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MMIC滤波器的时代已经到来

Doug Jorgesen和Christopher Marki，Marki Microwave

在过去的10到15年里，射频消费市场已经迅速发展，提供了更高的数据速率和连接性，同时也支持不断增加的用户和连接设备。类似的市场演变正在航空航天和国防、测试和测量以及"新太空"市场中发生，在这些市场中，越来越多的高频技术正在被应用，用户数量大大增加。下一代系统将越来越多地支持多信道、多频段和多发射器结构，以提高性能，并提供实现多任务的能力，但代价是总信道数和总带宽的大量增加。这些信道得到了高速数据转换器的支持，使传统的超外差和直接转换接收机都能获得高瞬时带宽。图1说明了增加模数转换器（ADC）带宽的效果，它显示了随着更多的信号处理以数字方式进行，滤波器的要求也在变化。不断提高的ADC采样率使窄带滤波器能够以数字方式实现，但不断增加的信道数使滤波器的尺寸更加关键。这些趋势给特定解决方案的物理封装带来了令人难以置信的压力，人们期望在相同或有时更小的尺寸内支持更多信道和处理能力。

为了支持更高的信道密度，器件解决方案通常遵循一种更小尺寸和更高频率的演变。此外，许多系统块和子块已经通过开发单芯片集成解决方案（通常是硅集成电路），通过在单个封装内的多个芯片的新型封装（称为多芯片模块）或通过在同一封装内的硅和非硅集成电路的某种组合（通常称为"异质集成"）而被结合起来。毫无疑问，这些趋势将在可预见的未来继续下去，创新将是必要的，以进一步缩小高频硬件的尺寸。

滤波器通常用于提供信道或频带选择，并清理模拟信号链中存在的杂散和不需要的信号或噪声。当涉及到小型化和更高的信道密度时，滤波器是有问题的，因为它们占用了系统整体占地面积的大部分。考虑到它们的普遍性，我们很好奇为什么滤波器仍然是系统中进化程度最低的一块。它们通常缺乏可调谐性或可重配置性，它们很少被集成到更大的功能块或封装中，它们占用了大量的面积和体积，它们很容易受到工艺变化的影响，造成批次间的差异，而且它们通常是"公司内部"设计的，占用了宝贵的射频设计资源。

对空间和尺寸的要求迫使人们重新评估未来滤波器解决方案的性能权衡。新的趋势是优先考虑降低SWaP、可扩展性和快速定制滤波器的开发，而不是传统的低损耗（即高Q因子）、高带外抑制和高功率。随着转换器带宽的增加和更多的信号处理是以数字方式进行的，在模拟领域需要更少的信号处理。更少的处理意味着更少的转换器，因此，带来间隔更远的更少的毛刺。一些滤波器的指标，如信道选择滤波器的插入损耗将始终是重要的，但尺寸、可扩展性和开发时间正成为系统架构师更主要的关注点。

高性能系统的一个关键挑战是，滤波器通常是根据系统频率规划或一些独特的共存要求而定制的。这为小批量建立商业案例时带来了挑战，因为成本不能被多个客户平摊。此外，滤波器往往是立即需要的，因为它们被添加或改变以解决开发过程中出现的特定问题。这使得快速的、价格合理的、首次设计就成功的方法对解决特定的定制滤波器要求至关重要。

考虑到上述情况，我们认为，未来有竞争力的滤波技术必须满足以下关键指标：

l 尺寸极小，至少比现有解决方案小2倍，而且越小越好

l 开发周期短，成本不高，首次就成功的设计流程

l 可扩展的、高度可重复的制造方法

l 在插入损耗、滤波顺序、阻隔裙边等方面可接受的性能权衡，以使尺寸缩小，满足系统需要

l 工作频率从低GHz到>100GHz，支持所有的高频需求，最好是采用表面贴装封装。

滤波器技术的比较

没有一种滤波技术能适合所有应用，也没有一种性能指标就可以定义一种滤波技术（图2）。对滤波器技术进行一般性比较是很复杂的，因为滤波器的设计可能是在许多参数之间进行权衡。虽然Q值对一个给定的设计很重要，但没有一个单一的品质指数(figure of merit)能预测一种滤波器技术能多好地符合规范。

在基本层面上，谐振器的Q值和滤波器的阶数是决定中心频率插入损耗和阻隔斜率的最重要因素。然而，一个典型的滤波器规格是由整个通带的插入损耗而不是中心频率的插入损耗来定义的，以及对特定频率的阻隔而不是阻隔斜率来定义。要满足真正的滤波器规格，需要在设计中仔细注意通带边缘的插入损耗和接近通带的阻隔。因此，比较不同的滤波器技术不仅需要比较可用的Q值和可实现的滤波器阶数，还需要比较实现不同技术的灵活性，包括与仿真的一致性。

目前常用的滤波器技术包括声波滤波器、空腔滤波器、块状器件滤波器和平面滤波器。在传统的空间受限的"低频"环境中，如手机、Wi-Fi和许多其他消费产品，面声波和体声波滤波器被广泛使用。它们提供了极好的阻隔性、低损耗和小尺寸，但它们受限于约1W的功率处理能力和约8GHz以下的频率。对于具有更多可用电路板空间的低批量应用，块状器件滤波器可以提供低成本和6GHz以下的良好性能，但在微波频率下的性能较差。

在频谱的另一端，空腔滤波器在微波频率下提供了极低损耗的高阻隔性和高功率处理能力，但其物理尺寸大，需要手工调谐，而且都很昂贵。这类滤波器被广泛用于高功率通信系统，如蜂窝宏基站。在这些极端尺寸和成本之间，是Marki和我们的客户最常使用的一类滤波器：平面电路滤波器。用MMIC技术实现的平面电路滤波器在电气性能、尺寸、开发时间、开发成本和宽带微波系统的单位成本之间提供了很好的平衡（五种滤波器技术的比较见表1）。Marki不受任何制造技术的束缚，因为我们有能力在层压板、薄膜——陶瓷、玻璃、蓝宝石和其他奇特材料——或GaAs上进行设计，也就是我们所说的"MMIC滤波器"。虽然传统上没有考虑到滤波器的制造，但MMIC提供了性能、成本和一致性的最佳组合。

平面滤波器由一个上面印有金属的电介质衬底组成。金属的图案用来对谐振器进行电磁耦合以产生所需的响应。平面滤波器的设计艺术包括仔细选择滤波器的拓扑结构、谐振器、电路布局、优化和调谐。滤波器设计者可以使用大量的技术，迅速缩小选择范围，在尺寸和性能之间做出妥协是至关重要的。虽然只需要几分钟就能确定一个规格的最佳滤波器拓扑结构，但往往需要几天的建模和仿真才能得出最终的解决方案。

典型的分布式平面滤波器的设计对于各种制造方法（即层压板、包括陶瓷在内的薄膜、玻璃、更多的奇特材料和MMIC）来说是相似的，并且基本上需要相同的软件工具。平面滤波器制造方法之间的关键差异包括：

l 一些制造工艺支持块状和半块状的电感和电容。这些器件的可用性影响了可以实现的各种滤波器拓扑结构，并强烈影响了可实现的尺寸。

l 电介质和金属材料的特性和厚度在不同的工艺中是不同的。它们对于确定滤波器的最小尺寸至关重要，也决定了每个谐振器的可用Q值和总体尺寸。

l 制造工艺的容差可以有很大的不同。容差越小，单元与单元、批次与批次之间的滤波器重复性就越好。更严格的容差使匹配仿真和测量的卓越设计流程成为可能——这对第一轮设计的成功至关重要。

MMIC滤波器与层压板

常见的做法是在容纳射频系统中所有其他器件的电路板上原地打印滤波器。这种自己动手的方法似乎很实用，成本也很低，但它给系统带来了隐性成本和风险。这些风险包括：

可重复性风险 - 虽然层压板滤波器的设计很简单，但现实中层压板的制造，特别是多层射频板，会在蚀刻和层压厚度上出现常规的变化。层压板的典型蚀刻容差是25微米，这意味着尺寸变化会使滤波器失调。在一些设计中，谐振器频率或耦合系数的2%至3%的误差可能是非常有问题的，而在某些情况下，控制不好的层压板工艺很容易产生超过10%的尺寸误差。典型的MMIC技术是两个数量级的精确度，其线和空间的精确度以零点几微米计算。

原位性能风险 - 众所周知，层叠式滤波器的性能是不同的，但与MMIC滤波器不同的是，它不能在组装前进行测试。一个系统必须完全组装好，发现不符合规格，才能确定原位滤波器的性能不足。这给生产设计带来了巨大的成本和风险，因为一块完整的电路板可能和100个分立的滤波器一样昂贵。

尺寸风险 - 由于砷化镓的介电常数比最常见的层压板高4倍，以及MMIC制造的精细容差，MMIC滤波器可以比同等的层压板滤波器小很多。任何系统的修改都更容易被小尺寸吸收。

设计流程风险 - MMIC滤波器使用的是经过严格审查的设计流程，首次就成功是标准的期望。成功设计的时间是可以理解的，并且可以有信心地计划。在公司内部进行的层压板设计可能会也可能不会满足时间表。

MMIC与薄膜

从表面上看，MMIC滤波器和薄膜滤波器似乎很相似：两者都可以用标准的取放机和回流炉进行表面贴装。两者都能提供测试和保证性能的能力。两者都比层压式滤波器小。MMIC滤波器相对于薄膜滤波器的优点是微妙的，涉及到制造工艺：

尺寸 - 虽然两者都很小，但由于砷化镓的高介电常数、MMIC光刻技术实现的小线条和小空间以及极小的块状电感和电容的可用性，MMIC滤波器可以比同等的薄膜滤波器小10倍。

基板 - 砷化镓的Dk为12.9，而氧化铝（最常见的薄膜材料）的Dk为9.8。砷化镓还具有卓越的介电损耗正切。

重复性 - 用于制造MMIC的砷化镓衬底材料是一种非常严格控制的单晶，可以大批量生产。各个晶圆的介电常数和厚度几乎是相同的。MMIC的加工容差非常小——以几分之一微米为单位——这要归功于半导体制造业几十年的积累。而薄膜电路制造是一项精品技术，只有少数公司了解，与集成电路相比，其制造过程没有得到很好的控制。为了说明MMIC滤波器的可重复性，图3显示了超过8000个滤波器的生产批次中的一个滤波器样品的插入损耗变化。

可扩展性 - 与可重复性密切相关的是可扩展性。砷化镓的晶圆可以比薄膜大——砷化镓MMIC的晶圆通常是6英寸，而薄膜是2英寸，而且它们可以在工厂里以较大的批量生产。由于这些原因，MMIC滤波器可以很容易地迅速扩展到数百万个单位。相比之下，薄膜行业近年来进行了整合，部分原因是持续的产能限制。薄膜供应商经常为满足批量需求而挣扎。

成本 - 对于单一设计，MMIC的成本较高。但对于多个设计——通常是四个或更多——MMIC设计的成本与薄膜相当，甚至可以更低。MMIC制造非常适合于多项目晶圆，这意味着许多设计可以在同一个掩模上运行，一旦设计进入生产阶段，其可重复性和可扩展性就会转化为巨大的成本优势。根据经验，一旦产量超过数百件，MMIC滤波器就可以节省成本。

高频性能 - MMIC光刻技术的细线和间隙以及相对较薄的子板支持MMIC滤波器轻松覆盖100GHz以上的频率。在20GHz以上，薄膜滤波器的性能和一致性都很差。

集成 - 一个MMIC滤波器可以直接与另一个MMIC器件（如放大器或开关）集成。它可以很容易地被共同封装成标准的表面贴装封装或多芯片模块。

MMIC滤波器的前景

图4显示了Marki最近开发的四个MMIC滤波器的性能，显示了仿真和测量之间的一致性。仿真是原始设计文件，没有进行调整以匹配实验结果。这四个滤波器的范围从四到八阶，采用不同的拓扑结构。由于MMIC工艺的新功能，其中一些滤波器使用了块状元件，以实现无法作为薄膜或层压电路制造的拓扑结构。

块状和准块状拓扑结构有几个好处，包括滤波器的小型化和再入模式的缓解。例如，MFB-7950的响应显示再入模式远远超过3fo，这是负载谐振器技术的一个性能优势。该工艺所具有的精细几何特征能够实现精确的调整和优化，如通过谐振器的交叉耦合实现传输零点。

图4中的这些结果显示了仿真和测量之间近乎完美的匹配。通过几年来对设计流程和优化程序的开发，Marki已经表明，有可能快速而准确地得出一个能被工厂复制的设计。首次设计就成功意味着开发周期尽可能地短。新的设计可以在几天内完成，然后是平均10至14周的制造和封装准备时间。这使MMIC的开发周期与传统制造一致。

从历史上看，半导体技术被认为对小批量生产的高度定制化的滤波器来说是不可行的。人们普遍认为，MMIC开发的前期成本否定了生产中较低的单位成本。我们发现，一个精心设计的MMIC设计流程可以获得首次成功，只要在多个设计中分担前期成本，该方法对定制滤波器来说是具有成本效益的。更小尺寸、更高批量、更高频率的滤波器的趋势为定制MMIC滤波器解决方案提供了进一步的动力。与现有的技术相比，MMIC滤波器技术提供了一个风险较低的途径来实现第一轮设计的成功。Marki已经展示了具有竞争力的滤波器性能，其尺寸仅为竞争技术的一小部分，而且性能和尺寸还在不断改进。在先进的设计和工艺改进的支持下，一流的、快速设计的、小尺寸的MMIC滤波器的梦想已经成为现实。

图1 传统的超外差接收器(a)，在第一中频级之后进行数字降频的超外差接收器(b)和直接转换接收器(c)。

图2 微波滤波器的性能指标。

图3 24个典型的MMIC滤波器样品，来自>8000个批次，显示了制造的可重复性。

图4 四个滤波器结构的仿真和测量结果的比较，每个3.1x3.1 mm或更小，适合5x5 QFN封装。

表1 常见滤波器技术的比较（1=最差，5=最好）。