一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带IPD巴伦芯片的制作方法

本发明属于微波传输领域及集成电路领域，涉及一种无源射频芯片，具体是一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片。

背景技术：

随着5g移动通信系统的发展，整个移动通信行业都开始探索全新的频段。目前全球多个国家已经开始将sub6ghz的频谱资源用于5g通信，为此，科研人员需要将射频器件设计到3.5ghz、4.9ghz附近。除此之外，为了满足5g通信高速率和大容量的需求，通信设备必须具备宽带工作的特性。

为了提高终端的续航能力，智能终端中越来越大的面积将被电池占据，在移动终端的更新过程中，器件小型化成为了一个长期存在的演进趋势。设备制造商通过将射频器件封装在芯片内的方式来压缩器件的体积，经过长期的技术发展和积累，集成化技术已经日趋成熟，包括低温共烧陶瓷(ltcc)、cmos技术以及集成无源器件(ipd)在内的多种技术手段都被广泛用于制造射频芯片。

薄膜ipd技术(tfipd)采用薄膜加工工艺，将采用到包括光刻、薄膜沉积和刻蚀工艺在内的多种先进半导体加工技术，其具有纳米级工艺精度、微细结构电磁特征调控以及高密度低干扰电路布局等明显优势，是微小射频器件与芯片发展的重要方向，相比于其他技术，tfipd在性能指标提升、小型化和兼容性方面都有较大的优势。特别是以gaas为衬底的tfipd技术，能实现更高品质因数的电容电感，为提高器件整体性能提升打下了基础。

除此之外，设计者尝试将多个器件的功能集成于一个器件，以减少器件的数量，提出了功能融合射频器件这一概念。目前，研究者基于微带线或耦合线设计了许多具有滤波功能的巴伦，但是由于微带线和耦合线在sub6ghz频段内尺寸较大，所以不利于将其运用在移动终端的射频电路中。运用tfipd技术设计小型化的巴伦芯片能被广泛应用在移动终端当中，因此利用tfipd技术设计巴伦具有重要意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出了一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，将电容电感构成的阻抗变换器引入传统marchand巴伦结构中，使整个电路具有良好的阻抗匹配，以获得低插入损耗。marchand巴伦中的耦合线结构由耦合电感等效。

所述的宽带ipd巴伦芯片以gaas材料作为衬底，在衬底上生长mim电容和螺旋电感；mim电容通过在平行的两层金属之间设置一个不导电的隔离层构成，电感通过绕制多圈传输线产生电磁效应获得较强磁场而构成。

所述的宽带ipd巴伦芯片整体包括一个输入端口和两个输出端口。两个输出端口分别为第一输出端口和第二输出端口。

输入端口连接第一传输线一端，第一传输线另一端通过空气桥连接第一螺旋电感；同时在第一传输线一侧并联有第一mim电容，第一mim电容另一端与外围的接地金属相连。

第一螺旋电感另一端与第二螺旋电感通过空气桥结构相连，第二螺旋电感的另一端与第一耦合电感和第二mim电容相连，第二mim电容一端与第一耦合电感相连，另一端与外围的接地金属相连。

第一螺旋电感、第二螺旋电感、第一mim电容和第二mim电容共同构成了低通滤波器结构。

第一耦合电感通过交替螺旋绕制两条平行传输线，形成了两个相互交叉耦合的电感，共有四个端口与外部器件连接。以第一耦合电感最上方的端口作为端口4-1，顺时针旋转依次为端口4-2、端口4-3和端口4-4；端口4-1和4-2为初级电感的两端，端口4-3和4-4为次级电感两端。

在端口4-1和4-2两端加上高频电压信号后，初级电感中产生交流电流，由于电磁效应的存在使得两个电感内部能够感应出磁场，利用该磁场将初级电感的能量耦合到次级电感，从而实现能量传递。

第一耦合电感的端口4-1分别与第二螺旋电感和第二mim电容相连，端口4-2与第二耦合电感相连，端口4-3与外围的接地金属相连，端口4-4与第一输出端口相连。

第二耦合电感通过交替螺旋绕制两条平行传输线，形成了两个相互交叉耦合的电感，共有四个端口与外部器件连接。以第一耦合电感最上方的端口作为端口5-1，顺时针旋转依次为端口5-2、端口5-3和端口5-4；端口5-1和5-4为初级电感的两端，端口5-2和5-3为次级电感两端。

在端口5-1和5-4两端加上高频电压信号后，初级电感中产生交流电流，由于电磁效应的存在使得两个电感内部能够感应出磁场，利用该磁场将初级电感的能量耦合到次级电感，从而实现能量传递。

第二耦合电感的端口5-4与第一耦合电感的端口4-2相连，端口5-1与第三mim电容相连，端口5-3与外围的接地金属相连，端口5-2通过第三传输线与第二输出端口相连。

第三mim电容的另一端通过第二传输线与外围接地金属相连。

第一输入端口和两个输出端口与各自上下两侧的接地金属等间距设置，与接地金属构成“接地-信号-接地”的结构，用于与探针相连完成在片测试。

进一步两个耦合电感尺寸相同。螺旋电感均由三层金属传输线以螺旋形绕制，感值大小由其绕制的圈数、半径和线宽决定。

进一步第一耦合电感的端口4-2和4-4为同名端。第二耦合电感的端口5-2与5-4为同名端。

进一步构造空气桥的方式为：保留顶层和底层金属，去掉中间层金属，以获得顶层和底层之间的电隔离，使顶层和底层金属在交叉布线时不会相互导通；

进一步第一mim电容，第二mim电容和第三mim电容，由顶层和底层金属以及两者之间用于隔离的氮化硅隔离层构成，电容容值的大小由其面积决定。

进一步传输线由三层金属构成。

本发明的优点在于：

1)、一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，使用了tfipd技术，能够实现器件的小型化和集成化，具有尺寸更小、插入损耗更低等特点。

2)、一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，在传统marchand巴伦的基础上引入了一个低通滤波器，共同构成具有带通特性的电路，频率选择性更好。当被应用在射频电路中时，能很好地抑制带外干扰，保证在复杂的通信环境下，通信质量不会恶化，从而扩展了其应用场景。

3)、一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，在传统marchand巴伦的基础上，引入了一个接地电容，通过选择适当大小的电容，能使marchand巴伦的输入阻抗在工作频段内的变化较小，使其具有弱的频率依耐性，从而扩展其带宽。本发明的工作频段分布在2.45ghz-5.05ghz，能够实现对5g主要工作频段的全覆盖，能在5g通信系统中得到广泛应用。

4)、一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，相比两个耦合传输线构成的传统marchand巴伦，使用了紧耦合的电感来代替marchand巴伦中的耦合传输线，耦合电感的绕制方式使得其占据的面积大幅度减小。保证本发明的电路结构能被封装在微小体积的芯片内部，使其能被应用在移动终端的射频模组当中。

附图说明

图1为本发明一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片的平面结构示意图；

图2为本发明一种融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片的原理图；

图3为本发明实施例中巴伦的输入回波损耗和插入损耗仿真结果示意图；

图4为本发明实施例中巴伦的输出端口幅度不平衡仿真结果示意图。

图5为本发明实施例中巴伦的输出端口相位不平衡仿真结果示意图。

图中：1-输入端口，2-第一输出端口，3-第二输出端口，4-第一耦合电感，5-第二耦合电感，6-第一螺旋电感，7-第二螺旋电感，8-第一mim电容，9-第二mim电容，10-第三mim电容，11-第一传输线，12-第二传输线，13-第三传输线，14-接地金属。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

传统的marchand巴伦具有宽带的高通特性，频率选择性差，为了提高其频率选择性，使其在特定频率工作能更好地屏蔽和抑制带外干扰，本发明使用一个低通滤波器来进行阻抗变换，使输入端口阻抗和marchand巴伦的输入阻抗匹配。该低通滤波器与高通特性的marchand巴伦共同构成带通滤波结构，从而获得高频率选择性。

为了让本发明能够覆盖5g通信系统在sub6ghz的主要工作频段，本发明在传统marchand巴伦的耦合线一端引入了一个电容，通过引入这个电容使得marchand巴伦的输入端阻抗变化较小，更利于完成宽带阻抗匹配。与此同时，为了缩小器件占用面积。本发明在marchand巴伦的基础上进行改进，使用耦合电感替代marchand巴伦中的耦合线结构。

所述的融合阻抗匹配和带通滤波功能的宽带ipd巴伦芯片，使用薄膜集成无源器件技术，该技术以gaas材料作为衬底，在衬底上生长多层金属，通过改变金属生长形状的方式来构造电容电感。以生长在gaas衬底材料上用于实现不平衡到平衡转换的巴伦为主体，gaas衬底主要作为电磁信号的传输介质且用于支撑在其上生长的多层金属，厚度为200um，介电常数为12.85，衬底背面设有金属层。需要说明的是该金属层用于模拟探针台测试时金属托盘的辅助接地。在实际应用中芯片常不会有衬底背面的金属层，金属层存在与否会对测试性能有所影响，但并不影响到本发明的理论和工艺创新。

本发明利用集总参数的设计方法来实现，方法成熟，设计思路简单；具有结构简单、尺寸超小、带宽宽，带通特性明显、插入损耗小，相位不平衡和幅度不平衡特性良好的特点。

所述的宽带ipd巴伦芯片，如图1所示，整体包括一个输入端口1，第一输出端口2和第二输出端口3。

输入端口1连接第一传输线11一端，第一传输线11另一端连接第一螺旋电感6的空气桥。同时，在第一传输线11一侧并联有第一mim电容8，第一mim电容8另一端与外围的接地金属14相连。

构造空气桥的方式为：保留顶层和底层金属，去掉中间层金属，以获得顶层和底层之间的电隔离，使顶层和底层金属在交叉布线时不会相互导通。电感通过这种方式将其内部的端口延伸到外部，使其能更加容易地与外电路连接。电感感值的大小由其绕制的圈数、半径、线宽决定。

第一螺旋电感6另一端通过空气桥连接第二螺旋电感7一端；第二螺旋电感7的另一端与第一耦合电感4和第二mim电容9相连，第二mim电容9一端与第一耦合电感4相连，另一端与外围的接地金属14相连。

第一螺旋电感6、第二螺旋电感7、第一mim电容8和第二mim电容9共同构成了低通滤波器结构。

两个螺旋电感均由三层金属传输线以螺旋形绕制而成，产生电磁效应获得较强磁场；该传输线有两端与其他器件相连，其中一端以空气桥的形式存在。

第一mim电容8和第二mim电容9，均由顶层和底层金属以及两者之间用于隔离的氮化硅隔离层构成，电容容值的大小由其面积决定。

第一耦合电感4通过交替螺旋绕制两条平行传输线的方式构造两个相互交叉耦合的电感，共有四个端口与外部器件连接。

以第一耦合电感4最上方的端口作为端口4-1，顺时针旋转依次为端口4-2、端口4-3、端口4-4。端口4-1和端口4-2为初级电感的两端，端口4-3、端口4-4为次级电感两端。在端口4-1和4-2两端加上高频电压信号后，初级电感中产生交流电流，由于电磁效应的存在使得两个电感内部能够感应出磁场，利用该磁场将初级电感的能量耦合到次级电感，从而实现能量传递。

其中端口4-2和4-4为同名端。

第一耦合电感4的初级电感一端4-1与第二螺旋电感7和第二mim电容9相连，初级电感的另一端4-2与第二耦合电感5相连。第一耦合电感4的次级电感端口4-3与外围的接地金属14相连，次级电感的另一端4-4与第一输出端口2相连。

第二耦合电感5结构和尺寸与第一耦合电感4相同，最上方的端口作为端口5-1，顺时针旋转依次为端口5-2、端口5-3、端口5-4。端口5-1和5-4为初级电感的两端，端口5-2、5-3为次级电感两端。

在端口5-1和5-4两端加上高频电压信号后，初级电感中产生交流电流，由于电磁效应的存在使得两个电感内部能够感应出磁场，利用该磁场将初级电感的能量耦合到次级电感，从而实现能量传递。

其中端口5-2与5-4为同名端。

第二耦合电感5的初级电感端口5-4与第一耦合电感4的端口4-2相连。第二耦合电感5初级电感的另一端5-1与第三mim电容10相连。第二耦合电感5的次级电感端口5-3与外围的接地金属14相连，次级电感的另一端口5-2通过第三传输线13与第二输出端口3相连。

由于耦合电感寄生参数的存在，使得两个输出端口的相位差会有轻微的变化，因此引入一段第三传输线13用于补偿相差的变化。

第三mim电容10一端与第二耦合电感5相连，另一端与第二传输线12相连，第二传输线12再与外围接地金属14相连。

输入端口1和第一输出端口2、第二输入端口3与其上下两侧的接地金属间距均为100um。它们与接地金属构成“接地-信号-接地”的结构，该结构用于与探针相连，利用探针台能完成在片测试，提高测试的准确性。同时，为了适应更多样的测试方式，输入输出端口以及接地金属均可以使用金属跳线和外电路相连来完成测试。金属跳线常等效成电感，控制跳线的长度可以实现不同大小的电感等效。

电路原理图如图2所示，从输入端port1到输出端port2、port3依次为lc低通滤波器和串联的两个耦合电感以及与耦合电感相连的接地电容。

两个耦合电感的初级电感串联连接，以耦合电感的左侧作为输入，右侧作为输出，由于port2和耦合电感1的端口2为同名端，port3和耦合电感2的端口1为同名端，且耦合电感1的端口2和耦合电感2的端口1直接相连，其中一个有电流流出时另一个总是电流流入，所以输出端口port2和port3总会存在180°的相位差。

两耦合电感的初级电感和次级电感的感值大小相同时，若使耦合电感1的端口2开路(传统marchand巴伦的构造方式)，则在平面2处，耦合电感1有变化很大的输入阻抗。若使耦合电感2的端口2接一个接地的电容时，耦合电感1的输入阻抗随频率的变化较小，失去频率依耐性，有利于进行宽带匹配。在传统marchand巴伦的基础上进行此项改进，使本发明获得宽带特性的关键。

耦合电感1的输入端之前接低通滤波器结构，该低通滤波器由一个串联电感两个并联电容构成。电感具有通直流隔绝交流的特性，对于高频信号表现出高阻抗，使得低频信号能顺利通过而高频信号很难通过；而电容具有通交流隔绝直流的特性，对于高频信号表现为低阻抗，使低频信号能通过接地的电容流向地，从而让低频信号无法继续向后级传输。通过适当选择电感和电容的大小可以对通带范围进行调节。

由于耦合电感需要依靠磁耦合将信号传递到输出端，所以本身具有高频特性，与前级的低通滤波器共同构成带通结构，保证信号有选择性地传输。

输入端口1和两个输出端口2、3均为长和宽100um的正方形焊盘。

用于绕制螺旋电感及耦合电感的传输线线宽均为15um。

第一螺旋电感6的内径为100um，线间距15um，绕制1.5圈；

第二螺旋电感7的内径是145um，线间距为15um，绕制2.5圈；

第一耦合电感4由两个内径均为200um，线间距均为45um的耦合电感交替绕制2.75圈，交叉耦合而成，第二耦合电感5与第一耦合电感4完全相同。

第一mim电容8的长和宽均为42um，第二mim电容9的长和宽均为42um，第三mim电容10的长和宽分别为45um和40um，第一传输线11、第2传输线12和第三传输线13的线宽均为15um，其长度分别为130um、144um和135um。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

本实施例的回波损耗和插入损耗参数如图3所示，其回波损耗小于-10db的频率范围为2.45ghz到5.05ghz，相对带宽达到69.33％，本实施例将-10db带宽作为本实施例的通带。在其通带内回波损耗优良，而在更低或更高的频率处则有很好的带外抑制，充分说明了本实施例具有很好的带通特性，通带内的信号几乎可以无损通过巴伦到达输出端，且能够说明本发明在marchand巴伦基础上增加一个lc低通滤波器后能将传统的高通marchand巴伦改造成为一个具有带通特性的结构。

如图3所示，在2.45ghz到5.05ghz范围内s21和s31幅值均大于-5db，在中心频率3.75ghz处的s21和s31的幅值大小分别为-3.756db和-3.635db，插入损耗不大于1db的频率范围包括2.64ghz到4.82ghz，表明其在通带内的插入损耗很小，充分说明在使用gaas为衬底的ipd技术构造无源器件时能获得很小的插入损耗，相比于传统的smd巴伦、传输线巴伦，其性能更为优越，且能够说明本发明使用到低通滤波器来实现的阻抗匹配性能良好。

本实施例的幅度不平衡参数曲线如图4所示，在通带范围内幅度不平衡均小于0.84db。在中心频率3.75ghz处的幅度不平衡度为0.12db，幅度不平衡小于0.5db的范围包括2.45ghz-4.87ghz。本实施例的相位不平衡曲线如图5所示，在本实施例的通带范围内相位不平衡度为180±2.9°。以上实验数据能很好地体现了本实施例巴伦不平衡到平衡转换的能力，且能覆盖到较宽的频率范围，应用场景广阔。

整个芯片的尺寸大小仅为1.7mm*1.8mm，具有小型化和集成化特点，非常利于进行器件封装，说明使用ipd技术来设计无源器件能在小型化方面取得显著的效果。