大于3 GHz超寬帶FBAR濾波器結構設計與仿真

陳功田,謝若淵,孫 景,張 偉,楊 斌

(1.湖南大學 材料科學與工程學院,湖南 長沙 410082;2.中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶400060)

0 引言

移動通信的快速發展、傳輸速率的提高和信息容量的增大均促使通信載波頻率不斷往高頻段延伸、拓寬帶寬,因此,濾波器必須滿足超大帶寬、高陡降和高抑制的性能要求[1-2]。氮化鋁(AIN)薄膜具有較好的壓電性能和微機電系統(MEMS)芯片工藝兼容性,是當前制造薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器的核心壓電材料。但AlN壓電薄膜的機電耦合系數僅為6.5%,可實現的FBAR濾波器相對帶寬較窄,約為3.0%[3-5],難以滿足5G及新一代移動通信系統的帶寬需求[6]。本文通過外加諧振電路擴展諧振器的帶寬,在諧振器上外加電感,與體聲波諧振器形成新的串并聯諧振頻率,從而提高有效機電耦合系數,實現超寬帶化。本文采用1 nH串并聯電感作為仿真分析參考值,主要是考慮到芯片封裝鍵合線的射頻電感值約在1 nH,制作濾波器時無需額外增加電感元件[7]。該方法在電路制備技術上容易實現,也易于工程產業化。

1 FBAR濾波器設計與建模

1.1 諧振器電路模型參數提取

本文首先構筑典型的FBAR諧振器Mason電路模型,并根據所用材料的物理特性做電路仿真以獲得諧振器性能參數的基礎數據,再用獲得的性能參數作為超寬帶濾波器仿真設計的各等效電路基礎參數,建立諧振器的MBVD等效電路模型,再通過等效電路進行超寬帶化仿真設計[8-10]。圖1(a)為諧振器結構示意圖,諧振器有效諧振面積設定為5 000 μm2,各薄膜材料及具體尺寸如表1所示。圖1(b)是基于FBAR諧振器提取的參數建立的MBVD等效模型電路圖,圖中C0為靜態電容,Cm、Lm、Rm分別為動態電容、動態電感及損耗,Rs為電極損耗、R0為壓電薄膜的介電損耗,各等效元件參數如表2所示。

表1 FBAR各層薄膜材料以及尺寸

表2 FBAR等效元件參數

圖1 諧振器結構示意圖

圖2 FBAR的S21參數圖

圖3 MBVD電路封裝示意圖

圖4(a)是典型AlN壓電薄膜的梯形一階濾波器,圖4(b)是濾波器帶通特性曲線。由圖可知,FBAR中心頻率為6.5 GHz,-1 dB插入損耗帶寬182 MHz,有效帶寬2.8%。濾波器中諧振器的參數如表3所示。

表3 濾波器中諧振器參數

圖4 典型AlN薄膜梯形一階濾波器結構及S參數圖

1.2 串聯諧振器X1優化

圖5(a)是串聯諧振器的電路結構圖。由圖可知,當滿足LpCs=LmCm時,X1與LC電路的串聯諧振頻率相同,增強此頻率的濾波性能可確保整個頻率范圍僅有fs和fp兩個諧振頻率,保持了諧振器的諧振雙峰特性。

圖5 串聯諧振器的電路結構圖及S參數圖

1.3 并聯諧振器X2優化

圖6(a)是并聯諧振器的電路結構圖。由圖可知,當滿足LsCp=LmCmC0/(Cm+C0)時,X2與LC電路的并聯諧振頻率相同,保持了諧振雙峰諧振特性。

圖6 并聯諧振器的電路結構圖及S參數圖

1.4 濾波器性能

將上述優化后的諧振器參照圖7(a)組合成一階濾波器(見圖7(b)),其中心頻率為6.500 GHz,1 dB插入損耗范圍為5.011～7.661 GHz,帶寬達到2 651 MHz,有效帶寬為40.78%,此時所使用的電感均為1 nH。

圖7 組合一階濾波器結構圖及S參數圖

2 仿真結果分析

若優化調整Lp=0.8 nH,Ls=1.3 nH,濾波器帶寬獲得擴展且帶內更加平坦,如圖7(c)所示。由圖可見,中心頻率為6.500 GHz,1 dB插入損耗帶寬為4.430～8.380 GHz,帶寬達到3.950 GHz,有效帶寬為60.76%,這表明通過調整電感參數可調整實現濾波器的超寬帶。

未經帶寬拓展的典型一階濾波器中心頻率為6.500 GHz,帶寬僅有182 MHz,有效帶寬為2.8%,相較而言,拓展帶寬后的濾波器將帶寬擴展了約21.7倍,實現了AlN壓電薄膜FBAR濾波器的超寬帶。

為了實現超寬帶濾波器的商用價值,可將前面研制的一階濾波器級聯組合成多階超寬帶濾波器,如圖8(a)所示。由圖8(b)、(c)可見,中心頻率為6.500 GHz,1 dB插入損耗帶寬為4.430～9.265 GHz,帶寬達到4.835 GHz,有效帶寬為70.61%,帶內平坦,且在1～20 GHz寬頻域的倍頻程范圍內,帶外抑制優異。在濾波器的芯片制備中級聯和接地導體薄膜形成的分布電感電容,也可起到與鍵合線類似的作用。目前受到工藝及設備等條件制約,尚未能制備出樣品,但從采用壓電晶體諧振器做串并聯電路的實物樣品測試驗證來看,上述技術方案是可行的,在此本文不展開闡述。雖然引入了低品質因數(Q)值的電容電感元件,增加了插入損耗,但綜合考慮,其拓展帶寬具有更大意義。

圖8 級聯超寬帶濾波器結構圖及S參數圖

3 結束語

本文設計制作的濾波器中心頻率為6.5 GHz,-1 dB插入損耗帶通范圍為4.430～9.265 GHz,帶寬為4.835 GHz,相對帶寬為70.61%,將FBAR濾波器帶寬拓展到了3 GHz以上。該濾波器帶寬能良好地覆蓋5G n79和6G WiFi的整個工作頻段,展現出較好的應用前景。