基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器
阅读：220发布：2020-05-08
专利汇可以提供基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种基于 硅 技术的宽带宽毫米波带通 滤波器 。本实用新型以第三电感为对称轴完全对称；一个第三电容一端与该输入端相连，该第三电容另一端与其中一个第一电感、一个第二电感、第三电感并联；第一电感另一端与其中一个第一电容相连；该第二电感另一端与其中一个第二电容相连；第一电容的另一端接地；第二电容的另一端接地；第三电感与另一个第一电感、另一个第二电感、另一个第三电容并联；第一电感的另一端与另一个第一电容相连；第二电感的另一端与另一个第二电容相连；第一电容另一端接地；该第一电容另一端接地；该第三电容另一端与该输出端相连。滤波器实现了提供超过70％的分数带宽，且具有良好的 阻带 抑制和毫米波区域的 通带 平坦度。，下面是基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器专利的具体信息内容。
1.一种基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，包括：两个第一电感、两个第二电感、一个第三电感、两个第一电容、两个第二电容和两个第三电容；
其中，所述滤波器以所述第三电感为对称轴完全对称，所述第三电容与所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感并联，所述第一电感另一端与所述第一电容相连；所述第二电感另一端与所述第二电容相连，所述第一电容的另一端接地；所述第二电容的另一端接地，所述第三电感的另一端与以第三电感为对称轴完全对称的电路结构相连；
所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输入端与所述第三电容相连，所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输出端与完全对称的另一个第三电容相连；以及其中，第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条实现，曲折线有损金属条均采用预设层结构的顶层的顶层金属层TM2刻画而成，
所述第一电容、第二电容和第三电容通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现。
2.根据权利要求1所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条形成具体的结构为：顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感，中间的有损金属条为第三电感。
3.根据权利要求1所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条形成具体的结构为：顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感，中间的有损金属条为第三电感，位于顶层金属层TM2的顶部两条曲折线有损金属条通过VIA与较低的金属层TM1的曲折线有损金属条相连且顶部两条曲折线有损金属条与较低的金属层曲折线有损金属条垂直。
4.根据权利要求1所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述预设层结构包括：依次排列的顶层金属层TM2、较低的金属层TM1、金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2、金属层M1和位于所述预设层结构的底部的硅基板层；
所述顶层金属层TM2和较低的金属层TM1之间、较低的金属层TM1和金属层M5之间、金属层M5和金属层M4之间、金属层M4和金属层M3之间、金属层M3和金属层M2之间、以及金属层M2和金属层M1之间均为二氧化硅层；以及
所述金属-绝缘体-金属层MIM由所述较低的金属层TM1、金属层M5和两者之间的二氧化硅层组成。
5.根据权利要求4所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述较低的金属层TM1、所述顶层金属层TM2均为铝金属层。
6.根据权利要求4所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述顶层金属层TM2的厚度为3μm；
所述较低的金属层TM1的厚度为2μm；
所述金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2和金属层M1的厚度均为0.45μm；以及所述硅基板层的厚度为200μm；
较低的金属层TM1的上表面与所述顶层金属层M2的下表面的距离是4μm。
7.根据权利要求5所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，所述顶层金属层TM2的长度为W17＝384μm；形成第一电感的曲折线有损金属条的宽度为W18＝16μm；形成第二电感L2的曲折线有损金属条的宽度为W6＝4μm；形成第三电感的曲折线有损金属条的宽度为W9＝11.6μm；两条形成第一电感的曲折线有损金属条的间距为W3＝4μm；两条形成第二电感的曲折线有损金属条的间距为W16＝4μm；形成第一电感的曲折线有损金属条与第一电容连接部分到一个弯曲点的长度为W15＝190μm，弯曲宽度为W13＝12μm，其他的弯曲点之间的长度为W4＝170μm；形成第二电感的曲折线有损金属条与第二电容连接部分到一个弯曲点的长度为W2＝190μm，弯曲宽度为W5＝22μm。
8.根据权利要求5所述的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，其特征在于，顶层金属层TM2通过VIA与较低的金属层TM1中的折叠金属条垂直于顶部顶层金属层TM2中的与曲折线有损金属条TM2并通过VIA连接，第一电容与较低的金属层TM1中折叠金属条相连，顶层金属层TM2中用于形成两个第二电感的两条曲折线有损金属条的宽度为W4＝4μm，间距为W1＝20μm，弯曲宽度为W16＝12μm，较低的金属层TM1中用于形成两个第二电感的两条曲折线有损金属条的宽度为W2＝4μm，弯曲宽度为W3＝12μm，其中较低的金属层TM1中的折叠金属条与顶层金属层TM2中的曲折线有损金属条通过VIA连接的圆的半径为W17＝4μm，第三电感的宽度为W7＝11.6μm，长度为W19＝398μm，两个用于形成第一电感的两条曲折线有损金属条的间距为W12＝20μm，宽度为W11＝2μm，弯曲宽度为W15＝6μm，两弯曲点之间的长度为W14＝168μm。
基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器
技术领域
背景技术
[0002] 为了应对“大数据”中大量数据移入和移出数据中心这个主要挑战，最划算的方法是利用高速无线链路，这不仅需要富有经验的调制方案，例如256QAM，还需要非常广泛的无线电频谱。因此，准毫米波和毫米波区域的频带已被广泛用于支持所需的高速数据传输。在不同的收发器架构中，频率交织(也称为频率复用)结构已经作为时间交织的替代方案提出，用来支撑下一代高速无线和光子应用的片上解决方案。在这种系统中不同构建模块中，带通滤波器是最不可或缺的组件，它不仅用于在超宽带上以最小插入损耗传递有用信号，而且还用于阻止阻带处的不需要的干扰。虽然最近在准毫米波和毫米波应用的片上带通滤波器设计结构方面取得了一些突破，但仍需要新颖的设计结构来进一步提高性能。
[0003] 现有的滤波器技术中，具有以下缺陷：(1)基于集总元件的传统结构在准毫米波和毫米波频率下工作的滤波器不可行；(2)基于分布式元件被广泛用于在该频率区域工作的滤波器结构，但它通常导致相对大的芯片面积。即使传输线的物理尺寸随着工作频率的增加而固有地减小，但在准毫米波区域仍然相对较大。基于此，改进适用于在微波和毫米波区域工作带通滤波器的变得特别具有挑战性。
发明内容
[0004] 本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 一种基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，包括：两个第一电感、两个第二电感、一个第三电感、两个第一电容、两个第二电容和两个第三电容；
[0008] 其中，所述滤波器以所述第三电感为对称轴完全对称，所述第三电容与所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感并联，所述第一电感另一端与所述第一电容相连；所述第二电感另一端与所述第二电容相连，所述第一电容的另一端接地；所述第二电容的另一端接地，所述第三电感的另一端与以第三电感为对称轴完全对称的电路结构相连；
[0009] 所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输入端与所述第三电容相连，所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输出端与完全对称的另一个第三电容相连；以及[0010] 其中，第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条实现，曲折线有损金属条均采用预设层结构的顶层的顶层金属层TM2刻画而成，
[0011] 所述第一电容、第二电容和第三电容通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现。
[0012] 进一步地，
[0013] 所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条形成具体的结构为：顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感，中间的有损金属条为第三电感。
[0014] 进一步地，
[0015] 所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条形成具体的结构为：顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感，中间的有损金属条为第三电感，位于顶层金属层TM2的顶部两条曲折线有损金属条通过VIA与较低的金属层TM1的曲折线有损金属条相连且顶部两条曲折线有损金属条与较低的金属层曲折线有损金属条垂直。
[0016] 进一步地，
[0017] 所述预设层结构包括：依次排列的顶层金属层TM2、所述较低的金属层TM1、金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2、金属层M1和位于所述第一预设层结构的底部的硅基板层；
[0018] 所述顶层金属层TM2和较低的金属层TM1之间、较低的金属层TM1和金属层M5 之间、金属层M5和金属层M4之间、金属层M4和金属层M3之间、金属层M3和金属层M2之间、以及金属层M2和金属层M1之间均为二氧化硅层；以及
[0019] 所述金属-绝缘体-金属层MIM由所述较低的金属层TM1、金属层M5和两者之间的二氧化硅层组成。
[0020] 进一步地，
[0022] 进一步地，
[0023] 所述顶层金属层TM2的厚度为3μm；
[0024] 所述较低的金属层TM1的厚度为2μm；
[0025] 所述金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2和金属层M1的厚度均为 0.45μm；以及
[0026] 所述硅基板层的厚度为200μm。
[0027] 较低的金属层TM1的上表面与所述顶层金属层M2的下表面的距离是4μm。
[0028] 进一步地，
[0029] 所述顶层金属层TM2的长度为W17＝384μm；形成第一电感的曲折线有损金属条的宽度为W18＝16μm；形成第二电感L2的曲折线有损金属条的宽度为W6＝4μm；形成第三电感的曲折线有损金属条的宽度为W9＝11.6μm；两条形成第一电感的曲折线有损金属条的间距为W3＝4μm；两条形成第二电感的曲折线有损金属条的间距为W16＝4μm；形成第一电感的曲折线有损金属条与第一电容连接部分到一个弯曲点的长度为W15＝190μm，弯曲宽度为W13＝12μm，其他的弯曲点之间的长度为W4＝170μm；形成第二电感的曲折线有损金属条与第二电容连接部分到一个弯曲点的长度为W2＝190μm，弯曲宽度为 W5＝22μm。
[0030] 进一步地，
[0031] 顶层金属层TM2通过VIA与较低的较低的金属层TM1中的折叠金属条垂直于顶部顶层金属层TM2中的与曲折线有损金属条TM2并通过VIA连接，第一电容与较低的较低的金属层TM1中折叠金属条相连，顶层金属层TM2中用于形成两个第二电感的两条曲折线有损金属条的宽度为W4＝4μm，间距为W1＝20μm，弯曲宽度为W16＝12μm，较低的较低的金属层TM1中用于形成两个第二电感的的两条曲折线有损金属条的宽度为W2＝4μm，弯曲宽度为W3＝12μm，其中较低的金属层TM1中的折叠金属条与顶层金属层TM2中的曲折线有损金属条通过VIA连接的圆的半径为W17＝4μm，第三电感的宽度为W7＝11.6μm，长度为W19＝398μm，两个用于形成第一电感的两条曲折线有损金属条的间距为W12＝20μm，宽度为W11＝2μm，弯曲宽度为W15＝6μm，两弯曲点之间的长度为W14＝168μm。
[0032] 本发明的有益效果：
[0033] 本发明提供的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，第一种方案包括两个第一电感、两个第二电感、第三电感、两个第一电容、两个第二电容和两个第三电容。具体地，通过曲折线有损金属条形成所需的第一电感、第二电感，第三电感；顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感。中间的有损金属提案为第三电感。进一步地，第一电感和第二电感通过预设层结构的顶层的顶层金属层TM2来实现。用于顶部和底部曲折线有损金属条的初始比率被设置为2。两个第一电容、两个第二电容和两个第三电容通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现。第二种方案与第一种方案不同的是使用较低的金属层垂直折叠金属条，垂直折叠的TM1 中的金属条与顶部顶层金属层TM2通过VIA连接，达到了使用一对金属-绝缘体-金属层MIM电容器和四条曲折线形成的电感结构的组合进行本发明的带通滤波器设计。与现有的滤波器技术相比，本发明提供的片上超宽带带通滤波器在微波和毫米波区域工作，提供超过70％的分数带宽，低插入损耗，小带内幅度纹波，且具有良好的阻带抑制和毫米波区域的通带平坦度。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明
[0034] 图1a示出了本发明的第一个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的结构的俯视示意图；
[0035] 图1b示出了本发明的第二个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的结构的俯视示意图及三维示意图；及图1c为三维示意图；
[0036] 图1d为本发明提供的预设层结构示意图；
[0037] 图2示出了用于设计本发明的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的简化的集总元模型示意图。
[0038] 图3示出了用于分析本发明的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的偶模(a) 和奇模(b)等效电路模型示意图。
[0039] 图4示出了本发明的第一个实施例的具有不同电容值的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的频率响应示意图。(a是第一个实施例中，C1的值是10、30、50fF时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线；b是第一个实施例中，C2的值是0.2、0.4、0.6pF 时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线；c是第一个实施例中，C3的值是0.2、0.4、0.6pF时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线)
[0040] 图5示出了本发明的第二个实施例的具有不同电容值的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的频率响应示意图。(a是第二个实施例中，C1的值是20、30、40fF时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线；b是第一个实施例中，C2的值是0.3、0.4、0.5pF 时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线；c是第一个实施例中，C3的值是0.15、0.2、 0.25pF时，仿真得到的滤波器的S21和S1曲线)
[0041] 图6示出了图2所示的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的简化的集总元模型示意图中第三电感函数的谐振极点和传输零点频率；
[0042] 图7示出了本发明的第一个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器EM模拟和测量的S21和S11曲线图。
[0043] 图8示出了本发明的第二个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器EM模拟和测量的S21和S11曲线图。
[0044] 图9示出了本发明设计方法的一般思想。
具体实施方式
[0045] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0046] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
[0047] 图1a示出了本发明的第一个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的结构的俯视示意图。如图1a所示，一种基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，包括：两个第一电感L1、两个第二电感L2和一个第三电感L3，两个第一电容C1、两个第二电容C2和两个第三电容C3，电路以第三电感L3中点为对称轴完全对称；其中，第一电感、第二电感，第三电感均由曲折线有损金属条形成；所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输入端Port1与所述一个第三电容C3相连，所述基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的输出端Port2与所述的对称的第三电容C3相连；所述两个第二电容C2的一端与所述第二电感L2相连，所述两个第二电容C2的另一端接地，所述两个第三电容 C3的一端与所述第一电感L1，所述两个第二电容C2的另一端接地；所述的第三电感L3一端与所述的第三电容C3、第二电感L2、第一电感L1相连，另一端与完全对称的所述的第三电容C3、第二电感L2、第一电感L1相连；所述第一电感L1和第二电感L2通过预设层结构的顶层的顶层金属层TM2来实现，所述第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现。
[0048] 本发明提供的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器，第一种方案包括两个第一电感L1、两个第二电感L2、第三电感L3、两个第一电容C1、两个第二电容C2和两个第三电容C3，具体地，通过四条曲折线有损金属条形成所需的第一电感L1、第二电感L2，第三电感L3也为有损金属条；顶部两条曲折线损金属条为两个第二电感L2，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感L1。进一步地，采用第一电感和第二电感通过预设层结构的顶层的顶层金属层TM2来实现。用于顶部和底部曲折线有损金属条的初始比率被设置为2。两个第一电容C1、两个第二电容C2和两个第三电容C3通过预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM来实现。第二种方案与第一种方案不同的是使用了垂直与顶部顶层金属层TM2的较低的较低的金属层TM1折叠金属条，垂直折叠的TM1中的金属条与顶部顶层金属层TM2通过VIA连接，达到了使用一对金属-绝缘体-金属层MIM电容器和曲折线有损金属条形成的电感结构的组合进行本发明的带通滤波器设计。与现有的滤波器技术相比，本发明提供的片上超宽带带通滤波器在微波和毫米波区域工作，提供超过70％的分数带宽，低插入损耗，小带内幅度纹波，且具有良好的阻带抑制和毫米波区域的通带平坦度。在实际生产工艺中预设层结构的金属-绝缘体-金属层MIM分割为第一电容、第二电容和第三电容，起到了第一电容、第二电容和第三电容的作用，以及第一电容、第二电容和第三电容均嵌入在输入和输出馈电线下方，不需要额外的区域。
[0049] 在本实施例中，虽然螺旋线和曲折线结构都可用于实现折叠电感器，但由于更高的自身资源频率，曲折线结构是优选的，可以实现相对大的电感值以实现低频传输零点。
[0050] 参见图1d在本实施例中，将本发明的预设层结构以标准0.13-μm(Bi)-CMOS技术进行设计和实施。具体地，预设层结构包括：从顶层至底部依次排列的顶层金属层 TM2、较低的金属层TM1、金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2、金属层 M1和位于预设层结构的底部的硅基板层；顶层金属层TM2和较低的金属层TM1之间、较低的金属层TM1和金属层M5之间、金属层M5和金属层M4之间、金属层M4和金属层M3之间、金属层M3和金属层M2之间、以及金属层M2和金属层M1之间均为二氧化硅层；金属-绝缘体-金属层MIM由较低的金属层TM1、金属层M5和两者之间的二氧化硅层组成，使得本发明的基于硅的宽带宽毫米波的带通滤波器生成的传输极点可以被有效地控制并放置在通带内。
[0051] 在本实施例中，所述顶层金属层TM2的厚度为3μm；所述较低的金属层TM1的厚度为2μm；所述金属层M5、金属层M4、金属层M3、金属层M2和金属层M1的厚度均为0.45μm；所述硅基板层的高度为200μm；二氧化硅的介电常数为4.1，损耗角正切为0.01；以及所述较低的金属层TM1的上表面与所述金属层M2的下表面的距离是4μm。
[0052] 在本实施例中，通过将预设层结构的各个金属层的厚度和硅基板层的厚度设置为固定值，可以实现更好地将本发明的带通滤波器进行小型化设计,与其他的滤波器相比，本发明的带通滤波器提供超过70％的分数带宽，具有良好的阻带抑制和毫米波区域的通带平坦度。
[0053] 如图1a所示，顶部两条曲折线有损金属条为两个第二电感L2，底部两条曲折线有损金属条为两个第一电感L1；所述顶层金属层TM2的长度为W17＝384μm；形成第一电感L1的有损金属条的宽度为W18＝16μm；形成第二电感L2的有损金属条的宽度为 W6＝4μm；形成第三电感L3的有损金属条的宽度为W9＝11.6μm；两条形成第一电感L1的曲折线有损金属条的间距为W3＝4μm；两条形成第二电感L2的曲折线有损金属条的间距为W16＝4μm；形成第一电感L1的曲折线有损金属条与第一电容C1连接部分到一个弯曲点的长度为W15＝190μm，弯曲宽度为W13＝12μm，其他的弯曲点之间的长度为 W4＝170μm；形成第二电感L2的曲折线有损金属条与第二电容C2连接部分到一个弯曲点的长度为W2＝190μm，弯曲宽度为W5＝22μm，其他的弯曲点之间的长度为 W14＝170μm，上述参数的设置实现了将本发明的带通滤波器设计，在设计中使用四条曲折线来形成所需的电感值，另外六个MIM电容器用于微调频率响应。为了实现所需的电感值，用于顶部和底部曲折线有损金属条的初始比率被设置为2。进一步优化电感值，为了获得相对大的电感，使用多个金属条且最小化金属条宽度，相反，较宽的金属条实现相对小的电感。使得本发明的带通滤波器分数带宽超过78％，在17GHz至27GHz 的频率范围内实现了2.3dB的最小插入损耗，并且带内幅度纹波小于0.1dB。
[0054] 图1b和1c示出了本发明的第二个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器结构俯视示意图及三维示意图。如图1b所示，与第一个实例不同的是利用较低的较低的金属层TM1，不增加面积的情况下获得所需的电感值。TM1中的折叠金属条垂直于顶部顶层金属层TM2中的与曲折线有损金属条TM2并通过VIA连接。第一电容与较低的较低的金属层TM1中折叠金属条相连。顶部顶层金属层TM2中用于形成两个第二电感的两条曲折线有损金属条的宽度为W4＝4μm，间距为W1＝20μm，弯曲宽度为W16＝12μm。较低的较低的金属层TM1中用于形成两个第二电感的的两条曲折线有损金属条的宽度为W2＝4μm，弯曲宽度为W3＝12μm。其中较低的较低的金属层TM1中的折叠金属条与顶部顶层金属层TM2中的曲折线有损金属条通过VIA连接的圆的半径为 W17＝4μm。第三电感的宽度为W7＝11.6μm，长度为W19＝398μm。两个用于形成第一电感的两条曲折线有损金属条的间距为W12＝20μm，宽度为W11＝2μm，弯曲宽度为 W15＝6μm，两弯曲点之间的长度为W14＝168μm。在本实施例中通过使用较低的金属层垂直折叠金属条，显着降低过滤器的物理尺寸，分数带宽超过70％。在21.4GHz至 27.7GHz的频率范围内实现了2.6dB的最小插入损耗，并且带内幅度纹波小于0.1dB。
[0055] 图2示出了用于设计本发明的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的简化的集总元模型示意图。基于图2的本发明的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的简化的集总元模型的设计，图3示出了用于分析本发明的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的偶模和奇模等效电路模型示意图。建立图3所示的本发明的带通滤波器的偶模和奇模等效电路模型进行理论分析，并将分析结果作为设计指南，以便去证明本发明的带通滤波器的设计思路是正确的，从理论分析去指导仿真分析和实际设计，进而去优化本发明的带通滤波器的滤波性能。
[0056] 如图2所示，第一电感L1，第二电感L2和第一电容C1，第二电容C2用于产生所需的陷波频率，第三电感L3用于模拟一对陷波滤波器之间的互连，第三电容C3则用于形成带通滤波器的电容馈电，从而可以阻挡低频分量。简化的集总元模型可以产生两个传输零点且两个传输零点可以独立调整，使设计具有灵活性。简化的集总元模型是完全对称的，故采用偶模和奇模分析方法来描述其传输特性。
[0057] 如图3所示，对于偶模，中间的对称平面是完美的磁壁，对于奇模，中间平面为完美的电壁。通过导纳矩阵建模为互易双端口网络，进一步可到三种谐振模式的位置绘制出第三电感函数的谐振极点和传输零点频率。选择较低的Qex，较大的J01值，较大斜率参数b，使设计具有灵活的和宽的带宽，尖锐的通带选择性和带内特性。
[0058] 图6示出了图2所示的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的简化的集总元模型示意图中第三电感函数的谐振极点和传输零点频率；谐振极点f2对第三电感L3敏感；谐振极f1对第三电感L3的变化无关；谐振极f2'被置于低频阻带处；附加谐振极点fTZ1放置在靠近低频传输零点，抑制不需要的低频杂散。滤波器的带宽通过L3的值调整。
[0059] 图4示出了本发明的第一个实施例的具有不同电容值的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的频率响应示意图。使用较大的电容值，滤波器的高频传输零点被移位到较低频率。
[0060] 图5示出了本发明的第二个实施例的具有不同电容值的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器的频率响应示意图。使用较大的电容值，滤波器的高频传输零点被移位到较低频率。第一个实施例与第二个实施例的仿真结果非常匹配。
[0061] 图7示出了本发明的第一个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器EM模拟和测量的S21和S11曲线图。回波损耗从13.5到32GHz优于10dB，分数带宽超过 78％；在17GHz至27GHz的频率范围内实现了2.3dB的最小插入损耗，带内幅度纹波小于0.1dB。EM仿真与第一个实施例上的测量之间合理一致。差异源于G-S-G探测垫未参与EM仿真。
[0062] 图8示出了本发明的第二个实施例的基于硅技术的宽带宽毫米波带通滤波器EM模拟和测量的S21和S11曲线图。回波损耗在17.3至35.9GHz之间优于10dB，分数带宽超过70％；在21.4GHz至27.7GHz的频率范围内实现了2.6dB的最小插入损耗，带内幅度纹波小于
0.1dB。
0.1dB。
[0063] 图9示出了本发明设计方法的一般思想。带通滤波器可以通过加载两个并联枝节(也称为凹口)来构造。短截线用于形成低频和高频阻带，凹口之间的频率用作通带。通过选择两个槽口的位置，构建具有宽通带和尖锐的截止选择性的带通滤波器。
[0064] 本发明正确选择集总组件的值，从而确定特定滤波特性，例如分数带宽，带内纹波水平，传输零点。根据理论分析，多次设计迭代在实践中获得优化结果。其次近似估计用于形成电感的每条有损金属条的长度和宽度，小型化设计低频传输零点是关键，小电感和大电容的组合可以实现低频传输零点，大电容由金属-绝缘体-金属MIM技术实现。再次基于所确定的电感器的折叠模式以及预先选择的电容值，进一步优化带通滤波器的整体性能。金属条的长度固定，改变金属条的宽度影响电感值。增加金属条的宽度导致电感减小。改变电感值用作路线调谐，而对于微调，改变电容值。
[0065] 具体地，如图2所示简化的集总元模型，电路模型由集总元件组成，即L1，L2， L3和C1，C2，C3。L1，L2和C1，C2用于产生所需的陷波频率；元件L3用于模拟一对陷波滤波器之间的互连；C3用于形成带通滤波器的电容馈电，阻挡低频分量。由于L1，C1和L2，C2的LC串联电路，会发生某些频率的共振，谐振将阻止信号传播，导致如图9所示的两个传输零点，且两个传输零点可以独立调整，具有灵活性。
[0066] 进一步地，由于电路完全对称，故采用偶模和奇模分析方法来描述其传输特性。偶模和奇模等效电路分别如图3所示。对于偶模，中间的对称平面为完美的磁壁，对于奇模，中间平面为完美的电壁(虚拟地面)。通过导纳矩阵建模为互易双端口网络，导出的三种谐振模式的位置绘制为L3的电感值的函数，如图6所示。谐振极点f2对第三电感L3敏感；谐振极f1对第三电感L3的变化无关；谐振极f2'被置于低频阻带处；附加谐振极点fTZ1放置在靠近低频传输零点，抑制不需要的低频杂散。滤波器的带宽通过L3的值调整，且所有电感器都被硅技术中的有损金属条取代。另一方面，使用导纳矩阵合成带通滤波器的特性。本发明所提出的滤波器是双模带通滤波器，外部品质因数与分数带宽和带内纹波水平有关，故除了谐振极点和传输零点外，带通滤波器特性如带内纹波水平，带宽，外部品质因数和耦合系数，也与设计参数L1，L2，L3和C1，C2，C3有关。选择较低的Qex，较大的J01值，较大斜率参数b，使设计具有灵活的和宽的带宽，尖锐的通带选择性和带内特性。
[0067] 具体实施例中，如图1所示，使用四条曲折线来形成所需的电感值，另外六个金属 -绝缘体-金属MIM电容器用于微调频率响应。顶部两条和底部两条曲折线用于表示电感 L2和L1，且曲折线金属条的初始比率被设置为2。进一步优化电感值，较大的电感可最小化的金属条宽度。相反，较宽的金属条实现较对小的电感。
[0068] 具体实施例中，如图2所示，为进一步减小带通滤波器的物理尺寸。采用金属条垂直折叠的方式以减少芯片面积，且较低较低的金属层TM1中的折叠金属条与顶部顶层金属层TM2通过VIA连接且相互垂直。使用较大的电容值，高频传输零点被移位到较低频率。
[0069] 根据图7和图8的仿真分析具体地，两种带通滤波器原型采用标准的0.13μm(Bi) -CMOS技术制造。不包括焊盘，第一种设计的芯片尺寸仅为0.37×0.4mm2，而第二种设计的尺寸更小，为0.26×0.4mm2。使用Keysight的矢量网络分析仪(VNA)N5245A PNA-X，通过晶圆上的G-S-G探测，可测量高达50GHz的带通滤波器的S参数。通过使用传统的短载荷-开路(SLOT)晶片上校准来进行测量，以将参考平面从设备的连接口移动到RF探针的尖端。如图7所示，回波损耗从13.5到32GHz优于10dB，这表明FBW超过78％。此外，在17GHz至27GHz的频率范围内实现了2.3dB的最小插入损耗，并且带内幅度纹波小于0.1dB。EM模拟结果与通带中测量数据之间的差异主要是因为G-S-G探测垫未参与EM仿真。对于第二种设计，通过使用较低的金属层垂直折叠金属条，显着降低过滤器的物理尺寸。如图8所示，回波损耗在17.3至35.9GHz 之间优于10dB，这表明FBW超过70％。此外，在21.4GHz至27.7GHz的频率范围内实现了2.6dB的最小插入损耗，并且带内幅度纹波小于0.1dB。
[0070] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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