SIW交指帶通濾波器的設計與仿真*

翟瓊華，歐　毅，薛晨陽，李志剛，歐　文

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心，北京100029）

SIW交指帶通濾波器的設計與仿真*

翟瓊華1，2，歐毅2*，薛晨陽1，李志剛2，歐文2

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；2.中國科學院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心，北京100029）

介紹了一種雙層SIW帶通濾波器，兩層之間采用交指結構實現諧振，輸入輸出采用共面波導形式。所設計的毫米波濾波器芯片尺寸僅有7 mm×3.5 mm×0.8 mm，使用三維高頻電磁仿真軟件對該結構進行仿真和優化，結果表明濾波性能符合設計要求:中心頻率10.6 GHz、帶寬2.5 GHz、帶內插損2 dB。最后闡明了基于MEMS技術的該濾波器的工藝制作流程。

帶通濾波器；基片集成波導；交指型；抽頭式；MEMS

EEACC:2575；1270D；1320doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.019

微波濾波器是一種無源二端口網絡，具有頻率選擇特性，廣泛應用于雷達、電子對抗和通訊等系統中，是實現高質量高可靠性系統的保障，小型化和高性能是其重要的研究方向。抽頭式交指帶通濾波器因為具有體積小、重量輕、頻帶寬、二次通帶遠和易實現等優點而得到廣泛應用?；刹▽В⊿IW）是由介質基板、上下金屬面、金屬化通孔組成的類波導結構［1］，具有品質因數高、功率容量大、隔離度高、低插損、低輻射、小體積、輕重量、低成本、易集成等諸多優點［2］，是平面微波毫米波集成電路中的研究熱點。

本文在硅片上制作金屬通孔以實現諧振腔，在雙層SIW界面制作交指型金屬圖形以實現電磁耦合，設計了一種微波帶通濾波器，具有體積小、重量輕、插損低等優點，可用MEMS工藝來實現。

1　設計原理

對于窄帶和中等帶寬（FBW＜30%）的濾波器，通常選用終端短路式交指結構來實現［3］，其階數由下式確定［4］。

諧振器間的耦合系數Ki，i+1和外部品質因數Q:

式中:FBW是濾波器的相對帶寬，N為濾波器的級數，gi，gi+1為低通原型的歸一化元件值，i=1，2，…，n-1。

對于各諧振器微帶線取同等寬度的情況，文獻［5］中給出了詳細的設計公式:

式中:Y1表示單根諧振線的特性導納，Yt表示輸入輸出抽頭線的導納，θt為輸入或輸出諧振器從接地端到抽頭端口的電長度。

利用濾波器的導納參數即可求得各階耦合微帶線的奇偶模特性阻抗［6］。利用帶狀線特性阻抗計算公式可以確定Z1=1/Y1所對應的諧振器線寬，再通過調整諧振器之間的間隙Si，i+1來獲得期望的阻抗 Z0ei，i+1和 Z0oi，i+1。

式中:λg為介質中的波長，Δli為相應諧振器開路端的等效線長。

抽頭式交指濾波器的抽頭位置 Lt的計算公式［7］:

式中:R是信號源阻抗（通常為50 Ω）；Z0是諧振器無耦合情況下的特性阻抗，Q為濾波器的外部品質因數。

雙層SIW結構具有較高的Q值，且可以有效縮小濾波器的芯片面積［8］，其結構如圖1所示。SIW諧振腔與矩形波導的等效關系經驗公式為［9］:

式中:Weff為SIW的等效寬度，W為矩形波導的寬度，d為金屬通孔的直徑，p為金屬通孔間的距離。

2　設計實例

根據濾波器設計指標，如表1，由式（1）得濾波器級數N=7，相對帶寬FBW=18.182%，選取通帶波紋0.01 dB的契比雪夫低通原型濾波器可滿足設計要求。通過計算，其歸一化元件值g參數如下:

g0=g8=1.000 0，g1=g7=0.797 0，g2=g6=1.392 4，g3=g5= 1.748 1，g4=1.633 1

表1　濾波器設計指標

由諧振器耦合系數式（3）知:K1，2=K6，7，K2，3=K5，6，K3，4=K4，5，所以濾波器為左右對稱結構，其相鄰諧振器間隙 S1，2=S6，7，S2，3=S5，6，S3，4=S4，5。利用式（4）～式（10）可以算出濾波器各階耦合微帶線的奇偶模特性阻抗，如表2所示。由式（2）、（11）可以算出抽頭點的位置。

表2　濾波器各耦合節特性阻抗

本文所設計的雙層SIW濾波器的外形如圖1所示，將上層硅片和金屬層透明化，濾波器的內部結構如圖2所示，上下兩層之間的耦合由交指諧振器結構來實現。介質基片選用厚度為400 μm、電阻率ρ＞4 000 Ω×cm的高阻硅襯底，介電常數為11.9；選擇Au作為微帶信號線，厚度18 μm。

圖1　雙層SIW濾波器結構

圖2　交指諧振器結構及局部放大圖

使用三維高頻電磁仿真軟件CST對該結構進行建模，將求出的各諧振器的線寬及間距設為仿真初值，優化后的交指結構具體參數見表3，Si，i+1為諧振器的間距，Lt為抽頭點到短路端的距離。金屬通孔的半徑r=80 μm，通孔作為叉指結構的短路端，其間距p與諧振器間距一致，如圖2所示。

表3　濾波器物理尺寸　單位：μm

由于GCPW接地共面波導具有寬帶匹配、易與微帶電路轉換、便于封裝和測試等優點，輸入輸出端口采用GCPW形式，特性阻抗50 Ω，中間信號線的寬度120 μm，信號線與兩側地的間距為70 μm。

3　建模與仿真分析

CST是一款精確有效的電磁仿真軟件，覆蓋了整個電磁頻段［10］，提供了完備的時頻全波算法，其獨有純瞬態場路協同仿真，運用有限積分法對麥克斯韋積分方程進行離散化并迭代求解，非常適合諸如濾波器等主要關心帶內參數問題的設計。

建模過程中，考慮到相鄰諧振器間的耦合效應，微帶信號線的厚度不能忽略；金屬通孔與上下表面金屬層形成了基片集成波導結構，因此采用電邊界條件；設置合適的波導端口尺寸，采用瞬態求解器可以得到如圖3所示的頻率響應特性曲線。結果表明:濾波器的中心頻率為10.6 GHz，帶內插損2 dB，3 dB帶寬大于2.5 GHz，f0±2.5 GHz處帶外抑制大于50 dB，通帶內VSWR小于1.3，滿足設計指標要求。

圖3　CST仿真結果

通過調整諧振器的參數可以有效調節濾波性能:濾波器的中心頻率由諧振器的長度決定，諧振器越長，中心頻率越低，如圖4所示，與式（11）相符。帶寬主要由諧振器的間距決定，間距越小，耦合越強，兩個諧振模的諧振頻率相距越遠，通帶越寬。通帶內的駐波主要取決于抽頭位置。

圖4　濾波器S11隨諧振器長度L變化曲線

微帶線結構中接地金屬化孔為微波信號提供射頻接地回路［11］，設計時必須考慮接地金屬化孔的寄生電感效應對濾波器幅頻特性產生的影響。圖5所示為濾波器S參數隨通孔半徑r變化的曲線，可以看出，隨著r的增大，濾波器中心頻率和高頻傳輸零點向右偏移，帶外抑制增強。當r＞100 μm時，濾波器的回波損耗增大；由于加工工藝的限制，r不宜過小。

圖5　濾波器S參數隨r變化曲線

4　工藝及實現方案

SIW結構交指帶通濾波器的實現主要采用MEMS體硅工藝和圓片鍵合工藝，包括光刻、剝離、ICP刻蝕、金屬圖形化及圓片鍵合等工藝步驟。

濾波器的制作工藝流程如圖6所示，主要包括: （a）采用雙面拋光的高阻硅襯底，在正面光刻出交指圖形、濺射種子層Cr、電鍍加厚Au、剝離光刻膠獲得金屬圖形；（b）光刻出CPW接口臺階，ICP刻蝕100 μm的深度；（c）背面蒸發一層Al作掩膜［12］，光刻出通孔圖形、ICP刻蝕通孔，去除鋁掩蔽層；（d）背面濺射、電鍍使通孔及背面金屬化，與襯底正面金屬形成三維互連［13-15］，至此上層芯片制作完成；（e）光刻、電鍍、剝離形成下層芯片的金屬圖形；（f）刻蝕下層硅片的接地通孔；（g）下層芯片通孔及背面金屬化；（h）上下層對位鍵合，多步徑劃片分離濾波器芯片。

圖6　SIW濾波器工藝流程示意圖

制作中通孔側壁的垂直度決定后續孔壁金屬化的難易程度，對濾波器性能有嚴重影響:側壁鍍金厚度越大，回波損耗越小、帶外抑制越強，側壁鍍金工藝不理想，會使濾波器插損增大，嚴重時導致濾波器中心頻率偏移。

5　結論

本文論述了SIW與交指結構結合設計帶通濾波器的方法。在交指諧振器的外圍設計一排金屬通孔，不僅可以保證濾波器良好的微波接地，減少空間信號的干擾；而且與上下層金屬形成SIW結構，有效限制內部電磁能量向外輻射，得到的濾波器損耗更小，性能更優。結合三維高頻電磁仿真軟件的分析，可以降低研究成本、縮短研制周期。利用MEMS工藝的立體加工能力，可對本文所設計的濾波器進行流片加工。

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翟瓊華（1990-），女，中北大學碩士研究生，主要從事MEMS微波濾波器方面研究，zhaiqionghua@ime.ac.cn；

歐毅（1975-），男，副研究員，碩士生導師，主要從事MEMS傳感器和執行器技術研究。先后參與、主持并完成多項國家863、國家973、國家自然科學基金項目和科學院項目。在國內外期刊上發表學術論文20余篇，以第一發明人申請并授權國家發明專利5項，ouyi@ime.ac.cn。

Design and Simulation of SIW-Interdigital Band-Pass Filters*

ZHAI Qionghua1，2，OU Yi2*，XUE Chenyang1，LI Zhigang2，OU Wen2

（1.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences，Integrated Circuit Advanced Process Center，Beijing 100029，China）

A double-layer SIW band-pass filter has been introduced，in which the interdigital strip-lines structure was utilized to achieve resonant and the CPW coplanar waveguide was used as the input and output lines.The chip size of the millimeter-wave filter designed is as small as 7 mm×3.5 mm×0.8 mm.Then the filter was simulated and optimized by using a 3D electro-magnetic field analysis software.The simulation results show that the central frequency，bandwidth，and insertion loss of the designed filter respectively are 10.6 GHz，2.5 GHz and 2 dB，which fully meet the design aims.Finally，the fabrication process of the MEMS-based filter was presented.

band-pass filter；SIW；interdigital；tapped-line；MEMS

TN603.5

A

1004-1699（2015）09-1379-05

項目來源:基于兩種非線性理論的新型MEMS振動能量收集芯片研究項目（61274119）；應用于太赫茲成像的左手材料焦平面陣列研究項目（61306141）

2015-03-26修改日期:2015-06-17