北斗衛星導航系統體聲波濾波器設計

王帥++徐凌偉

摘 要：隨著無線通訊市場對微型化通信設備需求的增長，普通的聲表面波濾波器已經無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩定性的體聲波濾波器應運而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎上設計出了適用于北斗B1頻點的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號的干擾。

關鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導航系統

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A

隨著無線通信技術的發展，通信設備對頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時，隨著通信電子類產品微型化、集成化的發展趨勢，傳統濾波器濾的應用已受到體積的制約。作為曾經大規模應用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導體襯底集成，制約了通訊產品的微型化進程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領美國雙工器市場，FBAR成為濾波器行業性的熱點。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對電極層、壓電層、襯底層進行建模和聯合仿真。成功設計出適用于北斗二代衛星導航系統B1頻點的前端濾波器。通過對襯底厚度和串并聯單元數進行優化，最終得到的仿真結果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設計要求。

1 FBAR諧振器結構與工作原理

FBAR諧振器整體結構一般有膜安裝方式（MMR）、固態安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規模生產。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對象。

圖1是空氣隙型濾波器結構圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術形成空氣隙。

對于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場的角頻率；為壓電層的介質電容；為壓電材料的機電耦合系數，其數值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數、彈性強度和介電常數。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時的歸一化聲學阻抗；為從壓電層下表面向下看時的歸一化聲學阻抗，表示壓電層的厚度。

對于北斗衛星導航系統，其B1頻點為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點，通過調整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯諧振器的串聯諧振頻率落在L1頻段；同時為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點附近，需要在允許的范圍內減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對FBAR濾波器的建模可以基于聲學層和電學層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對各層參數進行調整，本文對各層建立了Mason模型，采用一維聲學壓電方程對各層進行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發生全反射，因此對各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進行串聯，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學接口，可以采用散射參數對系統進行測量。

采用雙端口網絡仿真時，系統的S參數與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數。為電學層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設計對快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進行多級仿真。同時對于這種連接方式，并通過增加串并聯單元數量提高濾波器性能。根據濾波器中心頻率，可以計算出串、并聯諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結構參數，如表1所示。

圖4為三級濾波器串聯獲得的S參數仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號的干擾。

結語

本文以性能優異的AlN材料為基礎，通過ADS仿真設計出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時在制備的過程中應注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產成品能夠達到預期效果。

參考文獻

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint

摘 要：隨著無線通訊市場對微型化通信設備需求的增長，普通的聲表面波濾波器已經無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩定性的體聲波濾波器應運而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎上設計出了適用于北斗B1頻點的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號的干擾。

關鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導航系統

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A

隨著無線通信技術的發展，通信設備對頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時，隨著通信電子類產品微型化、集成化的發展趨勢，傳統濾波器濾的應用已受到體積的制約。作為曾經大規模應用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導體襯底集成，制約了通訊產品的微型化進程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領美國雙工器市場，FBAR成為濾波器行業性的熱點。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對電極層、壓電層、襯底層進行建模和聯合仿真。成功設計出適用于北斗二代衛星導航系統B1頻點的前端濾波器。通過對襯底厚度和串并聯單元數進行優化，最終得到的仿真結果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設計要求。

1 FBAR諧振器結構與工作原理

FBAR諧振器整體結構一般有膜安裝方式（MMR）、固態安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規模生產。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對象。

圖1是空氣隙型濾波器結構圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術形成空氣隙。

對于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場的角頻率；為壓電層的介質電容；為壓電材料的機電耦合系數，其數值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數、彈性強度和介電常數。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時的歸一化聲學阻抗；為從壓電層下表面向下看時的歸一化聲學阻抗，表示壓電層的厚度。

對于北斗衛星導航系統，其B1頻點為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點，通過調整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯諧振器的串聯諧振頻率落在L1頻段；同時為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點附近，需要在允許的范圍內減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對FBAR濾波器的建模可以基于聲學層和電學層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對各層參數進行調整，本文對各層建立了Mason模型，采用一維聲學壓電方程對各層進行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發生全反射，因此對各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進行串聯，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學接口，可以采用散射參數對系統進行測量。

采用雙端口網絡仿真時，系統的S參數與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數。為電學層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設計對快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進行多級仿真。同時對于這種連接方式，并通過增加串并聯單元數量提高濾波器性能。根據濾波器中心頻率，可以計算出串、并聯諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結構參數，如表1所示。

圖4為三級濾波器串聯獲得的S參數仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號的干擾。

結語

本文以性能優異的AlN材料為基礎，通過ADS仿真設計出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時在制備的過程中應注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產成品能夠達到預期效果。

參考文獻

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint

摘 要：隨著無線通訊市場對微型化通信設備需求的增長，普通的聲表面波濾波器已經無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩定性的體聲波濾波器應運而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎上設計出了適用于北斗B1頻點的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號的干擾。

關鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導航系統

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A

隨著無線通信技術的發展，通信設備對頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時，隨著通信電子類產品微型化、集成化的發展趨勢，傳統濾波器濾的應用已受到體積的制約。作為曾經大規模應用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導體襯底集成，制約了通訊產品的微型化進程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領美國雙工器市場，FBAR成為濾波器行業性的熱點。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對電極層、壓電層、襯底層進行建模和聯合仿真。成功設計出適用于北斗二代衛星導航系統B1頻點的前端濾波器。通過對襯底厚度和串并聯單元數進行優化，最終得到的仿真結果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設計要求。

1 FBAR諧振器結構與工作原理

FBAR諧振器整體結構一般有膜安裝方式（MMR）、固態安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規模生產。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對象。

圖1是空氣隙型濾波器結構圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術形成空氣隙。

對于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場的角頻率；為壓電層的介質電容；為壓電材料的機電耦合系數，其數值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數、彈性強度和介電常數。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時的歸一化聲學阻抗；為從壓電層下表面向下看時的歸一化聲學阻抗，表示壓電層的厚度。

對于北斗衛星導航系統，其B1頻點為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點，通過調整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯諧振器的串聯諧振頻率落在L1頻段；同時為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點附近，需要在允許的范圍內減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對FBAR濾波器的建模可以基于聲學層和電學層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對各層參數進行調整，本文對各層建立了Mason模型，采用一維聲學壓電方程對各層進行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發生全反射，因此對各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進行串聯，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學接口，可以采用散射參數對系統進行測量。

采用雙端口網絡仿真時，系統的S參數與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數。為電學層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設計對快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進行多級仿真。同時對于這種連接方式，并通過增加串并聯單元數量提高濾波器性能。根據濾波器中心頻率，可以計算出串、并聯諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結構參數，如表1所示。

圖4為三級濾波器串聯獲得的S參數仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號的干擾。

結語

本文以性能優異的AlN材料為基礎，通過ADS仿真設計出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時在制備的過程中應注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產成品能夠達到預期效果。

參考文獻

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint