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采用0.13µm SiGe工艺的紧凑型双模毫米波带阻滤波器

李绪深、吴永鹏、张海荣，南方海洋科学与工程广东实验室（湛江）

本工作提出并实现了一个紧凑的毫米波片上双模带阻滤波器（BSF）。所提出的BSF是通过一个宽边耦合电磁（EM）结构实现的。使用这种结构可以实现双模式操作，有助于提高衰减带宽和阻带衰减。作为实际验证，在0.13µm SiGe工艺中实现了一个72GHz的片上BSF并进行了测量。这个片上BSF电路的仿真和测量结果之间有很高的一致性。测量结果表明，从60到79GHz的衰减优于10dB，在优化的频率上达到40dB的衰减。从直流到50GHz和90到110GHz，通带插入损耗优于2.2dB。不包括焊盘，设计的BSF的尺寸只有0.027mm²。

在毫米波频率下工作的片上无源元件是许多无线系统中的关键组成，无论是从运动检测雷达还是高速无线数据传输都可以找到。特别是，在低成本的硅基技术（包括CMOS和SiGe）中实现的紧凑型无源元件^1-7是过去几年中引起最多关注的。这些无源元件，如滤波器、平衡器和耦合器，可以作为独立的模块使用，也可以与晶体管电路共同设计，进一步提高有源元件的性能。^8-13

对于滤波器的设计，主要关注的是带通滤波器（BPF）。尽管文献^1-7,14中提出了许多新颖的电磁结构用于BPF设计，但解决与BSF有关的设计问题的文献不多。此外，以前发表的大多数BSF文献^15-18都是针对窄带应用的。片上毫米波BSF设计的另一个问题是可以实现的带内衰减有限，希望衰减水平可以超过30dB。使用现有的方法很难实现这一点，因此在有效设计宽带片上BSF方面存在知识差距。本文提出了一种创新的电磁结构，利用双模式操作的优势来提高所设计的BSF的阻带带宽和衰减。

使用集总元件的简化电路模型

为了理解所提出的双模式BSF设计概念，本节将提出一个理论分析。图1中给出了一个使用理想集总元件的简化电路模型。该模型由两对电感组成，电感值为L₁，互感为M，多个电容的电容值为C₁、C₂和C₃。为了研究该器件的传输特性，可以采用偶数和奇数模式分析方法。偶数和奇数模式的等效电路分别显示在图2（a）和图2（b）。

对于偶数模式的电路，输入导纳可以表示为：

对于奇数模式的电路，输入导纳可以表示为：

为了在阻带的两个边缘创建传输极点（TP），应满足以下公式：

通过解方程（3）和（4），TP1和TP2的位置被定位在：

当谐振器固定时，TP的位置受到两个电感之间的互电容的影响，这也决定了阻带的带宽。图3显示了三种不同情况下计算的S参数。第一种情况是两个电感器之间没有互感的陷波滤波器。在这种情况下，只有一个零点是在中心频率实现的，没有任何TP在两个边缘（绿色）。第二和第三种情况代表了双模式BSF，在两个边缘有两个TP，而且阻带的带宽可以控制在一定范围内。

设计的BSF的实现

图1中所示的集总元件模型是使用0.13 µm SiGe工艺实现的。这种工艺提供了七个金属层，包括两个厚的铝层，在图4（a）中显示为TM1和TM2。这两个层被一个SiO₂层所隔离，该层的介电常数为4.1，厚度为3µm。两个铝层的厚度分别为3µm和2µm。在本设计中，这两个金属层被广泛用于构建BSF的核心。下层金属很薄，主要用作接地参考。图4(b)显示了设计的BSF的2D视图。该图显示了带阻滤波器设计的可调尺寸。为了证明设计的带宽和阻带衰减可以得到有效控制，使用Cadence公司的EMX（一种电磁仿真工具）进行了参数研究。虽然多个物理参数可以用来控制性能，但在本研究中只选择了两个参数，以合理限制分析的长度。

如图5(a)所示，两个TP可以通过保持L₁不变和改变W₁的值来控制。这个过程有助于确定设计中的优化带宽。在图5(b)中，将L₁的值从278µm减少到218µm，导致陷波频率从64GHz转移到80GHz。这些结果表明，除了带宽外，工作的频率带宽也可以完全控制。更重要的是，通过调整两个TP的位置，也可以优化阻带衰减水平。根据设计要求，高的阻带衰减和宽的阻带带宽之间的设计权衡，可以通过简单地调整这两个变量来控制。

测量

为了评估所提出的双模式BSF的性能，用0.13µm SiGe工艺制造了一个原型。芯片的显微照片显示在图6中。不包括测焊盘，芯片的尺寸只有0.11×0.248mm。S参数测量是通过使用高达110GHz的GSG探针进行测量的。使用了Keysight的N5290A矢量网络分析仪和FormFactor, Inc.的100µm间距的Infinity探针，该探针带有1mm连接器。晶片上的校准是通过使用传统的短负荷-开路（SLOT）方法，将参考平面从设备的连接器移动到射频探头的尖端。

图7(a)和图7(b)对原型的仿真和测量的功率传输和群延迟响应进行了比较。正如所观察到的，预测和实验结果之间有很高的一致性。在仿真和测量的功率反射水平之间观察到的微小差异归因于探针和GSG焊盘，由于增加了计算成本，在仿真过程中没有考虑这些因素。

表1将本项工作的结果与其他类似工作进行了比较。如表所示，本设计在保持小尺寸的同时，实现了最高的阻带衰减和最宽的阻带带宽。这些与其他最先进设计的比较表明了所设计的BSF的整体性能改进。

结论

使用0.13µm SiGe工艺设计了一个毫米波双模式BSF。提出了该设计的理论分析，并通过电磁仿真进行了验证。此外，制造的BSF显示了电磁仿真和测量结果之间的密切联系。测量结果表明，所提出的设计具有超过30dB的带内抑制和低带外插入损耗。

鸣谢

该工作得到南方海洋科学与工程广东实验室（湛江）的支持，合同号：ZJW-2019-04。该项目是广东省促进经济高质量发展（海洋经济发展）2022年重点项目：海洋可控震源系统关键技术与装备研究与开发（GDNRC[2022]29）。

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2.            A. S. A. El-Hameed et al., “Ultracompact 60-GHz CMOS BPF employing broadside-coupled open-loop resonators,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 27, No. 9, Sept. 2017, pp. 818–820.

3.            Z. Ge, L. Chen, R. Gómez-García and X. Zhu, “Millimeter-wave wide-band bandpass filter in CMOS technology using a two-layered highpass-type approach with embedded upper stopband,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 68 No. 5, May 2021, pp. 1586–1590.

4.            S. Chakraborty, Y. Yang, X. Zhu, O. Sevimli, Q. Xue, K. Esselle and M. Heimlich, “A broadside-coupled meander-line resonator in 0.13-µm SiGe technology for millimeter-wave application,” IEEE Electron Devices Letters, Vol. 37, No. 3, March 2016, pp. 329–331.

5.            Y. Yang, H. Zhu, X. Zhu and Q. Xue, “A low-loss bandpass filter using edge-coupled resonator with capacitive feeding in (Bi)-CMOS technology,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 39 No. 6, June 2018, pp. 787–790.

6.            G. Bautista, H. Zhu, X. Zhu, Y. Yang, Y. Sun and E. Dutkiewicz, “Compact millimeter-wave bandpass filters using quasi-lumped elements in 0.13-µm (Bi)-CMOS technology for 5G wireless systems,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 67, No. 7, July 2019, pp. 3064–3073.

7.            H. Zhu, Y. Yang, X. Zhu, Y. Sun and S. W. Wong, “Miniaturized resonator and bandpass filter for silicon-based monolithic microwave and millimeter-wave integrated circuits,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 65, No. 12, Dec. 2018, pp. 4062–4071.

8.            L. S. Chen, et al., “A W-band SPDT switch with 15-dBm P1dB in 55- nm bulk CMOS,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 32, No. 7, July. 2022, pp. 879–882.

9.            L. S. Chen et al., “A 90-GHz asymmetrical single-pole double-throw switch with <19.5-dBm 1-dB compression point in transmission mode using 55-nm bulk CMOS technology,” IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Vol. 68, No. 11, Nov. 2021, pp. 4616–4626.

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13.          S. Chakraborty et al., “An edge-coupled Marchand balun with partial ground for excellent balance in 0.13-µm SiGe technology,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 68, No. 1, Jan. 2021, pp. 226–230.

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15.          Z. Ge, L. Chen, L. Yang, R. Gómez -García and X. Zhu, “On-chip millimeter-wave integrated absorptive bandstop filter in (Bi)-CMOS technology,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 42, No. 1, Jan. 2021, pp. 114–117.

16.          S. K. Thapa, R. K. Pokharel, B. Chen and A. Barakat, “On-chip Millimeter-Wave DGS based Bandstop Filter in 0.18-µm CMOS Process,” IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, Vol. 69, No. 6, June 2022, pp. 2732–2736.

17.          V. Narayana Rao Vanukuru and V. Krishna Velidi, “Millimeter-wave CMOS 30/80 GHz sharp-rejection dual-band bandstop filters using TFMS open-stepped-impedance resonators,” IEEE Transactions on Circuits and Systems. II: Express Briefs, Vol. 68, No. 1, Jan. 2021, pp. 201–205.

18.          L. Chen, H. Zhu, R. Gómez -García and Xi Zhu, “Miniaturized on-chip notch filter with sharp selectivity and >35-dB attenuation in 0.13-µm bulk CMOS technology,” IEEE Electron Device Letters, Vol. 43, No. 8, 2022, pp.1175–1178.

图1 双模BSF的LC等效电路。

图2 偶数模式LC等效电路（a）和奇数模式LC等效电路（b）。

图3 陷波滤波器、窄带BSF和宽带BSF的综合S参数。

图4 BSF电磁结构的三维视图（a），BSF电磁结构的二维视图与物理尺寸（b）。注：W₁=26mm、W₂=4mm、W₃=10mm、W₄=10mm、L₁=248mm。

图5 扫过W₁的电磁仿真结果（a）。扫过L₁的电磁仿真结果（b）。

图6 所设计的双模式BSF的芯片显微照片。

图7 双模式BSF的S参数测量结果（a），双模BSF的实测群延迟结果（b）。

表1 片上陷波滤波器与其他报告结果的性能总结

注：# 带外（通带）损耗。

* 计算方法为：(f₃ dB处的衰减 - 峰值衰减) / (f_c - f₃ dB)。