毫米波无源带通滤波器

Millimeter Wave Passive Bandpass Filters

Saurabh Chaturvedi, Mladen Božanic and Saurabh Sinha

University of Johannesburg, Johannesburg, South Africa

本文对毫米波无源带通滤波器进行了综合评述，并具体讨论了其不同的拓扑结构、性能比较、设计难点以及工艺技术。无源带通滤波器具有高工作频率、高线性度、低噪声系数和零功率损耗等优点。要实现高性能毫米波电路，需对现有工艺技术进行充分考量。III-V族化合物砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）工艺能够实现拥有高截止频率、良好噪声性能的高品质片式无源器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的最大优势在于成本低而集成度及可靠性皆高。同时，硅锗双极互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）工艺则代表了高截止频率、高集成度，其产品噪声和功率性能也更优。

电磁频谱中，毫米波段的频率在30GHz到300GHz之间，其对应自由空间的波长属毫米级（1-10mm）。介于60GHz左右的频段在全球范围都能免许可使用，在实现每秒几千兆位的高速无线数据传输方面，毫米波段的应用前景十分可观¹。随着通信技术的不断发展，无线通信系统的工作频率也正日益迅速提高。毫米波收发器的研发成功，把通过无线局域网、无线家庭网络及无线个域网来实现高速信息传输变为了可能。

在这些通信系统中，滤波器是一种重要的前端组件，用于选取特定频率的信号。它们的电响应情况对系统整体性能而言至关重要。带通滤波器允许通带内频段的信号通过，并有效滤除不需要的带外频段信号。在射频接收器中，带通滤波器位于天线和低噪声放大器之间，如图1所示。

图1  带通滤波器常用于射频接收器的前端

为了提高射频接收器的性能，带通滤波器需要满足以下条件：体积小、品质因数（Q值）高、噪声系数低、插入损耗低、回波损耗高、选择性优、带外抑制（阻带抑制）高。通常来说，系统可分为两大类型：片式系统（SOC）以及封装式系统（SOP）。SOC中，一个完整系统的所有功能，包括数字、模拟、射频和其它部分，全都被汇聚到一个集成电路里。SOP作为系统级的封装，包括了数个集成电路来实现整体系统功能。基于成本、体积、可靠性、重现性、设计灵活性和集成度等因素的考虑，毫米波段的应用中会更多选择单片集成电路，而非混合集成电路。片外带通滤波器因为体积又大、成本又高，不适用于现今高速无线收发设备。去除了片外组件后，系统的体积和成本均得以降低；因此，针对这些组件进行芯片化设计的技术革新是实现新一代通信系统的主要推进力²。

带通滤波器可分为三类：纯有源、纯无源及有源（有源+无源或半无源）³。纯有源带通滤波器的最大优势就在于体积小巧，但其工作频率较低、线性度也差、噪声系数和功耗都高。而纯无源带通滤波器能处理高频、线性度佳、噪声系数低、且功耗为零，但同时它需要大块硅基。有源带通滤波器的特点是工作频率为中频、低线性度、高噪声系数以及中等功耗，所需的硅基面积较无源滤波器而言要小。表1总结了三种带通滤波器的特征。

射频滤波器的制造技术通常有单片南宫在线官方网 集成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷（LTCC）和印制电路板（PCB）。多种不同的制备工艺都被广为采用，包括硅微机电系统（Si MEMS）、GaAs、GaAs MEMS、硅苯并环丁烯（Si BCB）、硅锗合金（SiGe）、集成无源器件（IPD）、液晶聚合物（LCP）和CMOS。

基于III-V族化合物GaAs和InP的工艺要优于CMOS工艺，前者击穿电压及电子迁移率更高、无源器件品质好⁴。III-V族半导体技术能实现截止频率高、噪声性能好的要求。然而，高昂的成本和功耗亦是主要缺点。

CMOS工艺能将数字、模拟及射频模块集成到一块单一的芯片上。它成本低、集成度高、制造步骤简单、比例缩小能力强、可靠性高，这些都是主要优点。CMOS技术的不断发展造就了截止频率超过100GHz的MOS晶体管。随着MOS场效应管（FET）的缩小，截止频率（f_T）及最高振荡频率（f_max）均得以提升。MOS管尺寸的缩小使得其速度更高、噪声性能更优。

由于毫米波电路中所使用的硅衬底的电阻率很小（一般为10Ω·cm），CMOS工艺实现的片式无源器件Q值很低，同时具有极大的损耗。衬底金属损耗严重也是一大问题。另外，CMOS器件中的栅极材料为多晶硅，其薄层电阻（约为10Ω/sq）远高于金属，因此也就提高了MOS场效应管的栅极电阻。栅极电阻高会降低MOS场效应管的功率增益，而同时增大噪声。噪声在CMOS射频电路设计中是一个严重的问题。通过合理布局，多晶硅栅极的这些影响可以得到改善。上述所有因素都会导致带通滤波器在插入损耗、回波损耗以及带外抑制等方面的性能下降。

与CMOS工艺类似，SiGe BiCMOS工艺也能实现高截止频率和高振荡频率。硅锗异质结双极晶体管（HBT）的噪声性能极佳、跨导高。若要完成一个低噪声、低功率、高密度、低成本的射频电路设计，SiGe BiCMOS工艺是最佳选择。

传输线与集总元件

毫米波无源滤波器的尺寸比南宫在线官方网 频段滤波器的要小，这就使得它能和其它电路一起集成在单个芯片上，有助于以更低的成本开发小型系统⁵。

单传输线的Q值与其工作频率的平方根成正比。所以随着频率的升高，传输线的Q值亦会升高。因此，传输线被广泛优选作为毫米波无源滤波器设计中的谐振器⁶。在低于30 GHz时，基于集总电路元件的无源滤波器比使用传输线实现的滤波器更为紧凑。而在30 GHz以上，集总元件滤波器的实现需要精确的模型和高精度的制造技术。到了60 GHz频率左右及以上时，传输线更适合于用来实现单片无源滤波器的设计⁷。

在毫米波段，匹配网络和谐振器所需的电抗元件尺寸很小。准横向电磁（quasi-TEM）传输线的长度易于缩小，并能实现很低的电抗。此外，基于传输线的互连线建模也很简单。另一个优点是其设计精良的接地回路减少了与邻接结构产生的电场和磁场耦合⁴。图2为准TEM传输线的分布电路模型，其参数可表示为：

图2  准TEM传输线的分布模型

其中R、L、G和C分别是单位长度的电阻、电感、电导和电容；Z₀和λ为无耗传输线（R = G = 0）的特性阻抗和信号波长；ω₀为谐振角频率；Q_L、Q_C表示电感品质因数和电容品质因数。基于导电硅衬底的传输线因为衬底耦合的原因，导致Q_C值低。而同时，Q_L的高低决定了传输线损耗情况。

近年来，人们一直在努力实现毫米波集总无源滤波器。不少文献中已经出现了集成微型毫米波带通滤波器。Dehlink⁸和Lu⁹团队分别实现了由螺旋电感及金属-绝缘体-金属（MIM）电容构成的带通滤波器。Vanukuru¹⁰等人提到了用叉指电容完成的带通滤波器设计。叉指电容可以达到很小的电容值，相比之下，MIM电容在毫米波段会发生严重的介电损耗，从而降低了其品质因数。因为叉指电容构成的滤波器不涉及MIM工艺，因此可大量避免损耗。不过，MIM电容的面积要小很多。叉指电容因为体积较大，寄生电感也随之增加，影响器件性能¹⁰。表2对比概括了MIM电容与叉指电容的区别。

无源带通滤波器的拓扑结构

文献中提到的毫米波无源带通滤波器结构包括耦合线^2,11、环谐振器^12,13以及阶梯式阻抗谐振器^14,15。针对如PCB¹⁶、GaAs衬底¹⁷、硅衬底¹⁸等不同工艺，平面π型滤波器结构有着带宽不受布局和衬底厚度影响的优点。因此这种结构具备很大的设计空间。然而同时，它也存在两个缺点：面积大、SOC集成难度高。这两点可以通过应用紧凑型微带线（MSL）电感来解决⁹。图3为π型结构的CMOS无源带通滤波器原理图。该小型带通滤波器采用了微型片式MIM电容和MSL电感来加以实现。

图3  平面π型结构的小型CMOS无源带通滤波器

多位作者^{2,6,9,10,19-21}比较了以往发表的无源带通滤波器性能参数。表3总结了不同毫米波无源带通滤波器的性能，其中f_C为中心频率。3dB带宽也称为3dB分数带宽（FWB），表示为：

无源滤波器的一大劣势是高损耗。由于电阻（金属）、电介质和辐射损耗的影响，无源谐振器的Q值降低。无源波导滤波器的庞大结构势必增加了全集成收发器模块的尺寸。而无源平面滤波器体积虽小，损耗却高。

无源滤波器的重大缺陷还包括不兼容可调谐元件以及带宽和插入损耗的权衡问题。Mouthaan等具体分析阐述了基于CMOS工艺的毫米波无源带通滤波器的诸多局限性与设计难点²¹。文献中指出，暂无CMOS无源滤波器的3dB分数带宽能低于10%或高于65%。分数带宽在20%以下的滤波器损耗很大。因此，要实现低插入损耗的窄带无源带通滤波器是一大挑战。另一个设计难点是实现具有高带外抑制水平的无源滤波器。

总结

本文探讨了毫米波无源带通滤波器的优缺点、设计技术、拓扑结构以及设计挑战。片式无源带通滤波器的主要缺点包括高损耗以及带宽和插入损耗间的权衡。还讨论并比较了用于实现毫米波滤波器的各类工艺技术。希望本文能帮助研究人员认清差距，为毫米波滤波器设计领域的未来发展助一臂之力。

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