一种毫米波片上带通滤波器及其加工方法、设计方法

1.本发明属于毫米波滤波器技术领域，特别涉及一种毫米波片上带通滤波器及其加工方法、设计方法。


背景技术：

2.5g通信开启了移动万物互联时代，5g移动通信系统具有高频谱利用率、低功耗与高速传输率特点，其可满足大部分网络与用户需求；但是在增强型移动带宽、超高可靠超低时延与海量设备连接的应用场景下，仅依赖低频段(sub-6g)无线传输及组网技术是不够的，通信频段必然向毫米波波段扩展。据不完全统计，全球新增用于5g通信的频段数量将不低于50个子频段，此外5g通讯制式还要完成2g/3g/4g通信系统的向下兼容，这些因素不可避免地造成5g通信射频链路设计的复杂化，由于要实现链路通信频段间的相互隔离，集成于射频链路前端的滤波器的数目也在迅速增加。另外，随着半导体集成电路产业的发展，在满足通信性能的前提条件下，承载射频链路的设备也逐渐开始小型化、集成化，这对射频前端电路中各个器件的小型化提出了更高的要求。
3.综上所述，目前通常片上滤波器的设计基于经典微波分布式传输线理论，器件尺寸往往较大从而造成制造成本较高，为了适应更高的小型化要求亟需一种新的毫米波片上带通滤波器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种毫米波片上带通滤波器及其加工方法、设计方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明公开的毫米波片上带通滤波器，具有芯片面积小，工作带宽宽以及通带可灵活调节等特性。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明提供的一种毫米波片上带通滤波器，包括：输入端、输出端、第一谐振器、第二谐振器、接地层、输入mim电容和输出mim电容；
7.所述输入端包括第一输入g引脚、输入s引脚和第二输入g引脚；所述输出端包括第一输出g引脚、输出s引脚和第二输出g引脚；所述接地层与所述第一输入g引脚、第二输入g引脚、第一输出g引脚、第二输出g引脚连接；
8.所述第一谐振器和所述第二谐振器呈镜像设置，位于所述接地层上方设置的金属层；所述第一谐振器和所述第二谐振器互相耦合形成耦合电容，每个谐振器均由多条金属线构成螺旋状结构；
9.所述输入mim电容的一端与所述输入s引脚相连接，另一端与所述第一谐振器相连接；所述输出mim电容的一端与所述输出s引脚相连接，另一端与所述第二谐振器相连接；
10.所述接地层上设置有缺陷地结构，所述缺陷地结构位于所述两个谐振器的下方。
11.本发明的进一步改进在于，所述第一谐振器或所述第二谐振器包括：第一谐振器金属线、第二谐振器金属线、第三谐振器金属线、第四谐振器金属线、第五谐振器金属线、第
六谐振器金属线与第七谐振器金属线；
12.第一谐振器金属线的始端悬空，第一谐振器金属线的终端与第二谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第二谐振器金属线的终端与第三谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第三谐振器金属线的终端与第四谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第四谐振器金属线的终端与第五谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第五谐振器金属线终端的与第六谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第六谐振器金属线终端的与第七谐振器金属线的始端成90
°
正交相连，第七谐振器金属线的终端悬空，构成螺旋状的谐振器；
13.其中，第一谐振器金属线与第五谐振器金属线平行近距离放置，以产生耦合；第二谐振器金属线与第六谐振器金属线平行近距离放置，以产生耦合；第三谐振器金属线与第七谐振器金属线平行近距离放置，以产生耦合。
14.本发明的进一步改进在于，所述第一谐振器的第三谐振器金属线与所述第二谐振器的第三谐振器金属线相互平行且近距离放置，以实现第一谐振器与第二谐振器的耦合。
15.本发明的进一步改进在于，所述缺陷地结构由多条形状尺寸完全相同且等间距平行排列的金属线构成。
16.本发明提供的一种毫米波片上带通滤波器的加工方法，基于0.13μm锗硅工艺进行所述毫米波片上带通滤波器加工；
17.所述0.13μm锗硅工艺的衬底由下至上依次包括：硅基板衬底、epi衬底、第一sio2介质层、第二sio2介质层、第三sio2介质层、第四sio2介质层、第五sio2介质层、第六sio2介质层、第七sio2介质层、第八sio2介质层、第九sio2介质层以及passive介质层；
18.硅基板衬底由硅组成，第二sio2介质层包含metal1金属与金属化过孔via1，第三sio2介质层包含metal2金属与金属化过孔via2，第四sio2介质层包含metal3金属与金属化过孔via3，第五sio2介质层包含metal4金属与金属化过孔via4，第六sio2介质层包含metal5金属，第七sio2介质层包含金属化过孔vmim，第八sio2介质层包含topmetal1金属与金属化过孔topvia2，第九sio2介质层包含topmetal2金属；
19.mim层位于第六sio2介质层与第七sio2介质层中间，向上仅通过金属化过孔vmim与topmetal1金属连接；金属化过孔topvia1贯通第六sio2介质层与第七sio2介质层，仅与第六sio2介质层中的metal5金属及第八sio2介质层中的topmetal1金属连接。
20.本发明的进一步改进在于，第一输入g引脚、第二输入g引脚、第一输出g引脚以及第二输出g引脚自下而上均由metal2金属、金属化过孔via2、metal3金属、金属化过孔via3、metal4金属、金属化过孔via4、metal5金属、金属化过孔topvia1、topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成；输入s引脚、输出s引脚自下而上均由topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成；第一谐振器和第二谐振器的形状、尺寸完全相同，且均由topmetal2金属构成；输入mim电容和输出mim电容的结构、尺寸完全相同，自下而上均由metal5金属、mim层、金属化过孔vmim层、topmetal1金属以及topmetal2金属组成，下方对应的metal2金属区域进行矩形镂空处理；缺陷地结构由金属metal2构成；
21.输入s引脚通过topmetal2金属线与输入mim电容的一端连接，输入mim电容的另一端通过topmetal2金属线与第一谐振器中的第一谐振器金属线连接，第一谐振器的第一谐振器金属线、第二谐振器金属线、第三谐振器金属线、第四谐振器金属线、第五谐振器金属线、第六谐振器金属线、第七谐振器金属线依次首尾连接呈现螺旋结构；第一谐振器的第三
谐振器金属线与第二谐振器的第三谐振器金属线近距离平行放置形成耦合；第二谐振器中的第一谐振器金属线通过topmetal2金属线与输出mim电容一端连接，输出mim电容的另一端通过topmetal2金属线与输出s引脚连接；第一输出g引脚、第二输出g引脚与缺陷地结构连接，缺陷地结构处于第一谐振器、第二谐振器正下方且不与输入mim电容、输出mim电容、第一谐振器和第二谐振器连接。
22.本发明提供的一种毫米波片上带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：
23.通过改变第一谐振器金属线与第二谐振器金属线长度与线宽，实现寄生电感值的改变；
24.通过改变第三谐振器金属线的长度与线宽，实现寄生电感值的改变；
25.通过改变缺陷地结构金属线的长度与线宽，实现寄生电感值的改变；
26.通过改变第一谐振器金属线与第五谐振器金属线之间间距，第二谐振器金属线与第六谐振器金属线之间间距，第三谐振器金属线与第七谐振器金属线之间间距，实现寄生电容值的改变；
27.通过改变缺陷地金属线的线宽与间距，实现寄生电容值的改变；
28.通过改变谐振器金属线之间的寄生电容、谐振器与缺陷地结构之间的寄生电容、第一谐振器金属线与第二谐振器金属线的寄生电感、第三谐振器金属线的寄生电感以及缺陷地结构中金属线的寄生电感，以改变两个传输零点的位置实现改变滤波器的频率选择特性。
29.本发明的进一步改进在于，
30.两个传输零点表达式分别为，
[0031][0032]
式中，
[0033]
a＝c
tcgnd1
(l1+l2)；
[0034]
b＝(l2c
gnd1
+l2c
t
+l
dgs1cgnd1
+l1c
t
)；
[0035]
c＝1；
[0036]
ct代表谐振器金属线之间的寄生电容；
[0037]cgnd
代表谐振器与缺陷地结构之间的寄生电容；
[0038]
l1代表第一谐振器金属线与第二谐振器金属线的寄生电感；
[0039]
l2代表第三谐振器金属线的寄生电感；
[0040]
l
dgs1
代表缺陷地结构中金属线的寄生电感。
[0041]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0042]
本发明公开的毫米波片上带通滤波器，通过将金属线进行弯曲、折叠，以形成半导体金属之间的寄生电容；利用半导体之间的寄生电容，在不需要设计与引入额外电容结构基础上，实现了带通滤波器的滤波特性；同时，通过灵活改变金属线几何形状可实现对寄生电容、电感的灵活调节，进而改变滤波器的频率选择特性；综上，基于半导体寄生效应所设计的滤波器芯片具有芯片面积小，工作带宽宽以及通带可灵活调节等特性，可满足众多具有小型化需求的特定通信场景应用(示例解释性的，如可作为60ghz与77ghz短、中距离毫米
波片上系统的关键性滤波器应用于汽车防撞雷达，医疗探测，室内物联网等场景)。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明实施例提供的一种毫米波片上带通滤波器的整体结构示意图；
[0045]
图2是本发明实施例中，基于0.13μm锗硅半导体工艺的加工示意图；
[0046]
图3是本发明实施例提供的一种毫米波片上带通滤波器有损lc等效电路示意图；
[0047]
图4是本发明实施例提供的一种锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器在电磁仿真软件hfss中的最终仿真结果以及锗硅工艺毫米波片上带通滤波器有损lc等效电路的仿真结果的示意图；
[0048]
图中，1、第一输入g引脚；2、输入s引脚；3、第二输入g引脚；4、第一输出g引脚；5、输出s引脚；6、第二输出g引脚；7、输入mim电容；8、输出mim电容；
[0049]
21、第一谐振器金属线；22、第二谐振器金属线；23、第三谐振器金属线；24、第四谐振器金属线；25、第五谐振器金属线；26、第六谐振器金属线；27、第七谐振器金属线；28、缺陷地结构。
具体实施方式
[0050]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0051]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0052]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0053]
请参阅图1，本发明实施例提供的一种毫米波片上带通滤波器，包括：输入端、输出端、第一谐振器、第二谐振器、接地层、输入mim电容7和输出mim电容8；
[0054]
其中，所述输入端包括第一输入g引脚1、输入s引脚2和第二输入g引脚3；所述输出端包括第一输出g引脚4、输出s引脚5和第二输出g引脚6；
[0055]
所述接地层与所述第一输入g引脚1、第二输入g引脚3、第一输出g引脚4、第二输出g引脚6连接；所述第一谐振器和第二谐振器呈镜像设置，位于所述接地层上方的金属层，互
相耦合形成耦合电容，每个谐振器均由多条金属线构成螺旋状结构。
[0056]
本发明实施例中，所述输入mim电容7的一端与所述输入s引脚2相连接，另一端与所述第一谐振器相连接；所述输出mim电容8的一端与所述输出s引脚5相连接，另一端与所述第二谐振器相连接。
[0057]
本发明实施例提供的进一步优化的技术方案中，所述谐振器实现技术方案以第一谐振器为例进行叙述，其具体结构为：第一谐振器包含多条金属线，不能少于五条(如：第一谐振器金属线21、第二谐振器金属线22、第三谐振器金属线23、第四谐振器金属线24、第五谐振器金属线25、第六谐振器金属线26与第七谐振器金属线27)；其中第一谐振器金属线21与所述输入mim电容7一端相连，第一谐振器金属线21始端悬空，第一谐振器金属线21终端与第二谐振器金属线22始端成90
°
正交相连，第二谐振器金属线22终端与第三谐振器金属线23始端成90成正交相连，第三谐振器金属线23终端与第四谐振器金属线24始端成90成正交相连，第四谐振器金属线24终端与第五谐振器金属线25始端成90成正交相连，第五谐振器金属线终端25与第六谐振器金属线26始端成90成正交相连，第六谐振器金属线终端26与第七谐振器金属线27始端成90成正交相连，第七谐振器金属线27终端悬空，最终谐振器呈现为螺旋状；由于需要螺旋结构，第一谐振器金属线21与第五谐振器金属线25在y方向平行近距离放置，第二谐振器金属线22与第六谐振器金属线26在x方向平行近距离放置，第三谐振器金属线23与第七谐振器金属线27在y方向平行近距离放置，上述平行近距离放置的金属线之间产生耦合，形成半导体寄生效应进而产生大量寄生电容。
[0058]
第一谐振器与第二谐振器以片上带通滤波器y方向中心轴镜像分布，第一与第二谐振器各自的第三谐振器金属线相互平行且近距离分布，进而实现两谐振器的耦合。
[0059]
本发明实施例提供的进一步优化的技术方案中，所述接地层上还设置有缺陷地结构(dgs)28，用于改变寄生电容。
[0060]
本发明实施例中，所述dgs位于第一谐振器与第二谐振器的下方，由多条金属线构成，每条金属线形状尺寸完全相同且沿x方向为金属线长边，各条金属线以片上带通滤波器在y方向的中心轴对齐且等间距排列，dgs的各条金属线均由metal2金属构成；调节时的具体对应关系为：增加金属线的线长度可以导致带通滤波器的两个传输零点向低频移动(等效为增加l
dgs1
与l
dgs2
的值进而使得滤波器两个传输零点f1与f2的值减小)；在不改变金属线的线间距基础上，减小金属线的线宽度可以导致带通滤波器的两个传输零点向低频移动(等效为增加l
dgs1
与l
dgs2
的值进而使得滤波器两个传输零点f1与f2的值减小)；在不改变金属线的长度与宽度基础上，减小金属线的线间距可以导致带通滤波器的两个传输零点向低频移动(等效为增加寄生电容c
gnd1
与c
gnd2
的值进而使得滤波器两个传输零点f1与f2的值减小)。
[0061]
综上所述，本发明实施例提供的毫米波片上带通滤波器由输入、输出金属引脚(ground-signal-ground pad，g-s-g引脚)、输入mim电容、输出mim电容、第一谐振器、第二谐振器以及缺陷地结构(defected ground structure，dgs)组成；其中，输入、输出金属引脚用于与测量探针接触，高频信号自输入g-s-g引脚输入，滤波信号自输出g-s-g引脚输出；输入mim电容、输出mim电容用于调节带通滤波器的带外抑制性能；第一谐振器、第二谐振器用于实现半导体工艺的寄生效应，通过频率谐振产生两个谐振点进而实现滤波选频功能；dgs用于实现对第一谐振器、第二谐振器中topmetal2金属与接地层之间寄生电容的控制。
[0062]
请参阅图2，本发明实施例具体示例性的一种基于0.13μm锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器；本发明实施例提供0.13μm锗硅工艺衬底、制备在0.13μm锗硅工艺衬底上的毫米波片上带通滤波器主体以及毫米波片上带通滤波器的有损lc等效电路用以实现本发明上述的毫米波片上带通滤波器，包括：
[0063]
采用的0.13μm锗硅工艺衬底包含：硅基板衬底、epi衬底、第一sio2介质层、第二sio2介质层、第三sio2介质层、第四sio2介质层、第五sio2介质层、第六sio2介质层、第七sio2介质层、第八sio2介质层、第九sio2介质层以及passive介质层；
[0064]
其中，硅基板衬底由硅组成，第二sio2介质层包含metal1金属与金属化过孔via1，第三sio2介质层包含metal2金属与金属化过孔via2，第四sio2介质层包含metal3金属与金属化过孔via3，第五sio2介质层包含metal4金属与金属化过孔via4，第六sio2介质层包含metal5金属，第七sio2介质层包含金属化过孔vmim，第八sio2介质层包含topmetal1金属与金属化过孔topvia2，第九sio2介质层包含topmetal2金属，mim层位于第六sio2介质层与第七sio2介质层中间，金属化过孔topvia1贯通第六sio2介质层与第七sio2介质层；所采用的硅基板由280μm厚度半导体硅构成，所用硅基板介电常数为11.9。
[0065]
本发明实施例进一步具体示例性的，epi衬底厚度为3.75μm其介电常数为11.9；第一sio2介质层厚度为1.04μm介电常数为4.1；第二sio2介质层总厚度为0.96μm包含metal1金属厚度为0.42μm与金属化过孔via1厚度为0.54μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第三sio2介质层总厚度为1.03μm包含metal2金属厚度为0.49μm与金属化过孔via2厚度为0.54μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第四sio2介质层总厚度为1.03μm包含metal3金属厚度为0.49μm与金属化过孔via3厚度为0.54μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第五sio2介质层总厚度为1.03μm包含metal4金属厚度为0.49μm与金属化过孔via4厚度为0.54μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第六sio2介质层总厚度为0.514μm包含metal5金属厚度为0.49μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第七sio2介质层总厚度为0.826μm包含metal5金属厚度为0.826μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第八sio2介质层总厚度为4.8μm包含topmetal1金属厚度为2μm与金属化过孔topvia2厚度为2.8μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；第九sio2介质层总厚度为4.5μm包含topmetal2金属厚度为3μm，所填充sio2介质介电常数为4.1；passive介质层不包含任何金属，其总厚度为0.4μm且介电常数为6.6。mim层位于第六sio2介质层与第七sio2介质层中间，向上仅通过金属化过孔vmim与topmetal1金属连接；金属化过孔topvia1贯通第六sio2介质层与第七sio2介质层，仅与第六sio2介质层中的metal5金属与第八sio2介质层中的topmetal1金属连接。
[0066]
本发明实施例中，笛卡尔坐标系的建立以图1中第一输入g引脚的外侧短边为x轴，第一输入g引脚的外侧长边为y轴，第一输入g引脚具有金属厚度，沿厚度边为z轴，采用的输入、输出两组金属引脚(g-s-g引脚)结构与尺寸完全相同，且在y方向沿毫米波片上带通滤波器的中心轴等距离轴对称分布；每组金属引脚包含三个矩形引脚结构，以输入金属引脚为例，其位置沿y轴方向分布有接地引脚(g引脚)、信号引脚(s引脚)与接地引脚(g引脚)，各个引脚在x方向上长度完全相等；两组金属引脚(g-s-g引脚)的形状尺寸完全相同且在y方向关于带通滤波器的中心轴等距离对称分布，矩形第一输入g引脚与第二输入g引脚的短边沿x方向分布，第一第二输入g引脚的长边沿着y方向分布；第一输入g引脚1与第二输入g引脚自下而上由metal2金属、金属化过孔via2、metal3金属、金属化过孔via3、metal4金属、金
属化过孔via4、metal5金属、金属化过孔topvia1、topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成；s引脚的短边沿y方向分布，长边沿x方向分布，输入s引脚位于第一输入g引脚与第二输入g引脚之间，且在x方向距离第一输入g引脚与第二输入g引脚相等。输入s引脚自下而上由topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成。
[0067]
所采用的输入、输出mim电容结构，两者尺寸完全相同且沿毫米波片上带通滤波器在y方向的中心轴等距离轴对称分布，mim电容结构自下而上由metal5金属、mim层、金属化过孔vmim层、topmetal1金属以及topmetal2金属组成，其中mim层通过金属化过孔vmim向上与topmetal1金属相连，metal5金属通过金属化过孔topvia1向上与topmetal1金属相连，metal5金属与mim层平行且无任何连接，mim电容结构正下方对应的metal2金属区域进行矩形镂空处理，其矩形镂空区域尺寸与mim电容的最外边缘尺寸相同。
[0068]
本发明实施例中的整体拓扑结构为，信号自g-s-g引脚馈入器件随后到达输入mim电容，随后到达第一谐振器，由第一谐振器耦合至第二谐振器，随后到达输出mim电容，进而到达输出g-s-g引脚实现滤波功能；所采用的第一谐振器、第二谐振器结构中，两谐振器结构与尺寸完全相同且沿毫米波片上带通滤波器在y方向的中心轴等距离轴对称分布，第一谐振器结构由第一谐振器金属线、第二谐振器金属线、第三谐振器金属线、第四谐振器金属线、第五谐振器金属线、第六谐振器金属线以及第七谐振器金属线呈顺时针首尾相接构成，第一谐振器、第二谐振器均由topmetal2金属构成。
[0069]
本发明实施例所采用缺陷地结构(dgs)位于毫米波片上带通滤波器中谐振器的下方，由金属线构成，每条金属线形状尺寸完全相同且沿x方向为金属线长边，各条金属线毫米波片上带通滤波器在y方向的中心轴对齐且等间距排列，构成dgs的金属线均由金属metal2构成。
[0070]
请参阅图3和图4，为了实现对本发明中所提带通滤波器的优化调节，提出了有损耗lc等效电路辅助所提带通滤波器调节设计；本发明实施例中，所采用的毫米波片上带通滤波器的等效电路为左右对称相同的有损lc等效电路，有损lc等效电路包含有：输入电容mim、谐振器电感l1、谐振器电感l2、耦合电容c1、并联电容c
gnd
、耦合电容c
gnd1
、dgs电感l
dgs1
、耦合地电容c
gnd2
、dgs电感l
dgs2
、金属损耗电阻r1、金属损耗电阻r2、dgs损耗电阻r
dgs
、dgs损耗电阻r
dgs1
、dgs损耗电阻r
dgs2
以及耦合电容cm。其中，各元器件的连接关系为(以左半边电路为例)：输入mim电容一端连接滤波器输入端口，另一端连接谐振器电感l1，并联电容c
gnd
与耦合电容c1相连；谐振器电感l1一端与输入mim电容相连，一端与金属损耗电阻r1相连；并联电容c
gnd
一端与输入mim电容相连，一端与dgs损耗电阻r
dgs
相连；耦合电容c1一端输入mim电容相连，一端与dgs损耗电阻r
dgs
，金属损耗电阻r1以及耦合地电容c
gnd2
相连；耦合地电容c
gnd2
一端与耦合电容c1，dgs损耗电阻r
dgs
以及金属损耗电阻r2相连，另一端与dgs电感l
dgs2
相连；dgs电感l
dgs2
一端与耦合地电容c
gnd2
相连，另一端与dgs损耗电阻r
dgs2
相连；dgs损耗电阻r
dgs2
一端与dgs电感l
dgs2
相连，另一端与地相连；金属损耗电阻r2相连一端与耦合电容c1，dgs损耗电阻r
dgs
以及耦合地电容c
gnd2
相连，另一端与谐振器电感l2相连；谐振器电感l2一端与金属损耗电阻r2相连，另一端与金属损耗电阻r1，耦合电容c
gnd1
相连以及耦合电容cm相连；耦合电容c
gnd1
一端与金属损耗电阻r1，谐振器电感l2以及耦合电容cm相连，另一端与dgs电感l
dgs1
相连；dgs电感l
dgs1
一端与耦合电容c
gnd1
相连，另一端与dgs损耗电阻r
dgs1
相连；dgs损耗电阻r
dgs1
一端与dgs电感l
dgs1
相连，另一端与地相连；左边电路与右边电路相同且通过
耦合电容cm相连；其中谐振电感l1、谐振电感l2、耦合电容c1、并联电容c
gnd
、耦合地电容c
gnd2
、缺陷地电感l
dgs2
、金属损耗电阻r1、金属损耗电阻r2、dgs损耗电阻r
dgs
以及dgs损耗电阻r
dgs2
组成了谐振器的有损lc等效电路。
[0071]
锗硅工艺具有多层金属结构便于器件灵活小型化设计，支持高频模拟与数字模块结合且相较于iii-v族半导体工艺(砷化镓与氮化镓等)性价比更高，在毫米波片上滤波器设计方面具有较强优势；通常片上滤波器的设计基于经典微波分布式传输线理论，因此器件尺寸往往较大从而造成制造成本较高，为了解决这个痛点问题，通过引入集总电路的分析设计方法，在不改变滤波器性能的前提下，可以明显有效的降低片上滤波器的面积，大幅度降低滤波器的加工成本；因此，本发明所述的一种基于锗硅工艺的毫米波带通滤波器设计在对满足通信质量、推动通信系统小型化和降低通信成本等方面都具有重要的意义。本发明实施例提供的锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器中，各部分之间的连接方式为：输入g-s-g引脚中的输入s引脚2通过厚金属topmetal2金属线连接至输入mim电容7，随后通过输入mim电容7连接至第一谐振器金属线21，随后第一谐振器金属线21与第二谐振器金属线22相连，第二谐振器金属线22与第三谐振器金属线23相连，第三谐振器金属线23与第四谐振器金属线24相连，第四谐振器金属线24与第五谐振器金属线25相连，第五谐振器金属线25与第六谐振器金属线26相连，第六谐振器金属线26与第七谐振器金属线27相连；随后第一谐振器通过谐振器金属线与对应第二谐振器的金属线相耦合，第二谐振器通过厚金属topmetal2金属线连接至输出mim电容，随后输出mim电容通过厚金属topmetal2金属线与输出g-s-g引脚中的输出s引脚5相连；输入、输出g-s-g引脚中的输出g引脚与dgs相连，dgs处于第一谐振器、第二谐振器正下方且不与输入、输出mim电容及第一、第二谐振器相连。本发明实施例提供的技术方案中，谐振器金属线彼此首尾相连呈现螺旋结构，其中第一谐振器金属线21与第五谐振器金属线25在y方向平行近距离放置，第二谐振器金属线22与第六谐振器金属线26在x方向平行近距离放置，第三谐振器金属线23与第七谐振器金属线27在y方向平行近距离放置，金属线以平行近距离放置产生耦合，进而形成半导体寄生效应与寄生电容；由于第一谐振器金属线21与第五谐振器金属线25之间存在寄生电容，第二谐振器金属线22与第六谐振器金属线26之间存在寄生电容，第三谐振器金属线23与第七谐振器金属线27之间存在寄生电容，对寄生电容的利用避免了额外电容结构的设计与引入，因而减小了芯片面积；第一谐振器、第二谐振器与dgs之间存在寄生电容，寄生电容的存在同样避免了额外电容结构的设计与引入，减小了芯片面积；通过具体设计谐振器金属线之间的间距，dgs中金属线的线宽与间距，从而可以控制谐振器金属线之间以及谐振器与dgs之间寄生电容大小，来实现滤波器的滤波功能。
[0072]
本发明实施例中，设计步骤主要包括：
[0073]
通过引入两个相互耦合的谐振器来首先构造带通滤波器，通过改变所设计谐振器的金属线长度与其金属线的间隙宽度可以实现带通滤波器两个传输零点的位置调节，同时控制两个谐振器之间的距离来影响滤波器的耦合强度进而控制带通滤波器的插入损耗。输入、输出mim电容可以被用来改善带通滤波器的上阻带特性与下阻带特性；本发明所提出的带通滤波器通过正确选择每条有损金属条的长度和宽度以及金属线的间隙，从而确定特定的滤波特性，例如滤波带宽，传输零点等，根据多次设计迭代在实践中获得优化结果。小型化设计中实现带通滤波器的传输零点是关键，金属线电感、金属线之间的寄生电容与金属
线与接地层之间的寄生电容的组合可以实现传输零点。如图3所示的lc集总元模型，lc电路模型包含集总元件：l1，l2，l
dgs1
，l
dgs2
，c1，c1，c
gnd
，c
gnd1
，c
gnd2
，r1，r2，r
dgs
，r
dgs1
与r
dgs2
。其中谐振电感l1、谐振电感l2、耦合电容c1、并联电容c
gnd
、耦合地电容c
gnd2
、缺陷地电感l
dgs2
、金属损耗电阻r1、金属损耗电阻r2、dgs损耗电阻r
dgs
以及dgs损耗电阻r
dgs2
组成了谐振器的有损lc等效电路，谐振器电路提供带通滤波器的两个传输零点；通过调节公式中相关的电感和电容值来实现对毫米波片上带通滤波器上下阻带传输零点的调节。
[0074]
本发明实施例中，公式中的字符参量示意如下：
[0075]
ct：代表谐振器金属线之间的寄生电容，其值为ct＝c
gnd
+c1；
[0076]cgnd
：代表谐振器与dgs之间的寄生电容；
[0077]
l1：代表第一谐振器金属线与第二谐振器金属线的寄生电感；
[0078]
l2：代表第三谐振器金属线的寄生电感；
[0079]
l
dgs1
：代表dgs中金属线的寄生电感。
[0080]
本发明实施例的具体调节方式包括：
[0081]
首先通过改变第一谐振器金属线与第二谐振器金属线长度与线宽可以实现寄生电感值的改变，即l1值的改变；通过改变第三谐振器金属线的长度与线宽可以实现寄生电感值的改变，即l2值的改变；通过改变dgs金属线的长度与线宽可以实现寄生电感值的改变，即l
dgs1
值的改变；通过改变第一谐振器金属线与第五谐振器金属线之间间距，第二谐振器金属线与第六谐振器金属线之间间距，第三谐振器金属线与第七谐振器金属线之间间距可以实现寄生电容值的改变，即c
t
值的改变；通过改变dgs金属线的线宽与线间距可以实现寄生电容值的改变，即c
gnd
值的改变。
[0082]
通过公式可以看出，通过滤波器的两个传输零点分布与c
t
，c
gnd
，l1，l2以及l
dgs1
的值直接相关，通过改变c
t
，c
gnd
，l1，l2以及l
dgs1
的值可以改变两个传输零点的位置进而改变滤波器的滤波特性。
[0083]
本发明实施例中，矩形第一输入g引脚、第二输入g引脚的形状、尺寸完全且沿毫米波片上带通滤波器的中心x轴成等距离轴对称分布，长边分布在y方向且为145μm，短边分布在x方向且为100μm，自下而上由metal2金属、金属化过孔via2、metal3金属、金属化过孔via3、metal4金属、金属化过孔via4、metal5金属、金属化过孔topvia1、topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成，且metal2金属、metal3金属、metal4金属、metal5金属、topmetal1金属以及topmetal2金属尺寸完全相同。输入s引脚分布于第一输入g引脚、第二输入g引脚之间，输入s引脚中心沿滤波器中心轴在y方向与第一输入g引脚、第二输入g引脚的中心距离相等，输入s引脚的长边分布在x方向且为100μm，短边分布在y方向且为70μm，自下而上由topmetal1金属、金属化过孔topvia2以及topmetal2金属叠加构成，且topmetal1金属以及topmetal2金属尺寸完全相同。制备在0.13μm锗硅工艺衬底上的毫米波片上带通滤波器主体所述mim电容结构两者尺寸完全相同且沿毫米波片上带通滤波器y方向的中心轴彼此等距离轴对称分布，mim电容结构均自下而上由metal5金属、mim层、金属化过孔vmim层以及topmetal1金属组成，其中mim层通过金属化过孔vmim向上与topmetal1金属相连，mim层尺寸在x方向长度为25μm，在y方向长度为9μm，metal5金属通过金属化过孔topvia1向上与topmetal1金属相连，metal5金属与mim层平行且无任何连接，metal5金属在x方向长度为32μm，在y方向长度为10μm，metal5金属尺寸大小为mim电容结构的最外边缘尺
寸，mim电容结构正下方对应的metal2金属区域进行矩形镂空处理，其矩形镂空区域尺寸与mim电容的最外边缘尺寸相同；制备在0.13μm锗硅工艺衬底上的毫米波片上带通滤波器主体所述第一谐振器、第二谐振器的结构与尺寸完全相同且以毫米波片上带通滤波器的中心y轴成等距离轴对称分布，以第一谐振器结构为例，第一谐振器由第一谐振器金属线、第二谐振器金属线、第三谐振器金属线、第四谐振器金属线、第五谐振器金属线、第六谐振器金属线以及第七谐振器金属线构成，其中第一谐振器金属线长度142μm宽度3μm，第二谐振器金属线长度42μm宽度5μm，第三谐振器金属线长度137μm宽度5μm，第四谐振器金属线长度35μm宽度5μm，第五谐振器金属线长度130μm宽度5μm，第六谐振器金属线长度28μm宽度5μm，第七谐振器金属线长度96μm宽度5μm，所有金属线均由topmetal2金属构成；制备在0.13μm锗硅工艺衬底上的毫米波片上带通滤波器主体所述dgs位于第一谐振器、第二谐振器下方，由多条金属线构成，每条金属线形状、尺寸相同且沿x方向为金属线长边，金属线沿片上带通滤波器的y方向中心轴中心对齐，金属线平行且等间距排列，构成dgs的金属线均由metal2金属构成；毫米波片上带通滤波器的有损lc等效电路为对称结构，其包含有：输入电容mim、谐振电感l1、谐振电感l2、耦合电容c1、并联电容c
gnd
、耦合地电容c
gnd1
、缺陷地电感l
dgs1
、耦合地电容c
gnd2
、缺陷地电感l
dgs2
、金属损耗电阻r1、金属损耗电阻r2、dgs损耗电阻r
dgs
、dgs损耗电阻r
dgs1
、dgs损耗电阻r
dgs2
以及电耦合电容cm。所有元器件数值分别为：输入电容mim容值58ff，谐振电感l1感值65ph，谐振电感l2感值57.5ph，耦合电容c1容值13.5ff，并联电容c
gnd
容值17.5ff，耦合地电容c
gnd1
容值22.5ff，缺陷地电感l
dgs1
感值14ph，耦合地电容c
gnd2
容值22.5ff，缺陷地电感l
dgs2
感值246ph，金属损耗电阻r1阻值0.001欧姆，金属损耗电阻r2阻值0.001欧姆，dgs损耗电阻r
dgs
阻值13.5欧姆，dgs损耗电阻r
dgs1
阻值21.5欧姆，dgs损耗电阻r
dgs2
阻值13.5欧姆以及电耦合电容cm容值160ff；其中，谐振电感l1、谐振电感l2、耦合电容c1、并联电容c
gnd
、耦合地电容c
gnd2
、缺陷地电感l
dgs2
、金属损耗电阻r1、金属损耗电阻r2、dgs损耗电阻r
dgs
以及dgs损耗电阻r
dgs2
组成了一个谐振器的有损lc等效电路，通过谐振器可以形成灵活可调节的滤波器传输零点，产生的两个传输零点表达式可以用数学公式(1)至(5)表达为：
[0084][0085][0086]
a＝c
tcgnd1
(l1+l2) (3)
[0087]
b＝(l2c
gnd1
+l2c
t
+l
dgs1cgnd1
+l1c
t
) (4)
[0088]
c＝1 (5)
[0089]
根据以上表达公式，可以通过调节公式中相关的电感和电容值来实现对毫米波片上带通滤波器上下阻带传输零点的调节，后续滤波器的性能可进一步通过电磁仿真工具hfss进行优化。
[0090]
本发明实施例上述公开的一种锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器工作原理如下：毫米波信号自探针馈入输入g-s-g引脚随后信号到达输入mim电容，随后毫米波信号通过输入mim电容耦合至第一谐振器，毫米波信号沿第一谐振器金属线21、第二谐振器金属线22、
第三谐振器金属线23、第四谐振器金属线24、第五谐振器金属线25、第六谐振器金属线26以及第七谐振器金属线27呈依次传播，在毫米波信号传播过程中第一谐振器金属线21与第五谐振器金属线25之间、第二谐振器金属线22与第六谐振器金属线26之间以及第三谐振器金属线23与第七谐振器金属线27之间存在耦合；同时，dgs缺陷地结构的引入起到两个作用：(1)使第一谐振器金属线21、第二谐振器金属线22、第三谐振器金属线23、第四谐振器金属线24、第五谐振器金属线25、第六谐振器金属线26以及第七谐振器金属线27工作在慢波传播模式下，在不改变物理长度的前提下增加所用金属线的等效长度，进而减小毫米波片上带通滤波器尺寸；(2)影响毫米波片上带通滤波器主体与metal2金属之间的电容寄生，进而控制滤波器传输零点的位置分布；由第一谐振器通过电耦合方式耦合至第二谐振器，随后到达输出mim电容，进而由输出g-s-g引脚输出实现片上滤波器的滤波功能。本发明实施例所提出的毫米波片上带通滤波器的有损lc等效电路依据毫米波片上带通滤波器的版图电磁特性建立，可以有效模拟滤波器的滤波行为特性，并可通过改变等效电路相关参数来预测毫米波片上带通滤波器的电磁特性。本发明提供的一种锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器，具有体积小、滤波特性好、可灵活调节、集成度高的特性，可满足现代特定场景通信的需求。
[0091]
本发明实施例公开了一种锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器，其包括0.13μm锗硅工艺衬底、制备在0.13μm锗硅工艺衬底上的毫米波片上带通滤波器主体以及毫米波片上带通滤波器的有损lc等效电路。其中0.13μm锗硅工艺衬底为制备所提毫米波片上带通滤波器的支撑结构，一方面对毫米波片上带通滤波器电磁特性有直接影响，另一方面对毫米波片上带通滤波器有损lc等效电路的各参数有决定性作用。毫米波片上带通滤波器的主体由输入、输出金属引脚(g-s-g引脚)、输入、输出mim电容、第一谐振器、第二谐振器以及缺陷地结构(dgs)构成；其中入输出金属引脚(g-s-g引脚)用于支撑毫米波带通滤波器的高频探针测试，第一谐振器、第二谐振器可产生毫米波片上带通滤波器的两个传输零点进而实现滤波功能，缺陷地结构(dgs)可通过改变传输线的工作模式使金属线等效长度增加，保证了毫米波带通滤波器版图的紧凑性，同时通过寄生电容对滤波器的传输零点位置具有调节作用。本发明所采用的一种锗硅工艺的毫米波片上带通滤波器具有体积小、滤波特性好、可灵活调节、集成度高等特性，可满足现代特定场景通信的需求。
[0092]
本发明通过利用半导体的寄生效应来实现滤波器的小型化设计，其具体方法包括：
[0093]
将半导体顶层厚金属topmetal2的金属线设计为按逆时针的自螺旋结构，来增加顶层厚金属topmetal2的金属线之间的寄生电容，采用自螺旋结构有两个主要原因：1)在所需的金属线有效长度不变的情况下，螺旋结构可以尽可能减小金属线的总面积；2)自螺旋形结构在面积最小的情况下尽可能增加半导体顶层厚金属topmetal2的金属线重叠长度，进而增加金属线的寄生电容，从而最大化利用半导体的寄生效应；利用半导体顶层厚金属topmetal2的金属线与金属地之间的寄生电容来实现谐振器的谐振，以省去额外电容设计所引入的结构面积。
[0094]
目前公开的数据与工作表明，利用半导体寄生效应所设计的片上滤波器在小型化方面具有明显优势，具体对比数据如表1所示。
[0095]
表1.数据对比表
[0096][0097][0098]
[1]s.-c.chang,y.-m chen,s.-f chang,y.-h jeng,c.-l wei,c.-h huang,and c.-p jeng,“compact millimeter-wave cmos bandpass filters using grounded pedestal stepped-impedance technique,”ieee trans.microw.theory techn.,vol.58,no.12,pp.3850
–
3859,dec.2010,doi:10.1109/tmtt.2010.2086591.
[0099]
[2]n.mahmoud,a.barakat,a.b.abdel-rahman,a.allam,and r.k.pokharel,“compact size on-chip 60 ghz h-shaped resonator bpf,”ieee microw.wireless compon.lett.,vol.26,no.9,pp.681
–
683,sep.2016,doi:10.1109/lmwc.2016.2597219.
[0100]
[3]k.ma,s.mou,and k.s.yeo,“miniaturized 60-ghz on-chip multimode quasi-elliptical bandpass filter,”ieee electron.device lett.,vol.34,no.8,pp.945
–
947,aug.2013,doi:10.1109/led.2013.2265165.
[0101]
[4]k.d.xu,y.j.guo,y.liu,x.deng,q.chen,and z.ma,“60-ghz compact dual-mode on-chip bandpass filter using gaas technology,”ieee electron device lett.,vol.42,no.8,pp.1120
–
1123,aug.2021,doi:10.1109/led.2021.3091277.
[0102]
[5]b.dehlink,m.engl,k.aufinger,and h.knapp,“integrated bandpass filter at 77 ghz in sige technology,”ieee microw.wireless compon.lett.,vol.17,no.5,pp.346
–
348,may 2007,doi:10.1109/lmwc.2007.895701.
[0103]
[6]a.-l.franc,e.pistono,d.gloria,and p.ferrari,“high-performance shielded coplanar waveguides for the design of cmos 60-ghz bandpass filters,”ieee trans.electron devices,vol.59,no.5,pp.1219
–
1226,may 2012,doi:10.1109/
ted.2012.2186301
[0104]
通过与现有技术对比，从表1可以发现，根据本发明提出的片上带通滤波器结构与设计方法进行设计的带通滤波器在芯片面积上具有明显优势；同时本发明所提出的滤波器各项滤波指标良好，可满足诸如汽车防撞雷达、室内物联网等对小型化有较高需求的通信场景。
[0105]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。