一款小型化高阻带抑制的GaAs低通滤波器

张 斌

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

微波滤波器在无线通信系统中至关重要，起到选择频带和信道的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。在微波电路设计中，经常会用滤波器从各种电信号中提取出想要的频谱信号。滤波器作为重要的无源器件，其各项指标如插入损耗、带外抑制、带宽、尺寸等很大程度影响着微波系统的性能。随着微波系统体积日益缩小，对微波滤波器小型化、低成本、高性能的要求也越来越高。

21世纪以来，随着半导体技术的快速发展，单片微波集成电路(MMIC)[1]已经成为了世界各国研究人员竞相研究的热门方向。其中以化合物半导体GaAs为衬底的MMIC是当今小型化、高集成度、多功能和低成本设计的主要方向。本文以实际需求为出发点，基于成都海威华芯公司0.25 μm的GaAs ED工艺线，设计完成了一款DC～1.5 GHz的小型化高阻带抑制低通滤波器。

1 低通滤波器的设计

1.1 设计基本原理

滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。比较常见的低通滤波器有三种，分别是巴特沃兹 ( Butterworth)、切比雪夫 ( Chebyshev)、椭圆函数( Elliptic Function) 低通滤波器等。巴特沃兹低通滤波器是这三种滤波器中通频带内和阻带内幅频特性最平稳的，但过渡带较宽，且阻带抑制较差。对于切比雪夫低通滤波器，通带和阻带内的幅频特性呈现等波纹形式，其过渡带较巴特沃兹型衰减更快，阻带抑制较之更高。与巴特沃兹和切比雪夫相比，椭圆函数低通滤波器频率响应是最为优越的，这是因为椭圆函数低通滤波器在有限的频率上同时具有零点和极点，在通带和阻带内均为等波纹特性。在同样的阶数下，椭圆函数低通滤波器可以有更为紧凑的结构，并形成陡度最大的过渡带[2]，如图1所示。因此本文设计的低通滤波器采用椭圆函数拓扑结构。

1.2 滤波器设计

本文使用ADS软件设计一款DC～1.5 GHz的高性能MMIC低通滤波器。ADS全称Advanced Design System，是Keysight公司推出的大型EDA软件，可进行时域、频域仿真，模拟电路、数字电路仿真，线性、非线性仿真，数模混合仿真等。ADS以其强大的仿真功能和较高的准确性，已经成为微波行业最为流行的EDA软件[3]。

ADS软件中集成了滤波器辅助设计工具——Filter DesignGuide(滤波器设计向导)。Filter Design-Guide可以很方便地设计出目标滤波器的初始LC参数值。如图2所示设置，选择椭圆函数拓扑结构，设置通带频率Fp为1.5 GHz，阻带截止频率Fs为2.6 GHz,波纹系数Ap为0.3 dB,带外损耗As为70 dB。

图2 滤波器设计向导

点击滤波器设计向导中Design按键，软件自动生成一个理想的7阶集总参数低通滤波器，如图3所示。由于ADS自动生成的原理图中电容电感过于理想，没有考虑到实际器件感值容值的可实现性，所以这里的电感值和电容值只是本次设计的一个初始值。

考虑到端口阻抗和级间匹配，以及可实现性等因素，在初始原理图的基础上优化，综合得出合理的电路原理图，如图4所示。图5为该优化后原理图的仿真结果。 这样，一个集总参数低通滤波器的原理图设计过程就完成了。

图3 初始原理图

图4 优化后的原理图

图5 原理图仿真结果

原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的，而实际芯片的制作往往和理论有较大的差距，这就需要考虑干扰、耦合等因素的影响。实际电路的性能可能会与原理图仿真结果有一定差异，因此需要在ADS中进行版图仿真。ADS版图采用矩量法(Momentum)进行电磁仿真，其仿真结果比在原理图中仿真更为准确。ADS Momentum是一种对3D进行简化的2.5D电磁场仿真器，非常适合第3维度上均匀变化的结构仿真，是设计芯片最实用的仿真工具。本次芯片设计采用的是成都海威华芯公司0.25 μm的GaAs ED衬底模型PDK。设计版图如图6所示，版图结构与图4一一对应。对图6中滤波器版图进行Momentum仿真，结果如图7所示。在通带DC～1.5 GHz内，插入损耗≤1.4 dB，回波损耗≥18 dB, 其在2.6 GHz处的带外抑制达到了20 dB，在2.85 GHz处的带外抑制达到了40 dB，整个阻带一直到20 GHz都有大于40 dB的抑制，版图仿真结果满足指标要求。

图6 滤波器版图

图7 版图Momentum仿真结果

2 滤波器的制作与测试结果

2.1 滤波器的制作

芯片加工是基于成都海威华芯公司0.25 μm的GaAs ED工艺线加工完成。该工艺线采用了外延和离子注入技术，表面采用了SiN保护，使芯片具有良好的稳定性。芯片中包含有MIM电容、螺旋电感、微带线等无源器件。芯片实物如图8所示，芯片尺寸为1.5 mm×0.65 mm×0.1 mm，仅为国内市场常见的同频段移相器面积的约75%(同频段，中电13所的BWLF-1R5G[4], 尺寸1.6 mm×0.8 mm×0.1 mm;NC6603C-015[5]，尺寸2.4 mm×1 mm×0.1 mm)，能够更进一步地提高组件与电路的集成度和降低产品成本。

图8 芯片实物

2.2 滤波器测试结果分析

微波测试系统由PNA-XN5244A矢量网络分析仪和Cascade Microtech探针台组成[6]，芯片测试结果如图9所示。可以看出，在通带DC～1.5 GHz内，插入损耗≤1.4 dB，回波损耗≥15 dB, 其在2.6 GHz处的带外抑制达到了20 dB ，在2.85 GHz处的带外抑制达到了40 dB，整个阻带一直到20 GHz都有大于40 dB的抑制。通过与版图仿真结果相对比，可以看出实测与仿真具有良好的一致性，误差在可接受范围以内，具有较高的使用价值。

图9 实测结果

表1所示的是本文设计的芯片与同频段中电13所的BWLF-1R5G芯片电特性对比。由表中可以看到，本文设计的滤波器在尺寸和阻带抑制方面要优于BWLF-1R5G芯片。

表1 电特性对比

项目本设计BWLF-1R5G截止频率1.5 GHz1.5 GHz插入损耗≤1.4 dB≤1.4 dB回波损耗≥15 dB≥15 dB阻带抑制≥ 20dB@2.6 GHz;≥ 40dB@2.85 GHz～20 GHz≥ 20dB@2.6 GHz;≥ 40dB@2.95 GHz～16 GHz尺寸1.5 mm×0.65 mm×0.1 mm1.6 mm×0.8 mm×0.1 mm

3 结束语

通过对低通滤波器的理论分析，基于0.25 μm的GaAs ED工艺，使用ADS软件成功设计了一款DC～1.5 GHz的小型化高阻带抑制低通滤波器，并成功流片。该设计芯片尺寸和阻带抑制，都要优于国内常见的同频段滤波器，具有较高的实用价值。其更小的芯片尺寸对射频电路的小型化、集成化和低成本设计，有较好的支撑能力。