一種雙通帶FBAR濾波器設計方法

陶有歡，王 璽，蔣明眼，周立國，寧宏偉

(1.重慶郵電大學 光電工程學院, 重慶400065；2.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060；3.西北工業大學 微電子學院，陜西 西安710072；4.四創電子股份有限公司，安徽 合肥230093)

0 引言

隨著通信技術發展，無線通信收發機對濾波器的要求迅速提升。雙通帶、多通帶濾波器作為多頻多模通信系統(如頻率選擇的硬件門禁[1]、多頻WiFi系統[2]等)中的關鍵器件，近些年已有大量學者對其進行研究。濾波器實現形式主要有基于微帶[3]、金屬同軸腔[4]及低溫共燒陶瓷(LTCC)[5]等。聲學濾波器(如聲表面波(SAW)、薄膜體聲波諧振器(FBAR)等)具有尺寸小,損耗低及抑制陡峭等特點[6]，在射頻系統中應用較廣，但是基于此類的雙通帶濾波器研究較少。2020年，王勝福等[7]基于FBAR濾波器研制了一款S波段的雙通道薄膜聲波諧振器，用到了雙工器的高通和低通匹配電路，采用微波混合工藝設計了雙通道濾波器。同年，彭雄等[8]基于耦合模(COM)模型精確提取了不同工作頻段濾波器的COM參數，通過搭建聲電協同仿真平臺，實現了雙通帶SAW濾波器的設計。

目前基于FBAR的雙通帶濾波器的研究較少，本文充分利用FBAR單通帶濾波器的高選擇性和低插入損耗的優點，通過微帶線雙路枝節的阻抗變換，集成了工作頻帶相差較大的兩路濾波器，實現了雙頻帶極小損耗的匹配。最終設計了一種自適應的雙通帶濾波器組，工作通帶頻率分別為2 492 MHz和6 000 MHz，并且為雙通帶濾波器的設計提供了有效的思路。

1 濾波器設計

1.1 雙通帶濾波器的設計

1.1.1 雙通帶FBAR濾波器設計思路

本文的雙通帶濾波器設計思路為：在濾波器1的工作頻帶中，設置濾波器2支路端等效為開路狀態；在濾波器2的工作頻帶中，設置濾波器1支路等效為開路狀態。通過兩個并行匹配的通帶濾波器設計方法能夠保證濾波器阻帶頻率的帶外高抑制及帶內低插損性能。

1.1.2 電路拓撲結構實現

設計中,優化雙通帶濾波元件值應滿足濾波器1(中心頻率f01= 2 492 MHz)和濾波器2(中心頻率f02= 6 000 MHz)的阻抗匹配，實現帶內最大功率傳輸。

雙通帶濾波器的插入損耗小于5 dB，帶內駐波比小于2，阻帶衰減大于20 dBc。

利用映像參數法設計帶通濾波器匹配網絡，基于低通、高通濾波器匹配設計的原理，通過增加元器件的數目和頻率等效變換，實現單個通帶的匹配設計[9]。以此為基礎，通過增加通帶的數目，可將該匹配方法推廣到雙通帶或多通帶濾波器的設計中。在帶通濾波器匹配枝節的設計中，一個諧振單元由兩個LC串聯或并聯組成，其中一個LC串聯或并聯組合對應一個通帶單極點，如圖1所示。圖1(a)中，LP1為并聯電感，CP1為并聯電容，LS1為串聯電感，CS1為串聯電容。圖1(b)中，LS′1為串聯電感,CS′1為串聯電容，LP′1為并聯電感，CP′1為并聯電容。

圖1 LC帶通枝節

基于以上方法，本文采用圖1(a)的枝節設計了輸入和輸出端對稱映像匹配電路的雙通帶濾波，并根據濾波器的通帶帶寬、傳輸零點頻率和阻抗值來計算各元件的值，此設計的綜合頻率響應Hs(f)為兩子通帶的頻率響應之和：

Hs(f)=Ha(f)+Hb(f)

(1)

式中：Ha(f)為濾波器1對應的通帶頻率響應；Hb(f)為濾波器2對應的通帶頻率響應。

設中心頻率f01= 2 492 MHz的帶通濾波器輸入和輸出兩端阻抗為R0，3 dB截止頻寬為BW1=fH1-fL1，則通帶枝節各元器件值：

(2)

(3)

(4)

(5)

在實際微帶電路計算中，網絡的結構特點決定了傳輸函數的零點和極點，依據枝節匹配原則進行設計，從裸芯片FBAR1輸出阻抗Zout1和裸芯片FBAR2輸出阻抗Zout2的輸出端開始匹配電路，實現兩個濾波器的并聯，搭建的原理圖如圖2所示。

圖2 雙通帶濾波電路拓撲圖

本文采用濾波器1、2的實測提取S2P文件參數S11、S21(S11為輸入反射系數，S21為插入損耗)。濾波器1的通帶內測量值：S11≤-41.6 dB，S21≤-1.2 dB；濾波器2的通帶內測量值：S11≤-18.4 dB，S21≤-2.5 dB，運用Smith圓圖匹配網絡對電路進行匹配，文獻[10]推導了兩通帶端口應滿足的輸入阻抗的關系為

(6)

(7)

式中：Zs為源阻抗；Γm為所要求通帶的最大反射系數；Zin1(f02)表示當前頻率f02的濾波器1端口的輸入阻抗；Zin2(f01) 為當前頻率f01的濾波器2端口的輸入阻抗；Γ1(f01)，Γ2(f02)分別為單獨兩個通帶的濾波器的反射系數，Γ1(f01)、Γ2(f02)均小于Γm。若兩個通帶的參數不滿足式(6)、(7)，需要調整電路結構或元件值。

使用仿真軟件對電容和電感值進行優化，得到原理電路仿真結果，如圖3所示。

圖3 電路圖仿真結果

1.2 濾波器微帶設計實現

1.2.1 微帶變換

在微波高頻電路中通過Kuroda變換法則，將雙通帶FBAR濾波器原理電路拓撲轉換為分布式參數電路，在微波電路中大多數以50 Ω的微帶線取代一般的導線來連接元器件，防止反射和匹配不當而引起的損耗。由于受基板介質影響，印制電路板(PCB)基板的信號波長(λ)需根據微帶線參數重新計算信號實際工作波長(λeff)。本文中并聯電容用微帶交指電容(MCAP1)替換，串聯電容用微帶開口端(MLEF)替換，模擬導體損耗和介質損耗等更準確，電感設計為多曲折電感，對電容、電感元件對應的微帶長度和寬度進行優化設計。

串聯電感LS和電容CS的微帶長度lLS、lCS計算式為

(8)

(9)

式中Z0為工作頻段下的特性阻抗。并聯電感和電容微帶線長度計算與lLS、lCS的微帶線長度計算相同。根據實際電路不同設計的參數有偏差，但微帶線長度不易過長，應小于λeff/4。濾波器1輸入端微帶線電路如圖4所示。圖中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分別為LP1和CP1等效微帶線的長度和寬度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分別為LS1和CS1等效微帶線的長度和寬度。對于濾波器2輸入端同理可設：lLP2、lCP2、wLP2、wCP2分別為LP2和CP2等效微帶線的長度和寬度；lLS2、lCS2、wLS2、wCS2分別為LS2和CS2等效微帶線的長度和寬度，wCuri為曲線微帶Curi的寬度(i=1,2,3,…)。

圖4 濾波器1輸入微帶線

1.2.2 微帶支路參數

基于圖4所示電路，在輸入端設置lLS1=12.9 mm(即λ01/4，λ01為f01= 2 492 MHz對應波長)，實現頻點諧振。同時，為了獲得陡峭的阻帶衰減，使得兩個傳輸零點分別靠近截止頻率，使lLP1= 1.6 mm，FBAR1對應支路的其他參數：wCur1=wCur2=wLP1=0.16 mm，wCur3=wCP1=0.16 mm，lCP1=1.2 mm，wLS1=0.31 mm，wCur4=wCS1=1.1 mm，lCS1=5.46 mm。其中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分別為并聯電感LP1和并聯電容CP1等效微帶線的長度和寬度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分別為串聯電感LS1和串聯電容CS1等效微帶線的長度和寬度。同理，FBAR2對應支路的其他參數：wLP2=0.67 mm，lLP2=14.9 mm，wCur6=wCP2=0.21 mm，lCP2=5.1 mm，wLS2=0.74 mm，lLS2=10.5 mm，wCur7=wCS2=6.2 mm，lCS2=6.57 mm。本文采用輸入輸出對稱的結構，輸出部分的電路尺寸參數與輸入部分的一致。

2 濾波器加工與測試

2.1 雙通帶FBAR濾波器的實現

根據選取濾波器的中心頻率和插入損耗等指標采用工程上容易實現的材料，同時，濾波器的通帶特性與所選基材特性有關，基材的選取將影響其溫度系數、頻率范圍及插入損耗等。本文選用厚度為0.508 mm的Rogers RO4350B(相對介電常數為3.66)高頻板材作為基板，最終設計的濾波器尺寸為78.1 mm×84.4 mm。雙通帶FBAR濾波器的實物圖如圖5所示。輸入和輸出端口分別焊接射頻同軸連接器(SMA)，再將兩個不同頻點的FBAR濾波器裸芯片焊接在對應的支路上。如果采用IPD等工藝技術，可以在與單支FABR濾波器尺寸幾乎相當的面積內實現整個雙通帶濾波器的設計。

圖5 濾波器實物圖

2.2 測試結果及分析

本文實物使用矢量網絡分析儀N5242A對其進行測試，圖6為測試結果與仿真結果的對比圖。由圖可知，濾波器的寄生頻率、交趾電容和微帶電感的諧振將使截止區的衰減度惡化。

圖6 雙通帶濾波器仿真與測試對比

由圖6(a)可見，雙通帶濾波器的較低通帶對應的范圍為2.45～2.52 GHz，帶內損耗為3.29 dB，阻帶抑制優于-30 dB，其輸入端口的反射系數為-13.18 dB，在2.44 GHz和2.54 GHz處各有一個傳輸零點，該帶通有較好的濾波效果，仿真結果與單支濾波器實測曲線吻合較好。由圖6(b)可見，較高通帶對應的范圍為5.95～6.04 GHz, 帶內損耗為4.91 dB，阻帶抑制優于-25 dB，其輸入端口的反射系數為-10.82 dB，在5.88 GHz和6.15 GHz處各有一個傳輸零點，該通帶實測與仿真結果對比稍差，可能與實際制作過程中加工精度局限性、焊接SMA接頭引起的寄生效應誤差、介質材料誤差等導致電感的品質因數出現惡化有關。

圖6表明，本文設計的雙通帶濾波器，性能基本達到設計指標，高頻部分誤差較大的情況可通過如下方法改進：將對稱結構換為非對稱結構電路或改變匹配電路結構,并適當調節微帶電感或微帶電容值，阻抗匹配分為帶內最大功率傳輸匹配和最小噪聲系數匹配，可取二者均衡的匹配來改善濾波器外圍電路，達到降低損耗的目的。

3 結束語

本文從一般帶通濾波器設計和電路匹配原理出發，設計了一種阻抗匹配的雙通帶FBAR濾波器組，并且避免了采用功率合成匹配時引入較大損耗的弊端，詳細分析了本設計的電路拓撲結構和對應參數微帶變換的原理過程。因為板材受到介質損耗、導體損耗及輻射損耗等因素的影響，與理想模型相比，雙通帶微帶濾波器電路的仿真有一定程度的惡化，但是基本能夠保證濾波器本身的性能。實物測試結果出現誤差，與工藝加工精度、匹配偏差等因素有關。本文設計方法為FBAR濾波器的多頻段設計提供了一定的參考意義。