图设计

如图8 为滤波器拓扑结构的电磁仿真结果，其在通带（1.3-2.3GHz）的损耗小于3.3dB，低频0.7GHz 阻带抑制大于35dBc，高频3.2GHz 的抑制大于35dBc。

图8 滤波器版图电磁仿真结果

5 结论

传统的基于分布参数设计的无源器件由于尺寸和波长相关，往往占据了大量的板面积。将IPD 技术应用于雷达、通信前端可以有效减小器件面积，提高系统集成度。基于IPD 技术设计的无源器件往往大小仅为毫米量级，可以大大提高射频系统的集成度。

本文采用 GaAs IPD 工艺研制了一款1.3-2.3GHz 带通滤波器，相比传统工艺研制的滤波器，其大大减小了体积，实现了器件的小型化，符合微波系统中器件小型化与SIP 高密度集成的发展趋势。