基于砷化鎵IPD 技術的帶通濾波器小型化設計

趙丁雷

（中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031）

1 概述

相控陣雷達具有快速的波束掃描，靈活的波束賦形能力，已經成為先進軍事裝備中的關鍵技術。隨著新一代載荷平臺有源相控陣雷達向小型化、高性能以及高集成方面發展，這就要求射頻前端有著更小的體積和更高的集成度。但是目前大多數無源器件受制作工藝的限制，集成度不夠高，體積也較大，難以達到上述的要求。

目前，無源器件主要有兩種實現方式，一種是集總參數方式，另一種是分布參數方式。采用集總參數實現的無源器件，電路尺寸不受波長限制，適合集成，而采用分布參數方式的無源器件，由于電路尺寸和波長有關，不易集成。從集成的角度出發，應當采用集總參數方式，以實現器件小型化。

集成無源器件IPD（Integrated Passive Device），是將基本單元電路（電感L、電容C、以及電阻R）集成到基板的襯底中，并由這些單元電路構成功能性無源器件，如濾波器、功分器、巴倫、耦合器、雙工器等。由于具有微型化、高性能、低成本等特點，IPD 技術應用前景廣闊。

IPD 根據基板的工藝，分為薄膜IPD 和厚膜IPD。厚膜IPD 以絲網印刷技術為主，如LTCC 等。薄膜IPD 主要采用光刻技術，其加工精度高，有利于實現小型化，高性能；薄膜IPD 可以采用砷化鎵（GaAs）、玻璃（Glass）、高阻性硅（HiZ Silicon）、氧化鋁（Al2O3）等材料作為基底[1-10]，如圖1。表1 給出了一些常見材料的損耗角正切和介電常數。

圖1 不同襯底的IPD 器件：a）氧化鋁基濾波器；b）砷化鎵低通濾波器；c）玻璃基功分器；d）硅基低通濾波器

表1 常見材料的損耗角正切及介電常數

GaAs 材料相比于其他基底材料具有極低的介質損耗（為萬分之一量級），可以形成低損耗的電感和傳輸線。因此采用GaAs IPD 工藝實現無源器件，具有較好的工藝優勢。

本文工作基于國內某GaAs IPD 微電子工藝線，設計了一款性能優良的帶通濾波器芯片，相比采用傳統工藝的濾波器，可以有效地減小射頻前端電路的體積和重量，提升雷達的有效載荷，具有十分廣闊的應用前景。

2 濾波器拓撲結構選擇

利用網絡綜合方法設計Chebyshev 濾波器結構，在理想元件條件下可以實現設計要求，如圖2。

圖2 三階Chebyshev 濾波器電路結構

但由于以下兩個因素的影響，在IPD 工藝下實現GHz 頻段的濾波器不再是公式化地應用傳統意義上的集總元件綜合方法就能完成：（1）實際工藝中非理想化的元件特性；（2）工藝所允許的元件值是有限制的。

因此要在傳統的集總元件綜合方法的基礎上，選擇合適的拓撲結構，并不斷進行仿真優化。

本文通過結合高通+低通并加入傳輸零點的設計，使得它具有更好的頻率選擇性，以及更陡峭的過渡帶。利用ADS 仿真軟件進行設計，經過多次摸索，得到了相對較好的設計方案，結果的如圖3 所示。

圖3 濾波器拓撲結構示意圖

其中，藍色框為高通部分在低頻波段有較好抑制性能，紅色在高頻有較好的抑制性能，二者級聯構成了高通+低通的混合結構，使傳輸信號在低頻和高頻都有較好的抑制性能。

3 工藝加工流程

本項目將采用基于砷化鎵（GaAs）的IPD 技術實現，選取的工藝基于國內某GaAs IPD 微電子工藝線，工藝分為前板加工和背板加工兩部分，前板工藝包含了電感、電容等IPD 基本元件的制作。后板工藝包括了基板過孔和背板鍍金等。圖4 給出了基本元件的加工工藝過程。

圖4 加工流程圖

本設計實現中采用圓形螺旋電感與MIM 電容工藝，圓形電感的電感值由螺旋繞線圈數、螺旋電感線寬、為螺旋電感中各圈之間的間距和電感內部半徑決定。MIM電容值由上下層金屬面積決定，圖5 給出了基本元件的截面結構組成。

圖5 IPD 加工工藝截面結構圖

4 版圖設計及仿真

完成拓撲結構設計后，需要將電路拓撲映射到版圖設計中。首先我們結合IPD 工藝模型參數，將拓撲結構中的元件值帶入版圖并完成布線。

在從拓撲結構映射到版圖設計過程中不可避免的會產生復雜的寄生效應。在拓撲結構的仿真中，電容電感都是獨立元件且其響應特性都是穩定且線性的。但是在版圖中：（1）元件間走線；（2）元件與地之間的寄生；（3）相鄰元件間耦合寄生，上都對元件值產生了較大的影響，破壞了在拓撲結構設計的傳輸匹配。

通過運用場路聯合的優化方法，首先對直接映射版圖進行場仿真，快速確定螺旋電感與電容各參數的初值，并引入優化端口，如圖6 所示。

圖6 優化端口

隨后將仿真模型載入原理圖進行電路迭代優化，優化后根據優化值修改版圖設計完成對寄生效應引起的反射損耗進行優化。數次迭代后優化后的版圖如圖7。

圖7 濾波器版圖設計

如圖8 為濾波器拓撲結構的電磁仿真結果，其在通帶（1.3-2.3GHz）的損耗小于3.3dB，低頻0.7GHz 阻帶抑制大于35dBc，高頻3.2GHz 的抑制大于35dBc。

圖8 濾波器版圖電磁仿真結果

5 結論

傳統的基于分布參數設計的無源器件由于尺寸和波長相關，往往占據了大量的板面積。將IPD 技術應用于雷達、通信前端可以有效減小器件面積，提高系統集成度。基于IPD 技術設計的無源器件往往大小僅為毫米量級，可以大大提高射頻系統的集成度。

本文采用 GaAs IPD 工藝研制了一款1.3-2.3GHz 帶通濾波器，相比傳統工藝研制的濾波器，其大大減小了體積，實現了器件的小型化，符合微波系統中器件小型化與SIP 高密度集成的發展趨勢。