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TechnicalFeature 技术特写

毫米波无源带通滤波器

Millimeter Wave Passive Bandpass Filters

Saurabh Chaturvedi, Mladen Božanic and Saurabh Sinha
University of Johannesburg, Johannesburg, South Africa
本文对毫米波无源带通滤波器进行了综合评述，并具体讨论了其不同的拓扑结构、
性能比较、设计难点以及工艺技术。无源带通滤波器具有高工作频率、高线性度、低噪声
系数和零功率损耗等优点。要实现高性能毫米波电路，需对现有工艺技术进行充分考量。
III-V族化合物砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）工艺能够实现拥有高截止频率、良好噪声
性能的高品质片式无源器件。互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的最大优势在于成本
低而集成度及可靠性皆高。同时，硅锗双极互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）工艺
则代表了高截止频率、高集成度，其产品噪声和功率性能也更优。

电 磁频谱中，毫米波段的频率在30GHz到 活性和集成度等因素的考虑，毫米波段的应用中
300GHz之间，其对应自由空间的波长属毫
会更多选择单片集成电路，而非混合集成电路。
米级（1-10mm）。介于60GHz左右的频段在全 片外带通滤波器因为体积又大、成本又高，不适
球范围都能免许可使用，在实现每秒几千兆位 用于现今高速无线收发设备。去除了片外组件
的高速无线数据传输方面，毫米波段的应用前 后，系统的体积和成本均得以降低；因此，针对
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景十分可观 。随着通信技术的不断发展，无线 这些组件进行芯片化设计的技术革新是实现新一
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通信系统的工作频率也正日益迅速提高。毫米 代通信系统的主要推进力 。
波收发器的研发成功，把通过无线局域网、无 带通滤波器可分为三类：纯有源、纯无源
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线家庭网络及无线个域网来实现高速信息传输 及有源（有源+无源或半无源） 。纯有源带通滤
变为了可能。 波器的最大优势就在于体积小巧，但其工作频
在这些通信系统中，滤波器是一种重要 率较低、线性度也差、噪声系数和功耗都高。
的前端组件，用于选取特定频率的信号。它们 而纯无源带通滤波器能处理高频、线性度佳、
的电响应情况对系统整体性能而言至关重要。 噪声系数低、且功耗为零，但同时它需要大块
带通滤波器允许通带内频段的信号通过，并有 硅基。有源带通滤波器的特点是工作频率为中
效滤除不需要的带外频段信号。在射频接收器 频、低线性度、高噪声系数以及中等功耗，所
中，带通滤波器位于天线和低噪声放大器之 需的硅基面积较无源滤波器而言要小。表1总结
间，如图1所示。 了三种带通滤波器的特征。
为了提高射频接收器的性能，带通滤波器 射频滤波器的制造技术通常有单片微波集
需要满足以下条件：体积小、品质因数（Q值） 成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷（LTCC）和
高、噪声系数低、插入损耗低、回波损耗高、选 印制电路板（PCB）。多种不同的制备工艺都被
择性优、带外抑制（阻带抑制）高。通常来说， 广为采用，包括硅微机电系统（Si MEMS）、
系统可分为两大类型：片式系统（SOC）以及封 GaAs、GaAs MEMS、硅苯并环丁烯（Si
装式系统（SOP）。SOC中，一个完整系统的所 BCB）、硅锗合金（SiGe）、集成无源器件
有功能，包括数字、模拟、射频和其它部分，全 （IPD）、液晶聚合物（LCP）和CMOS。
都被汇聚到一个集成电路里。SOP作为系统级的 基于III-V族化合物GaAs和InP的工艺要优于
封装，包括了数个集成电路来实现整体系统功 CMOS工艺，前者击穿电压及电子迁移率更高、
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能。基于成本、体积、可靠性、重现性、设计灵 无源器件品质好 。III-V族半导体技术能实现截
Antenna
表1 带通滤波器的特性
Mixer 滤波器类型 工作频率 线性度 噪声系数 功耗 面积
Image 纯有源 低 差 高 高 小
Bandpass Reject RF IF
Filter LNA Filter 纯无源 高 好 低 0 大
有源 中 差 高 中 大，
LO (有源+无源) 但小于无源
图1：带通滤波器常用于射频接收器的前端。

46 Microwave Journal China 微波杂志 Jan/Feb 2017