一种基于砷化镓IPD工艺的超宽带低插损带通滤波器

本发明涉及射频集成电路与集成无源器件，具体涉及一种基于砷化镓集成无源器件（integrated passive device，ipd）工艺的超宽带低插损带通滤波器，适用于超宽带、5g 射频前端通信设备。

背景技术：

1、超宽带通信技术凭借传输速率高、抗干扰能力强、功耗低、定位精度高等优势，被广泛应用于短距离高速无线传输、室内精准定位、5g射频前端、物联网终端、车载通信等核心场景。带通滤波器作为射频前端系统的核心无源器件，主要承担筛选目标频段信号、抑制带外杂波与干扰信号的作用，其带宽、插损、带外抑制、尺寸集成度等性能参数，直接决定整个射频通信系统的通信质量与运行稳定性。一些用于制备射频滤波器的现有工艺包括低温共烧陶瓷（low temperature co-fired ceramic，ltcc）、印制电路板（printed circuitboard，pcb）、声学、ipd等等。其中，低温共烧陶瓷与微带工艺制备的滤波器存在整体尺寸偏大、集成度低、高频损耗严重的问题，难以适配当下终端设备小型化、芯片级集成的发展需求；声学滤波器虽具备低插损优势，但工作带宽较窄，无法满足超宽带通信的宽频信号传输需求；ipd工艺制备带通滤波器，利用 ipd 工艺芯片级高集成度、高频损耗小、量产一致性优、寄生参数可控、成本低廉的显著优势，解决了传统 ltcc、pcb 滤波器尺寸大、高频损耗高以及声学滤波器带宽受限的问题。然而，现有ipd超宽带带通滤波器普遍存在宽频特性与低插损性能无法兼顾、带外抑制能力弱、高频寄生参数干扰大、集成度与适配性差的技术短板，难以适配新一代超宽带高速通信、小型化射频终端的应用需求。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种基于砷化镓ipd的超宽带低插损带通滤波器，兼顾了超宽带宽频特性、超低插损与高带外抑制性能。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，所述超宽带低插损带通滤波器包括第一部分sectionⅰ、第二部分sectionⅱ和电容c10，三个部分依次串联，sectionⅰ由电容c1、滤波单元和电容c6依次串联组成；滤波单元分为上下并联的两个t形结构，每个t形结构由两个电容和一个电感组成；sectionⅱ为一个并联电路，分为上下两部分，上部分为由两个电容和一个电感组成的t形结构，下部分为一个电容和一个电感的串联；每个t形结构中一个电容和电感串联，另外一个电容接地，该带通滤波器电路在下阻带有两个传输零点，并且两个传输零点分别由电路两个部分sectionⅰ和sectionⅱ产生，上阻带没有传输零点。

4、进一步地，第一部分sectionⅰ具体为：电容c1的一端与输入端口port1连接，电容c1的另一端同时连接电容c2的一端和电感l2的一端；电容c2的另一端连接电容c3的一端，还连接电感l1的一端，电容c3的另一端接地；电感l2的另一端连接电容c4的一端，还连接电容c5的一端，电容c4的另一端接地；电感l1的另一端与电容c5的另一端连接，然后再一起连接到电容c6的一端，电容c6的另一端连接sectionⅱ。

5、进一步地，第二部分sectionⅱ具体为：电感l3和电容c9的一端同时连接section i中电容c6的另一端；电感l3的另一端与电容c7和c8的一端连接，电容c7的另一端接地；电容c9的另一端与电感l4的一端连接；电感l4的另一端与电容c8的另一端连接，然后再一起连接到电容c10的一端，电容c10的另一端与输出端口port2连接。

6、进一步地，建立接地通孔寄生参数的等效模型，将ipd工艺中的寄生参数引入设计，提取接地金属通孔的等效电路。

7、进一步地，将接地金属通孔的等效电路中的小电感l01、l02和l03加入超宽带低插损带通滤波器中，构成基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，小电感l01与第一部分sectionⅰ中的电容c3连接后接地，小电感l02与第一部分sectionⅰ中的电容c4连接后接地，小电感l03与第二部分sectionⅱ中的电容c7连接后接地。

8、进一步地，增加小电感后带通滤波器电路的[abcd]矩阵为：

9、

10、引入小电感l01和l02后第一部分的级联矩阵[abcd]′sⅰ表示为：

11、

12、其中，

13、，

14、，

15、，

16、，

17、

18、，

19、，

20、，

21、，

22、。

23、进一步地，引入小电感l03后第二部分的级联矩阵[abcd]′sⅱ表示为：

24、

25、其中，

26、

27、

28、

29、

30、，，，

31、其中，j表示虚数单位，ω表示角频率。

32、进一步地，根据传输系数s21与[abcd]矩阵的关系：

33、

34、计算传输零点，令s21=0，传输零点分别满足两个关于ω的方程，第一个方程为

35、

36、其中，

37、

38、

39、

40、

41、将元件值c2=1.26pf、c3=0.61pf、c4=12.27pf、c5=1.24pf、l1=0.79nh、l2=1.80nh、l01=l02=0.047nh代入上述第一个方程求解，得到传输零点为：，，。

42、进一步地，第二个方程为：

43、

44、其中，

45、

46、

47、

48、将元件值c7=6.68pf、c8=0.36pf、c9=10.86pf、l3=1.64nh、l4=1.07nh、l03=0.047nh代入上述第二个方程求解，得到传输零点为：，。

49、进一步地，设计基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器的物理版图，物理版图中的电容模型选用金属-绝缘体-金属结构，通过改变上下金属极板面积来调整电容值；物理版图中的电感模型选用圆形螺旋平面电感，通过改变匝数、线宽、线距来调整电感值。

50、本发明的有益技术效果为：

51、相较于现有ipd滤波器结构，本发明所提供的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器能够有效优化通带信号传输损耗，大幅提升滤波器的频率选择能力，可精准滤除带外干扰信号、抑制高次谐波，同时依托ipd芯片级集成工艺的特性实现器件小型化设计，本发明所提供的带通滤波器具备超宽带工作频段、超低通带插损、优异的高频选频特性以及小型化等优点，综合性能优势突出，适配各类小型化、高精度超宽带无线通信终端的规模化应用。

1.一种基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，超宽带低插损带通滤波器包括第一部分sectionⅰ、第二部分sectionⅱ和电容c10，三个部分依次串联，sectionⅰ由电容c1、滤波单元和电容c6依次串联组成；滤波单元分为上下并联的两个t形结构，每个t形结构由两个电容和一个电感组成；sectionⅱ为一个并联电路，分为上下两部分，上部分为由两个电容和一个电感组成的t形结构，下部分为一个电容和一个电感的串联；每个t形结构中一个电容和电感串联，另外一个电容接地，该带通滤波器电路在下阻带有两个传输零点，并且两个传输零点分别由电路两个部分sectionⅰ和sectionⅱ产生，上阻带没有传输零点。

2.根据权利要求1所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，第一部分sectionⅰ具体为：电容c1的一端与输入端口port1连接，电容c1的另一端同时连接电容c2的一端和电感l2的一端；电容c2的另一端连接电容c3的一端，还连接电感l1的一端，电容c3的另一端接地；电感l2的另一端连接电容c4的一端，还连接电容c5的一端，电容c4的另一端接地；电感l1的另一端与电容c5的另一端连接，然后再一起连接到电容c6的一端，电容c6的另一端连接sectionⅱ。

3.根据权利要求2所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，第二部分sectionⅱ具体为：电感l3和电容c9的一端同时连接section i中电容c6的另一端；电感l3的另一端与电容c7和c8的一端连接，电容c7的另一端接地；电容c9的另一端与电感l4的一端连接；电感l4的另一端与电容c8的另一端连接，然后再一起连接到电容c10的一端，电容c10的另一端与输出端口port2连接。

4.根据权利要求3所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，建立接地通孔寄生参数的等效模型，将ipd工艺中的寄生参数引入设计，提取接地金属通孔的等效电路。

5.根据权利要求4所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，将接地金属通孔的等效电路中的小电感l01、l02和l03加入超宽带低插损带通滤波器中，构成基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，小电感l01与第一部分sectionⅰ中的电容c3连接后接地，小电感l02与第一部分sectionⅰ中的电容c4连接后接地，小电感l03与第二部分sectionⅱ中的电容c7连接后接地。

6.根据权利要求5所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，增加小电感后带通滤波器电路的[abcd]矩阵为

7.根据权利要求6所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，引入小电感l03后第二部分的级联矩阵[abcd]′sⅱ表示为

8.根据权利要求7所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，根据传输系数s21与[abcd]矩阵的关系，即

9.根据权利要求8所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，第二个方程为

10.根据权利要求9所述的基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器，其特征在于，设计基于砷化镓ipd工艺的超宽带低插损带通滤波器的物理版图，物理版图中的电容模型选用金属-绝缘体-金属结构，通过改变上下金属极板面积来调整电容值；物理版图中的电感模型选用圆形螺旋平面电感，通过改变匝数、线宽、线距来调整电感值。