超宽带四通道开关滤波器的设计

张 斌 李 磊 王元源 马云柱 张国强 潘龙飞

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在射频/微波系统中需要把信号频谱进行恰当的分离，完成这一功能的部件就是滤波器。电磁波频谱是有限的，需要按照应用加以分配，而滤波器不但可以用来限定大功率发射机在规定频段内辐射，反过来还能够用来抑制接收机工作频段外的干扰[1]。

在微波电路设计中，通常放大器的二次谐波抑制只有20 dBc左右，为了满足特定的谐波抑制指标，必须额外增加滤波器抑制谐波。当放大电路工作频带超过1个倍频程时,通带低频点的二次谐波就会落在工作带宽以内，此时不得不采用分段滤波的方式来保证宽带范围内的谐波抑制[2]。由此就产生了开关滤波器。

随着半导体技术的快速发展，以化合物半导体GaAs为衬底的，单片微波集成电路(MMIC)是当今高集成度、小型化、低成本和多功能设计的主要研究方向[3]。本设计以实际项目需求为背景，基于国内某代工厂的GaAs ED工艺线，设计并流片完成了一款6GHz～20GHz的四通道开关滤波器芯片。

1 开关滤波器的基本组成

开关滤波器的组成如图1所示，由输入/输出端两个单刀四掷开关(SP4T)、四个不同频段的带通滤波器组成，集成在以GaAs为衬底的芯片上。理想的带通滤波器应该有一个完全平坦的通带，并且在通带内没有放大或者衰减，同时在通带以外的所有频率完全被衰减掉[4]。本次设计的开关滤波器四个通带频段分别为6GHz～9.6GHz、9GHz～12.6GHz、11.8GHz～15.6GHz和14.6 GHz～20GHz。

图1 开关滤波器的结构组成

开关元件主要采用GaAs场效应管(FET)。 FET晶体管的通断是由栅偏置电压控制的，控制电压为-5V～0V。通过同时切换输入/输出端两个单刀四掷开关(SP4T)，从而实现通道选通滤波。

2 开关滤波器的设计优化

2.1 开关设计

本设计中开关电路由GaAs场效应管(FET)搭配微带线、电感等无源器件构成。FET管作为一个多端口器件，可以通过控制栅极偏置电压的大小来改变源极与漏极间的电阻。开关器件的寄生效应限制着开关的高频性能。GaAs FET的栅极控制电压为-5V～0V，即当栅压为-5V时，可以将其等效为一个电容和一个大电阻的并联；而当栅压为0V时，可以将其等效为一个小电阻，如图2所示[5]。开关元件直接影响了开关滤波器的端口回波损耗。

图2 FET管等效模型

图3所示为单刀四掷开关的基本拓扑，每条支路均采用一串一并的结构，四路相互独立。通过控制FET管的栅极电压，实现通道的开启关断状态的切换。

图3 单刀四掷开关结构拓扑

2.2 滤波器设计

本文使用ADS软件设计的开关滤波器。ADS(Advanced Design System)是由Keysight 公司推出的一款EDA软件，可以加载晶圆代工厂提供的工艺设计包(Process Design Kit,PDK)，调用PDK中的各种有源和无源器件模型进行电磁仿真[6]。

从实现方法来看，带通滤波器设计方式分为分布参数方式和集总参数方式。分布参数带通滤波器常见的结构有梳状型、交指型、发卡型等，适用于窄带滤波器。集总式滤波器是由LC组成的滤波器，具有频带宽、尺寸小、无寄生通带、设计灵活等优点。本次设计的开关滤波器采用的是LC集总式带通滤波器。

带通滤波器可以由低通滤波器和高通滤波器的组合产生。通滤波器有多种形式，如巴特沃思(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、椭圆函数(Elliptic Function) 滤波器等。以巴特沃思滤波器为例，如图4所示，是典型的巴特沃思LC低通滤波器拓扑原型。巴特沃思低通滤波器特性曲线如图5所示。

图4 LC低通滤波器原型

图5 Butterworth低通滤波器特性曲线

巴特沃思低通滤波器的频率响应可表示为

其中，n为滤波器阶数，ωc为滤波器截止频率外损耗降低3dB的频率，ωp为滤波器通带截止频率，ε是调节带内波纹幅度的函数。

高通滤波器与低通滤波器频率特性相反。高通滤波器允许高于截止频率的信号通过，并抑制低于截止频率信号的一种滤波器。如图6所示，是典型的LC高通滤波器拓扑结构。LC高通滤波器频率特性曲线如图7所示。

图6 LC高通滤波器原型

图7 Butterworth高通滤波器特性曲线

带通滤波器融合了低通和高通滤波器的频率特性，只允许特定频段的信号传输，并同时抑制高于和低于这一频段的信号。带通滤波器的拓扑原型如图8所示。

图8 LC带通滤波器原型

本文设计的四个带通滤波器指标分别为：

1) 中心频率7.5GHz，带宽3GHz，带内插损小于3dB，端口回波损耗大于15dB，在频率5.5GHz和10.5GHz处带外衰减大于40dB；

2) 中心频率10.5GHz，带宽3GHz，带内插损小于3dB，端口回波损耗大于15dB，在频率7.5GHz和13.5GHz处带外衰减大于40dB；

3) 中心频率13.5GHz，带宽3GHz，带内插损小于3dB，端口回波损耗大于15dB，在频率10.5GHz和16.5GHz处带外衰减大于40dB；

4) 中心频率17.5GHz，带宽5GHz，带内插损小于3dB，端口回波损耗大于15dB，在频率13GHz和22GHz处带外衰减大于40dB。

传统的滤波器设计方法需要根据预设指标查表确定滤波器的级数和参数。本文使用ADS软件中滤波器设计向导工具(如图9所示)，根据预设值就可以确定滤波器的初始结构参数，再考虑器件的可实现性，综合优化[7]。

图9 滤波器设计向导

2.3 开关滤波器芯片设计仿真

根据GaAs ED工艺设计规则，将四个带通滤波器通过两组单刀四掷开关并联搭建，组成开关滤波器整版电路，如图10所示。为了得到较为准确的仿真数据，需要对电路版图进行Momentum仿真。Momentum是ADS软件中一种对3D进行简化的2.5D电磁场仿真器，是MMIC设计中最为实用的仿真工具[8]。

图10 开关滤波器

3 开关滤波器的测试结果

芯片流片是基于国内某代工厂的0.25μm GaAs ED产线完成的。芯片实物如图11所示,尺寸为3.2mm×2.4mm×0.1mm 。

图11 芯片实物

芯片采用在片测试，微波测试系统主要由Cascade Microtech探针台和PNA-XN5244A矢量网络分析仪组成[9]。芯片测试结果如图12所示，可以看出：在通道1中，通带6GHz ～9.6GHz内插入损耗≤10dB，回波损耗≥15dB, 其在带外远端抑制达到了40dB ；在通道2中，通带9GHz ～12.6GHz内插入损耗≤10dB，回波损耗≥18dB, 其在带外远端抑制达到了40dB；在通道3中，通带11.8GHz ～15.6GHz内插入损耗≤10dB，回波损耗≥15dB, 其在带外远端抑制达到了40dB；在通道4中，通带14.6GHz ～20GHz内插入损耗≤10dB，回波损耗≥14dB, 其在带外远端抑制达到了40dB。

图12 开关滤波器实测结果

4 结束语

通过对开关和滤波器的理论分析，基于的GaAs 0.25μm ED工艺，借助ADS仿真软件成功设计了一款6GHz～20GHz的四通道开关滤波器芯片。该设计芯片尺寸仅为3.2mm×2.4mm×0.1mm，可以提高宽带通信系统的集成度，降低系统设计成本，具有较高的实用价值。目前国内尚未有同频段四通道开关滤波器芯片。