近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、电子科学与工程学院、集成光电子全国重点实验室吉林大学实验区科研团队在IEEE Electron Device Letters上发表题为“Miniaturized On-chip Bandpass Filter With Multi-Transmission Zeros Using Interwound Winding Transformer”的研究工作。该工作提出了一种面向5G应用的小型化片上带通滤波器。利用交叉互绕变压器之间的电磁耦合，该滤波器实现了多个带外传输零点的产生，同时实现了器件的小型化，适用于高度集成化现代无线通信系统（图一）。

图一：小型化片上带通滤波器的3D版图及等效电路原理图

现代无线通信技术的快速发展推动射频前端模块向高度集成化演进。片上带通滤波器作为信号频率选择的核心器件面临多维挑战：在物理设计层面，需突破传统的互补金属氧化物半导体、硅锗、砷化镓、玻璃及高阻硅等工艺的高成本限制，并应对系统级封装带来的严苛空间约束。现有三维电感、堆叠电感结构等小型化方案虽能提升空间利用率，但多层加工复杂度与成本问题显著；在频率响应层面，频率选择性和带外抑制性能依赖带外传输零点的数量，传统的增加传输路径或元件级联方法虽可提升性能，却导致电路复杂度与面积同步增长，形成“性能-成本-面积”的三角矛盾。因此，如何在工艺可行性、成本控制与频率响应间实现多目标平衡，已成为当前片上带通滤波器研发的重点研究方向。

该研究提出了一种面向5G应用的小型化片上带通滤波器，该滤波器由两个对称的LC环形谐振器构成，两个环形谐振器之间使用交叉互绕变压器进行连接。该滤波器的S参数响应分析表明，该滤波器利用交叉互绕变压器之间的电耦合所产生的耦合电容实现了多个带外传输零点，从而显著提升了滤波器的带外抑制性能和滚降特性（图二）。

图二：小型化片上带通滤波器有无耦合电容C_c的S参数示意图

为探究交叉互绕变压器核心参数（耦合系数k与耦合电容C_c）对滤波器性能的影响，本研究开展了不同设计条件下（RL = 20 dB, FBW = 20%; RL = 15 dB, FBW = 20%; RL = 20 dB, FBW = 30%）滤波器的带外抑制水平SR的变化曲线。分析结果表明，随着k和C_c的减小，SR有增大的趋势；随着RL的减小，k和C_c都须减小以保持相同的SR。反之，随着FBW的增加，需要更高的k和C_c值来实现相同的SR。综上所述，在k与C_c的可实现范围以及滤波器的性能之间权衡之后，为了实现更好的RL和SR性能，优选更窄的滤波器带宽（图三）。

图三：带外抑制水平SR分别在不同设计条件下随k与C_c的变化曲线

通过所提出的算法对不同指标的滤波器进行设计得到了S参数电路仿真结果。结果表明，该滤波器可以实现对带宽、带内波纹高度以及阻带抑制的独立控制（图四）。

图四：不同设计指标的滤波器S参数电路仿真结果

此外，通过对电路多余设计自由度L₃的控制，可以实现对高频带外抑制性能的灵活调控。当保持通滤波器设计指标不变的情况下，通过将L₃由0.3 nH增加到0.4 nH，可使20 dB以上的高频带外衰减从31 GHz增加到43 GHz（图五）。

图五：高频带外抑制增强的S参数电路仿真结果

为验证所提出的带通滤波器设计，选取带内波纹高度以及带外抑制同为20 dB，带宽为20%的设计指标进行电路设计，并且进行了电磁仿真与优化，最终基于GaAs基IPD工艺进行了流片并测试。仿真测试结果显示，仿真与实测结果吻合良好，所设计的片上带通滤波器尺寸仅为0.94 mm × 0.41 mm（0.016λ₀× 0.007λ₀），适用于高度集成化的现代无线通信系统。

图六：滤波器S参数仿真与测试结果及实物照片

相关的研究成果近期发表在IEEE Electron Device Lett.上，文章第一作者为吉林大学博士研究生徐畅，通讯作者为吉林大学王小龙教授和哈尔滨工业大学王琮教授。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省重点研发计划和山东省自然科学基金等项目的支持。

全文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10918674