CN109599645B - 片上二阶带通滤波器及射频无线通信设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种片上二阶带通滤波器及射频无线通信设备，所述滤波器包括从上到下依次设置的第一金属层、第二金属层、极板电容层以及第三金属层，所述第二金属层与极板电容层之间通过金属过孔连接，所述第一金属层上设有第一谐振器、第二谐振器、第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一谐振器与第二谐振器对称设置，所述第一馈电端口与第二馈电端口对称设置，第一馈电端口、第一谐振器、第二谐振器和第二馈电端口依次连接；所述射频无线通信设备包括上述的滤波器。本发明的滤波器具有体积小、加工容易、易加工、易于与其他器件集成等优点，能够很好地满足现代通讯系统的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波器，尤其是一种片上二阶带通滤波器及射频无线通信设备，属于无线通信领域。
背景技术
微波滤波器是现代通信系统中发射端和接收端必不可少的器件，它对信号起分离作用，让有用的信号尽可能无衰减的通过，对无用的信号尽可能大的衰减抑制其通过。随着无线通信技术的发展，信号间的频带越来越窄，各种通讯设备的尺寸越来越小，这就对滤波器的规格，可靠性和尺寸大小提出了更高的要求。微带滤波器具有高的频率选择性、低插损、功率容量大、性能稳定，小尺寸，易于集成等优点而具有很高的应用价值。
目前，用于毫米波应用的第五代(5G)通信的单片微波集成电路(MMIC)的设计正在步入一个新时代。传统上，包括无源器件和有源器件在内的高性能MMIC主要在III/V技术中实施，例如砷化镓(GaAs)。近年来，一些突破已经被用于更多地实现这些设备基于成本效益的硅基技术。不同的无源器件，带通滤波器也许是其中之一最不可缺少的设备。因此广泛相关工作已在文献中发表。设计的高性能片上BPF(Berkeley Packet Filter，带通滤波器)是一个非常复杂的问题任务，这涉及几个设计权衡。其中一个基本设计挑战是如何权衡插入损耗，阻带衰减和尺寸这三者。作为硅衬底本质上是“有损的”，从设计的角度来看，最大限度地减少插入损耗的最有效方法是保持最佳状态设计尽可能紧凑。
1980年代IBM为改进Si材料而加入Ge，以便增加电子流的速度，减少耗能及改进功能，却意外成功的结合了Si与Ge。而自98年IBM宣布SiGe迈入量产化阶段后，近两、三年来，SiGe已成了最被重视的无线通信IC制程技术之一。
依材料特性来看，SiGe高频特性良好，材料安全性佳，导热性好，而且制程成熟、整合度高，具成本较低之优势，换言之，SiGe不但可以直接利用半导体现有200mm晶圆制程，达到高集成度，据以创造经济规模，还有媲美GaAs的高速特性。随着近来IDM大厂的投入，SiGe技术已逐步在截止频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善而日趋实用。
SiGe既拥有硅工艺的集成度、良率和成本优势，又具备第3到第5类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)在速度方面的优点。只要增加金属和介质叠层来降低寄生电容和电感，就可以采用SiGe半导体技术集成高质量无源部件。此外，通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的行为变化。SiGe BiCMOS工艺技术几乎与硅半导体超大规模集成电路(VLSI)行业中的所有新技术兼容，包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种片上二阶带通滤波器，该滤波器具有体积小、加工容易、易加工、易于与其他器件集成等优点，能够很好地满足现代通讯系统的要求。
本发明的另一目的在于提供一种射频无线通信设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
片上二阶带通滤波器，包括从上到下依次设置的第一金属层、第二金属层、极板电容层以及第三金属层，所述第二金属层与极板电容层之间通过金属过孔连接，所述第一金属层上设有第一谐振器、第二谐振器、第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一谐振器和第二谐振器对称设置，所述第一馈电端口和第二馈电端口对称设置，第一馈电端口、第一谐振器、第二谐振器和第二馈电端口依次连接。
进一步的，所述第一谐振器和第二谐振器均包括弯折接地微带线以及其中一侧开口的矩形环状微带线，所述弯折接地微带线从开口处延伸至矩形环状微带线的内部，并与矩形环状微带线的另一侧连接。
进一步的，所述第一金属层上还设有两侧开口的第一开口接地屏蔽环，所述第一谐振器和第二谐振器对称设置在第一开口接地屏蔽环内，所述第一馈电端口和第二馈电端口对称设置在第一开口接地屏蔽环的两侧开口处。
进一步的，所述第二金属层上设有第一金属片、第二金属片和两侧开口的第二开口接地屏蔽环，所述第一金属片和第二金属片对称设置在第二开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一金属片和第二金属片分别通过金属过孔与极板电容层连接。
进一步的，所述极板电容层上设有第一极板电容、第二极板电容和两侧开口的第三开口接地屏蔽环，所述第一极板电容和第二极板电容对称设置在第三开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一极板电容和第二极板电容分别通过金属过孔与第二金属层连接。
进一步的，所述第三金属层上设有第一地板、第二地板和两侧开口的第四开口接地屏蔽环，所述第一地板和第二地板对称设置，且第一地板和第二地板分别与第四开口接地屏蔽环的两侧开口处连接。
进一步的，所述第一金属层与第二金属层之间设有第一金属过孔层，所述第一金属过孔层上设有第一金属过孔、第二金属过孔和两侧开口的第五开口接地屏蔽环，所述第一金属过孔和第二金属过孔对称设置在第五开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一金属过孔和第二金属过孔分别与第二金属层连接。
进一步的，所述第二金属层与第三金属层之间设有第二金属过孔层，第二金属过孔层上设有两侧开口的第六开口接地屏蔽环。
进一步的，述第二金属层与极板电容层之间设有第三金属过孔层，所述第三金属过孔层上设有第三金属过孔、第四金属过孔和两侧开口的第七开口接地屏蔽环，所述第三金属过孔和第四金属过孔对称设置在第七开口接地屏蔽环的两侧开口处，第三金属过孔和第四金属过孔的上端与第二金属层连接，第三金属过孔和第四金属过孔的下端与极板电容层连接。
进一步的，所述第一馈电端口和第二馈电端口均采用特性阻抗为50欧姆馈电线构成。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
射频无线通信设备，包括射频芯片，所述射频芯片上设有上述的片上二阶带通滤波器。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的片上二阶带通滤波器基于0.13umSiGe工艺来设计，采用第一金属层、第二金属层、极板电容层和第三金属层构成的多层结构，其中第一金属层上设有依次连接的第一馈电端口、第一谐振器、第二谐振器和第二馈电端口，可以通过改变谐振器的尺寸来改变滤波器的中心频率；此外，通过在各金属层走线，结合分布式传输线和芯片加工工艺的优点，具有尺寸小、结构简单、易于与其他器件集成，并具有良好的频率选择的优点，由于可以大幅减小滤波器的尺寸，能更适应日益小型化的射频无线通信设备。
2、本发明的片上二阶带通滤波器的第一金属层上的两个谐振器均具有弯折接地微带线，可以增大两个谐振器的等效电感，同时各层结构具有开口接地屏蔽环，可以增大两个谐振器的等效电容，进一步实现两个谐振器的小型化。
附图说明
图1为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的结构示意图。
图2为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第一金属层结构示意图。
图3为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第二金属层结构示意图。
图4为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的极板电容层结构示意图。
图5为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第三金属层结构示意图。
图6为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第一金属过孔层结构示意图。
图7为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第二金属过孔层结构示意图。
图8为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器的第三金属过孔层结构示意图。
图9为本发明实施例1的片上二阶带通滤波器频率响应的电磁仿真曲线。
其中，1-第一金属层，101-第一谐振器，1011-第一弯折接地微带线，1012-第一矩形环状微带线，102-第二谐振器，1021-第二弯折接地微带线，1022-第二矩形环状微带线，103-第一馈电端口，104-第二馈电端口，105-第一开口接地屏蔽环，2-第二金属层，201-第一金属片，202-第二金属片，203-第二开口接地屏蔽环，3-极板电容层，301-第一极板电容，302-第二极板电容，303-第三开口接地屏蔽环，4-第三金属层，401-第一地板，402-第二地板，403-第四开口接地屏蔽环，5-第一金属过孔层，501-第一金属过孔，502-第二金属过孔，503-第五开口接地屏蔽环，6-第二金属过孔层，601-第六开口接地屏蔽环，7-第三金属过孔层，701-第三金属过孔，702-第四金属过孔，703-第七开口接地屏蔽环。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1～图8所示，本实施例提供了一种片上二阶带通滤波器，该滤波器为多层结构，其包括第一金属层(Topmetal2层)1、第二金属层(Topmetal1层)2、极板电容层(MIM层)3和第三金属层(Metal5层)4，第一金属层1、第二金属层2、极板电容层3和第三金属层4从上到下依次设置。
如图1和图2所示，所述第一金属层1上设有第一谐振器101、第二谐振器102、第一馈电端口103和第二馈电端口104，第一馈电端口103、第一谐振器101、第二谐振器102和第二馈电端口104依次连接，其中第一谐振器101与第二谐振器102对称设置，第一馈电端口103与第二馈电端口104对称设置，第一馈电端口103和第二馈电端口104均采用特性阻抗为50欧姆馈电线构成。
进一步地，第一谐振器101和第二谐振器102的结构相同，第一谐振器101包括第一弯折接地微带线1011以及其中一侧开口的第一矩形环状微带线1012，第一弯折接地微带线1011从开口处延伸至第一矩形环状微带线1012的内部，并与第一矩形环状微带线1012的另一侧连接，第一弯折接地微带线1011可以增大第一谐振器101的等效电容；第二谐振器102包括第二弯折接地微带线1021以及其中一侧开口的第二矩形环状微带线1022，第二弯折接地微带线1021从开口处延伸至第二矩形环状微带线1022的内部，并与第二矩形环状微带线1022的另一侧连接，第二弯折接地微带线1021可以增大第二谐振器102的等效电容。
为了增大第一谐振器101和第二谐振器102的等效电容，第一金属层1上还设有第一开口接地屏蔽环105，第一开口接地屏蔽环105的两侧开口，从图2的角度看，第一开口接地屏蔽环105的上、下两侧开口，第一谐振器101和第二谐振器102对称设置在第一开口接地屏蔽环105内，第一馈电端口103和第二馈电端口104对称设置在第一开口接地屏蔽环105的两侧开口处。
如图3所示，所述第二金属层2上设有第一金属片201、第二金属片202和第二开口接地屏蔽环203，第一金属片201和第二金属片202分别通过金属过孔与极板电容层3连接，第二开口接地屏蔽环203的两侧开口，从图3的角度看，第二开口接地屏蔽环203的上、下两侧开口，第一金属片201和第二金属片202对称设置在第二开口接地屏蔽环203的两侧开口处。
如图4所示，所述极板电容层3上设有第一极板电容301、第二极板电容302和第三开口接地屏蔽环303，第三开口接地屏蔽环303的两侧开口，从图4的角度看，第三开口接地屏蔽环303的上、下两侧开口，第一极板电容301和第二极板电容302对称设置在第三开口接地屏蔽环303的两侧开口处。
如图5所示，所述第三金属层4上设有第一地板401、第二地板402和第四开口接地屏蔽环403，第四开口接地屏蔽环403的两侧开口，从图5的角度看，第四开口接地屏蔽环403的上、下两侧开口，第一地板401和第二地板402对称设置，且第四开口接地屏蔽环403的两侧开口处连接。
进一步地，第一金属层1与第二金属层2之间设有第一金属过孔层(Topvia2层)5，如图6所示，第一金属过孔层5上设有第一金属过孔501、第二金属过孔502和第五开口接地屏蔽环503，第一金属过孔501与第一金属片201连接，第二金属过孔502与第二金属片202连接，第五开口接地屏蔽环503的两侧开口，从图6的角度看，第五开口接地屏蔽环503的上、下两侧开口，第一金属过孔501和第二金属过孔502对称设置在第五开口接地屏蔽环503的两侧开口处。
进一步地，第二金属层2与第三金属层3之间设有第二金属过孔层(Topvia1层)6，如图7所示，第二金属过孔层6上设有第六开口接地屏蔽环601，第六开口接地屏蔽环601的两侧开口，从图7的角度看，第六开口接地屏蔽环601的上、下两侧开口。
进一步地，第二金属层2与极板电容层3之间设有第三金属过孔层(Vmim层)7，如图8所示，第三金属过孔层7上设有第三金属过孔701、第四金属过孔702和第七开口接地屏蔽环703，第七开口接地屏蔽环703的两侧开口，从图8的角度看，第七开口接地屏蔽环703的上、下两侧开口，第三金属过孔701和第四金属过孔702对称设置在第七开口接地屏蔽环703的两侧开口处，第三金属过孔701的上端与第一金属片201连接，第三金属过孔701的下端与第一极板电容301连接，第四金属过孔702的上端与第二金属片202连接，第四金属过孔702的下端与第二极板电容302连接。
本实施例中，第一金属层1、第二金属层2和第三金属层4采用的金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
本实施例的滤波器频率响应的电磁仿真曲线如图9所示，图中S11表示第一馈电端口的回波损耗，S21表示第一馈电端口到第二馈电端口的正向传输系数，S12表示第二馈电端口到第一馈电端口的反向传输系数，S22表示第二馈电端口的回波损耗，在图中可以看到，在30GHz～55GHz的频率范围内，|S11|的值都在-10dB以下，并有两个明显的谐振点，同样地，在该频率范围内，|S22|的值都在-10dB以下，并有两个明显的谐振点。
实施例2：
本实施例提供了一种射频无线通信设备，该设备可以为手机、平板电脑等，其包括射频芯片，所述射频芯片上设有实施例1的片上二阶带通滤波器。
综上所述，本发明的片上二阶带通滤波器基于0.13umSiGe工艺来设计，采用第一金属层、第二金属层、极板电容层和第三金属层构成的多层结构，其中第一金属层上设有依次连接的第一馈电端口、第一谐振器、第二谐振器和第二馈电端口，可以通过改变谐振器的尺寸来改变滤波器的中心频率；此外，通过在各金属层走线，结合分布式传输线和芯片加工工艺的优点，具有尺寸小、结构简单、易于与其他器件集成，并具有良好的频率选择的优点，由于可以大幅减小滤波器的尺寸，能更适应日益小型化的射频无线通信设备。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.片上二阶带通滤波器，其特征在于：包括从上到下依次设置的第一金属层、第二金属层、极板电容层以及第三金属层，所述第二金属层与极板电容层之间通过金属过孔连接，所述第一金属层上设有第一谐振器、第二谐振器、第一馈电端口和第二馈电端口，所述第一谐振器和第二谐振器对称设置，所述第一馈电端口和第二馈电端口对称设置，第一馈电端口、第一谐振器、第二谐振器和第二馈电端口依次连接；
所述第一谐振器和第二谐振器均包括弯折接地微带线以及其中一侧开口的矩形环状微带线，所述弯折接地微带线从开口处延伸至矩形环状微带线的内部，并与矩形环状微带线的另一侧连接；
所述第一金属层上还设有两侧开口的第一开口接地屏蔽环，所述第一谐振器和第二谐振器对称设置在第一开口接地屏蔽环内，所述第一馈电端口和第二馈电端口对称设置在第一开口接地屏蔽环的两侧开口处；所述第二金属层上设有两侧开口的第二开口接地屏蔽环，所述极板电容层上设有两侧开口的第三开口接地屏蔽环，所述第三金属层上设有两侧开口的第四开口接地屏蔽环。
2.根据权利要求1所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述第二金属层上还设有第一金属片和第二金属片，所述第一金属片和第二金属片对称设置在第二开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一金属片和第二金属片分别通过金属过孔与极板电容层连接。
3.根据权利要求1所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述极板电容层上还设有第一极板电容和第二极板电容，所述第一极板电容和第二极板电容对称设置在第三开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一极板电容和第二极板电容分别通过金属过孔与第二金属层连接。
4.根据权利要求1所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述第三金属层上还设有第一地板和第二地板，所述第一地板和第二地板对称设置，且第一地板和第二地板分别与第四开口接地屏蔽环的两侧开口处连接。
5.根据权利要求1-4任一项所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述第一金属层与第二金属层之间设有第一金属过孔层，所述第一金属过孔层上设有第一金属过孔、第二金属过孔和两侧开口的第五开口接地屏蔽环，所述第一金属过孔和第二金属过孔对称设置在第五开口接地屏蔽环的两侧开口处，且第一金属过孔和第二金属过孔分别与第二金属层连接。
6.根据权利要求1-4任一项所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述第二金属层与第三金属层之间设有第二金属过孔层，第二金属过孔层上设有两侧开口的第六开口接地屏蔽环。
7.根据权利要求1-4任一项所述的片上二阶带通滤波器，其特征在于：所述第二金属层与极板电容层之间设有第三金属过孔层，所述第三金属过孔层上设有第三金属过孔、第四金属过孔和两侧开口的第七开口接地屏蔽环，所述第三金属过孔和第四金属过孔对称设置在第七开口接地屏蔽环的两侧开口处，第三金属过孔和第四金属过孔的上端与第二金属层连接，第三金属过孔和第四金属过孔的下端与极板电容层连接。
8.射频无线通信设备，包括射频芯片，其特征在于：所述射频芯片上设有权利要求1-7任一项所述的片上二阶带通滤波器。
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| CN101533939A (zh) * | 2009-04-09 | 2009-09-16 | 山西大学 | 协同设计的双频带天线-滤波器装置 |
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2018
- 2018-12-10 CN CN201811502783.8A patent/CN109599645B/zh active Active
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