濮泽宇 ，万 晶 ，王 霄 ，李跃华 ，梁晓新

（1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.昆山微电子技术研究院，江苏 昆山 215347；3.中国科学院微电子研究所，北京 100029）

0 引言

在通信产业快速发展的大环境下，迫切要求通信系统向更小、更易集成、更多适用频段的方向发展。滤波器作为无线通信系统中不可或缺的组成部分，起到滤除系统杂波的作用[1]，且数量要求多，其体积决定了整个系统的体积和成本。在微波频段多以PCB 板级滤波器为主，应用到毫米波频段后其表面金属结构以及开放的电磁场，使得PCB 板级滤波器损耗过大，因此多以腔体结构滤波器为主，但腔体滤波器体积巨大，不适应于5G小型通信系统终端应用中。此时，基于MEMS 工艺的滤波器芯片应运而生，MEMS 工艺新增了诸如体微机械加工工艺、表面微机械加工工艺等技术，融合了各个学科的尖端技术，可与Integrated Circuit（IC）工艺相兼容。采用MEMS 工艺制备的滤波器，具有尺寸小、集成度高等诸多优点。

在MEMS 滤波器谐振腔研究方面，SIW 谐振腔结构凭借与矩形波导极高的相似性及其更便捷的实现方式，成为了目前MEMS 滤波器的主流设计结构。在此结构基础上，文献[2-3]通过中间规则排布通孔的耦合方式，实现了多款单通带MEMS 滤波器芯片，但其相对MMIC 芯片而言巨大的尺寸及其单一的应用频段无法满足目前小型化、多功能的应用发展需求。因此，在小型化的基础上实现多频带应用成为MEMS 滤波器芯片设计的一个全新方向。

为此，本文提出了一种新型的小型化双通带宽带滤波器芯片，基于MEMS 工艺，采用双层半模SIW 谐振腔，并在介质层间刻蚀L 型槽线的方法实现，在维持滤波器小型化的基础上，扩宽了双通带带宽，且阻带抑制度良好。

1 滤波器分析与设计

1.1 滤波器谐振腔结构设计

本文采用SIW（基片集成波导）谐振腔，通过两排或者多排周期排列的金属通孔代替金属波导侧壁，并与上下表面的金属导体密闭形成，属于传输线结构，但是又具有与金属波导相似的传播特性，具有传输损耗小、Q值高等优点，同时易于平面集成，其谐振腔模型如图1 所示，其中介质基板厚度为h，金属化过孔直径为d，两行金属化过孔中心间距为WSIW，相邻过孔中心间距为s。

图1 SIW 谐振腔模型图

SIW 谐振腔的辐射损耗和反射损耗主要由金属通孔的尺寸和相邻金属孔之间的距离决定，减小相邻通孔之间的间距可以减小孔间的能量泄露，从而有效地减小辐射损耗，为了尽量的减小损耗，尺寸遵循d＜0.2 λg，d/WSIW＜0.2，d/s≥0.5 的设计原则。

在电磁能量损耗较小的情况下，电磁波被限制在两排金属通孔之间传播，此时，SIW 谐振腔就可以与填充相同介质的矩形波导等效。

TM 和TEmn（n≠0）波在SIW 谐振腔中传输时，会感应出沿侧壁纵向流动的表面电流，而相邻金属孔之间的缝隙会阻断表面电流的流动，因此TM 和TEmn波不能在SIW 谐振腔中传播[4]。当SIW 谐振腔中传播TEm0模式的波时，电流沿着金属孔上下流动而没有被阻断，因此电流可以传输。

在WSIW已知的情况下，可以计算出等效矩形波导的宽度WRWG。传播主模TE10时，截止频率为：

SIW 谐振腔的主模截止频率由宽边尺寸WSIW决定。利用普通矩形波导的等效阻抗公式可以表示SIW 谐振腔的等效阻抗为：

1.2 滤波器馈线结构选型

馈线结构作为滤波器输入输出结构，在不同需求下的选择有所不同。共面波导常用传输线转换结构有微带线和共面波导两种，其中微带线在传输信号时，电磁场主要分布在介质层中，其导体带厚度对特性阻抗无明显影响，适用于窄带结构设计；共面波导相较微带线，其导体带精度要求更高，厚度影响量约为微带线10 倍，传输过程中，电磁场大量分布在空气中，因此有效介电常数比同材质微带线低，同时，相较微带线传输更接近准TEM波，色散少，适用于宽带设计，与本次设计要求相符。

共面波导结构作为输入输出转换结构分为背面无接地面和背面有接地面两种不同结构，在相同结构尺寸情况下，背面不接地共面波导的特性阻抗受槽线宽度及导体带宽度影响很大[5]，而背面接地共面波导的特性阻抗在槽线宽度大于0.5 mm 后变化很小；而且在结构尺寸相同时，前者的特性阻抗比后者的要大[6]，因此本文选择背面接地共面波导作为滤波器馈线结构。背面接地共面波导主要影响其特性阻抗的参数有：导体层厚度T，导体带宽度W，两边槽线宽度G，介质层厚度h，以及介质层相对介电常数ε 和损耗角正切tanD 等，背面接地共面波导结构如图2 所示。

图2 背面接地共面波导传输线模型图

在背面接地共面波导传输线的基础上，本文通过HFSS软件进行仿真设置。Port 宽度为10W 及10S 中取最大值，高度为4h 及4G 中取最大值，底边为共面波导背面接地面下沿。为将电磁场限制在介质层中，本文在边界处刻蚀了贯穿通孔并电镀金，模型如图3 所示。

图3 共面波导边界模型图

其中共面波导上接地面宽度J 在1～4 倍介质层厚度的范围内时[7]，其特性阻抗会产生约2 Ω 的误差量，超出4 倍介质层厚度后趋于稳定；通孔宽度在接地面共面波导模型范围内存在约1 Ω 误差；通孔与槽线间距则对匹配的影响最大，当间距小于7 倍导体带宽度W 时，特性阻抗随频率降低，不同间距产生约2 Ω 误差，当间距大于7 倍导体带宽度W 时，特性阻抗产生约4 Ω 误差，且当频率达到50 GHz 时特性阻抗有明显上升。因此，通孔与共面波导槽线间距不可过宽，应与导体带宽度W相同，其变化曲线如图4 所示。

图4 特性阻抗随频率及通孔间距变化曲线图

本文通过以上步骤，完成了滤波器馈线的选型和尺寸确定。

1.3 滤波器小型化设计

完成馈线选型后，进行滤波器小型化设计。本文滤波器SIW 谐振腔中信号传输模式为TE模，其电磁场以共面波导传输方向为轴线，呈水平左右对称分布，轴线部位为SIW 谐振腔的电磁场等效磁壁[8]，而SIW 谐振腔在沿等效磁壁切割后，信号传输模式及其位置分布无明显变化，通过此种平面半模切割的方式，可以大大减小滤波器尺寸[9]。

微带输入输出结构在半模切割下，可以通过补足线宽，将端口恢复为50 Ω，而共面波导等转换馈线结构在半模切割下由共面波导转换成槽线结构形式，如图5 所示，此槽线结构形式通过槽线两侧金属导体，将通过的电磁场控制在槽线间进行传输，传输的不是传统TEM模或准TEM模，而是一种波导模[6]。

图5 共面波导切割后结构图

共面波导转换成槽线形式后，其特性阻抗通过查看其S 参数进行对比，其结果如图6 所示。

由图6 可知，进行等效磁壁半模切割之后，共面波导馈线结构插损和回波损耗有明显的优化。同时在垂直方向上进行堆叠[10]，将信号由单层水平传输转换为从下层介质层传输到上层介质层，并从上层介质层传输回下层介质层的耦合传输模式，进而缩短信号输入输出端口间的直线距离，使得滤波器尺寸进一步变小。双层半模基片集成波导滤波器结构如图7 所示。

图6 共面波导馈线结构半模切割前后曲线对比图

图7 双层半模基片集成波导结构图

1.4 滤波器双通带设计

在小型化的基础上，分析图7 所示结构电磁场分布可以得知，下层介质层中均匀分布有所需TE101模、TE102模、TE103模、TE104模4 种不同模式，其中TE101模及TE102模电场如图8 所示。

图8 下层介质层TE101模（左）TE102模（右）电场分布图

四种单一模式无法形成所需的双通带性能，且单一通带较窄，此时通过单双模式合并的方式进行通带展宽，由图8 可知，在半模谐振腔下边缘中间位置刻蚀通孔[11]，会对TE101 等单数模式产生高频搬移，而对TE102等双数模式并不会产生明显影响，借此将TE101模、TE102模合并为第一通带，TE103模、TE104模合并为第二通带，完成本文双通带基础设计，结构如图9 所示。

图9 双通带结构图

在完成双通带基础结构的基础上，分析上层介质层电磁场分布，其中TE101模及TE102模电场如图10 所示。

图10 上层介质层TE101模（上）TE102模（下）电场分布图

下层介质层谐振模式并不足以形成良好的宽带特性，本文通过在双层介质层间各模重合处刻蚀L 型槽线，形成耦合窗口，搭建上下介质层间电耦合通道，将下层介质层TE101模TE102模形成的第一通带与上层介质层TE101模进行合并，形成最终的第一通带，并将下层介质层TE103模TE104模形成的第二通带与上层介质层TE102模进行合并，形成最终的第二通带，其中上层介质层TE101模及TE102模分别在29 GHz 以及47 GHz处。进一步展宽了双通带带宽，最终结构如图11 所示。

图11 最终结构图

如图11 所示，本文设计结构所通过的信号经过下层介质层，首先形成所需TE101模、TE102模、TE103模、TE104模，然后通过刻蚀下边缘中间通孔合并TE101模、TE102模为第一通带，TE103模、TE104模合并为第二通带，完成双通带的构建，接着刻蚀L 型槽线，将上层介质层TE101模并入第一通带、TE102模并入第二通带，最终完成双通带展宽。

仿真曲线如图12 所示，滤波器第一通带中心频率为25.125 GHz，中心损耗为1.9 dB，3 dB 带宽大于7.75 GHz，相对带宽为30%，双通带间抑制大于20 dB，第二通带中心频率为45.25 GHz，中心损耗为1.7 dB，3 dB 带宽大于4.5 GHz，相对带宽为10%，芯片尺寸仅为4.2 mm×1.1 mm×0.8 mm。

图12 滤波器芯片HFSS 仿真结果图

1.5 同类文献对比

本文设计与同类文献对比结果如表1 所示。

表1 文献对比

2 结论

本文提出并设计了一款基于MEMS 的小型化双通带宽带滤波器芯片，分析了输入输出端口共面波导转换结构设计过程，在小型化的基础上，通过通孔及L 型槽线的形式很好地构建了双通带基础结构并完成各通带的展宽工作。最终设计了一款基于MEMS 工艺下的高频段、小尺寸、宽频带的双通带滤波器，芯片尺寸仅为4.2 mm×1.1 mm×0.8 mm。