带传输零点的硅基无源集成带通滤波器设计

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现代通信技术的飞速发展深刻地改变了人们的生活,同时也不断对通信系统提出更高的要求。滤波器作为通信系统中不可缺少的一部分,直接影响着系统的工作性能和集成度。随着微电子封装技术的不断发展,对于通信系统中的滤波器,要求其集成度高,性能优异,成本低廉。基于硅基无源集成器件(Integrated Passive Device-IPD)技术制作的滤波器,可以极大地减小滤波器尺寸。同时,硅基IPD滤波器可以与硅转接板进行SiP(System inPackage)系统级集成,实现更高的集成度。目前,硅基IPD滤波器的性能需要进一步提高,这主要受工艺条件以及设计方法的限制。  为了进一步提高硅基IPD滤波器的集成度和性能,本文研究了带传输零点的硅基无源集成带通滤波器的设计,传输零点的引入可以优化滤波器的带外抑制特性。基于电路理论,本文探讨了带传输零点的带通滤波器的原理图设计。基于硅基IPD工艺,本文研究了硅基电容电感结构的特性及带通滤波器版图的设计方法。整体而言,本文提出了一套完整可靠的硅基IPD带通滤波器设计方法,并设计出了集成度和性能都很出色的硅基IPD滤波器。  在原理图设计方面,本文采用了两种方式引入传输零点,分别为改变谐振结构引入传输零点和交叉耦合方式引入传输零点。针对这两种方式的电路设计,本文既从理论上分析了这两种方法引入传输零点的原理,又详细给出了原理图设计的流程及用到的相关电路变换,从而可以方便地设计出所需指标的滤波器。同时,本文对比了这两种传输零点引入方式的优缺点,发现交叉耦合引入传输零点的方式具有设计方便,电路简单和性能优异等优点。  基于硅基IPD工艺,本文研究了硅基电容电感结构的特性,并从其网络参数中得到了提取容值感值和Q值的公式。同时,通过具体的建模仿真分析了电容电感结构参数对其性能的影响。在版图设计方面,本文通过将两个电感部分交叠的方式形成互感结构,既满足电路要求,又提高了系统集成度。为了便于版图设计,本文提出了原理图版图互相反馈调节法。该方法的原理是将版图中的寄生参数在原理图中表示出来,通过调节原理图来模拟版图的响应。应用这个方法可以快速准确地进行版图调节,并得到想要的滤波器响应。  最后,本文对电容电感结构和滤波器结构的测试结果进行了分析。仿真和测试结果的一致性验证了本文的设计方法的可行性。最终设计的二阶交叉耦合引入传输零点的滤波器,其通带包含2.4~2.5GHz,尺寸为0.85*0.85*0.3mm3,通带内衰减为2dB,带外关键频率处的抑制大于25dB,接近商用水平。此外,本文还设计制作了PCB板表贴滤波器,并将其与硅基IPD滤波器进行了性能对比,从而总结出硅基IPD滤波器的优势与不足。总体而言,硅基IPD滤波器的优势在于高集成度及其在SiP系统级集成中的应用,而其性能与成本方面暂时还不具有优势。
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