北斗卫星导航系统体声波滤波器设计

王帅++徐凌伟

摘 要：随着无线通讯市场对微型化通信设备需求的增长，普通的声表面波滤波器已经无法满足集成化需求，一种具有更高谐振频率和稳定性的体声波滤波器应运而生。本文以薄膜体声波滤波器为模型，在ADS仿真基础上设计出了适用于北斗B1频点的窄带滤波器。滤波器频带范围为1550Mhz～1570Mhz，带外抑制48.8dB，插损3.1dB可以有效屏蔽GPS L1频段信号的干扰。

关键词：体声波滤波器；氮化铝材料；梅森模型；北斗导航系统

中图分类号：TU85 文献标识码：A

随着无线通信技术的发展，通信设备对频带的需求日益激增，宽频带通信已经逐渐被碎片化的窄带通信所代替，较小的带宽对滤波器的漂移和滚降提出了更高的要求。同时，随着通信电子类产品微型化、集成化的发展趋势，传统滤波器滤的应用已受到体积的制约。作为曾经大规模应用的声表面波滤波器，其制作工艺和材料决定了它功率低且无法与半导体衬底集成，制约了通讯产品的微型化进程。薄膜体声波谐振器（FBAR）自1965年研制成功以来，它的高频率、高功率容量、低功耗与微型化的体积逐渐受到人们的关注。2000年，安捷伦公司研制成功基于AlN的FBAR双工器，一举占领美国双工器市场，FBAR成为滤波器行业性的热点。

本文采用AlN薄膜为主要材料。通过ADS仿真软件对电极层、压电层、衬底层进行建模和联合仿真。成功设计出适用于北斗二代卫星导航系统B1频点的前端滤波器。通过对衬底厚度和串并联单元数进行优化，最终得到的仿真结果为频带范围1550MHz～1570MHz，带外抑制60dB，插损4.3dB，满足的既定的设计要求。

1 FBAR谐振器结构与工作原理

FBAR谐振器整体结构一般有膜安装方式（MMR）、固态安装方式（SMR）与空气隙安装方式（AGR）。膜安装方式谐振器通过腐蚀底层衬底层形成，材料利用率低，同时压电材料与衬底接触面积小，因此容易脱落。固态安装方式谐振器采用布拉格反射层形成，其接触面积在三者之中最大，但制作周期同样较大，不利于大规模生产。空气隙安装方式的性能与成本介于两者之间。综合考虑，本文采用空气隙型滤波器作为仿真对象。

图1是空气隙型滤波器结构图，它由上下电极层、压电层、支撑层、Si衬底层组成，在支撑层与Si衬底层之间通过刻蚀技术形成空气隙。

对于压电材料，我们可以通过一维梅森公式建立其等效模型。对于压电层的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中为电场的角频率；为压电层的介质电容；为压电材料的机电耦合系数，其数值的大小决定了滤波器的带宽，、和分别代表压电材料的压电系数、弹性强度和介电常数。为压电薄膜的波矢量，代表压电层密度。为从压电层上表面向上看时的归一化声学阻抗；为从压电层下表面向下看时的归一化声学阻抗，表示压电层的厚度。

对于北斗卫星导航系统，其B1频点为1561.098Mhz，而与之临近的GPS的L1频段为1575.42MHz，频点相距仅14.4MHz，这就要求前端滤波器具有窄频带和快速滚降的特点，通过调整FBAR谐振器的压电层、电极层与支撑层厚度总能使串联谐振器的串联谐振频率落在L1频段；同时为了保证阻抗最小值在北斗B1频点附近，需要在允许的范围内减薄压电层的厚度。

2体声波滤波器建模

对FBAR滤波器的建模可以基于声学层和电学层。分别称为FBAR滤波器的Mason模型和MBVD模型。为了较为方便的对各层参数进行调整，本文对各层建立了Mason模型，采用一维声学压电方程对各层进行描述。

声波由材料至空气面能够发生全反射，因此对各层按上电极、压电层、下电极和支撑层的顺序进行串联，如图2所示。其中压电层3、4端口为电学接口，可以采用散射参数对系统进行测量。

采用双端口网络仿真时，系统的S参数与阻抗特性参照公式5。

（5）

其中为谐振器的S参数。为电学层的特性阻抗，一般取50欧姆，可得阻抗特性如图3所示。

考虑到设计对快速滚降的需求，本文采用梯形滤波器进行多级仿真。同时对于这种连接方式，并通过增加串并联单元数量提高滤波器性能。根据滤波器中心频率，可以计算出串、并联谐振器的初始频率，从而获得谐振器的初始结构参数，如表1所示。

图4为三级滤波器串联获得的S参数仿真曲线，可以看到，初始通带范围为1.55GHz～1.57GHz，通带插损3.1dB，带外抑制达到48.8dB。窄通带范围能够很好的抑制GPS信号的干扰。

结语

本文以性能优异的AlN材料为基础，通过ADS仿真设计出了符合北斗B1频段的滤波器。其快速滚降和带外抑制能力能够很好的滤除带外干扰。同时在制备的过程中应注意提高工艺，减少寄生频率，使生产成品能够达到预期效果。

参考文献

[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：随着无线通讯市场对微型化通信设备需求的增长，普通的声表面波滤波器已经无法满足集成化需求，一种具有更高谐振频率和稳定性的体声波滤波器应运而生。本文以薄膜体声波滤波器为模型，在ADS仿真基础上设计出了适用于北斗B1频点的窄带滤波器。滤波器频带范围为1550Mhz～1570Mhz，带外抑制48.8dB，插损3.1dB可以有效屏蔽GPS L1频段信号的干扰。

关键词：体声波滤波器；氮化铝材料；梅森模型；北斗导航系统

中图分类号：TU85 文献标识码：A

随着无线通信技术的发展，通信设备对频带的需求日益激增，宽频带通信已经逐渐被碎片化的窄带通信所代替，较小的带宽对滤波器的漂移和滚降提出了更高的要求。同时，随着通信电子类产品微型化、集成化的发展趋势，传统滤波器滤的应用已受到体积的制约。作为曾经大规模应用的声表面波滤波器，其制作工艺和材料决定了它功率低且无法与半导体衬底集成，制约了通讯产品的微型化进程。薄膜体声波谐振器（FBAR）自1965年研制成功以来，它的高频率、高功率容量、低功耗与微型化的体积逐渐受到人们的关注。2000年，安捷伦公司研制成功基于AlN的FBAR双工器，一举占领美国双工器市场，FBAR成为滤波器行业性的热点。

本文采用AlN薄膜为主要材料。通过ADS仿真软件对电极层、压电层、衬底层进行建模和联合仿真。成功设计出适用于北斗二代卫星导航系统B1频点的前端滤波器。通过对衬底厚度和串并联单元数进行优化，最终得到的仿真结果为频带范围1550MHz～1570MHz，带外抑制60dB，插损4.3dB，满足的既定的设计要求。

1 FBAR谐振器结构与工作原理

FBAR谐振器整体结构一般有膜安装方式（MMR）、固态安装方式（SMR）与空气隙安装方式（AGR）。膜安装方式谐振器通过腐蚀底层衬底层形成，材料利用率低，同时压电材料与衬底接触面积小，因此容易脱落。固态安装方式谐振器采用布拉格反射层形成，其接触面积在三者之中最大，但制作周期同样较大，不利于大规模生产。空气隙安装方式的性能与成本介于两者之间。综合考虑，本文采用空气隙型滤波器作为仿真对象。

图1是空气隙型滤波器结构图，它由上下电极层、压电层、支撑层、Si衬底层组成，在支撑层与Si衬底层之间通过刻蚀技术形成空气隙。

对于压电材料，我们可以通过一维梅森公式建立其等效模型。对于压电层的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中为电场的角频率；为压电层的介质电容；为压电材料的机电耦合系数，其数值的大小决定了滤波器的带宽，、和分别代表压电材料的压电系数、弹性强度和介电常数。为压电薄膜的波矢量，代表压电层密度。为从压电层上表面向上看时的归一化声学阻抗；为从压电层下表面向下看时的归一化声学阻抗，表示压电层的厚度。

对于北斗卫星导航系统，其B1频点为1561.098Mhz，而与之临近的GPS的L1频段为1575.42MHz，频点相距仅14.4MHz，这就要求前端滤波器具有窄频带和快速滚降的特点，通过调整FBAR谐振器的压电层、电极层与支撑层厚度总能使串联谐振器的串联谐振频率落在L1频段；同时为了保证阻抗最小值在北斗B1频点附近，需要在允许的范围内减薄压电层的厚度。

2体声波滤波器建模

对FBAR滤波器的建模可以基于声学层和电学层。分别称为FBAR滤波器的Mason模型和MBVD模型。为了较为方便的对各层参数进行调整，本文对各层建立了Mason模型，采用一维声学压电方程对各层进行描述。

声波由材料至空气面能够发生全反射，因此对各层按上电极、压电层、下电极和支撑层的顺序进行串联，如图2所示。其中压电层3、4端口为电学接口，可以采用散射参数对系统进行测量。

采用双端口网络仿真时，系统的S参数与阻抗特性参照公式5。

（5）

其中为谐振器的S参数。为电学层的特性阻抗，一般取50欧姆，可得阻抗特性如图3所示。

考虑到设计对快速滚降的需求，本文采用梯形滤波器进行多级仿真。同时对于这种连接方式，并通过增加串并联单元数量提高滤波器性能。根据滤波器中心频率，可以计算出串、并联谐振器的初始频率，从而获得谐振器的初始结构参数，如表1所示。

图4为三级滤波器串联获得的S参数仿真曲线，可以看到，初始通带范围为1.55GHz～1.57GHz，通带插损3.1dB，带外抑制达到48.8dB。窄通带范围能够很好的抑制GPS信号的干扰。

结语

本文以性能优异的AlN材料为基础，通过ADS仿真设计出了符合北斗B1频段的滤波器。其快速滚降和带外抑制能力能够很好的滤除带外干扰。同时在制备的过程中应注意提高工艺，减少寄生频率，使生产成品能够达到预期效果。

参考文献

[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：随着无线通讯市场对微型化通信设备需求的增长，普通的声表面波滤波器已经无法满足集成化需求，一种具有更高谐振频率和稳定性的体声波滤波器应运而生。本文以薄膜体声波滤波器为模型，在ADS仿真基础上设计出了适用于北斗B1频点的窄带滤波器。滤波器频带范围为1550Mhz～1570Mhz，带外抑制48.8dB，插损3.1dB可以有效屏蔽GPS L1频段信号的干扰。

关键词：体声波滤波器；氮化铝材料；梅森模型；北斗导航系统

中图分类号：TU85 文献标识码：A

随着无线通信技术的发展，通信设备对频带的需求日益激增，宽频带通信已经逐渐被碎片化的窄带通信所代替，较小的带宽对滤波器的漂移和滚降提出了更高的要求。同时，随着通信电子类产品微型化、集成化的发展趋势，传统滤波器滤的应用已受到体积的制约。作为曾经大规模应用的声表面波滤波器，其制作工艺和材料决定了它功率低且无法与半导体衬底集成，制约了通讯产品的微型化进程。薄膜体声波谐振器（FBAR）自1965年研制成功以来，它的高频率、高功率容量、低功耗与微型化的体积逐渐受到人们的关注。2000年，安捷伦公司研制成功基于AlN的FBAR双工器，一举占领美国双工器市场，FBAR成为滤波器行业性的热点。

本文采用AlN薄膜为主要材料。通过ADS仿真软件对电极层、压电层、衬底层进行建模和联合仿真。成功设计出适用于北斗二代卫星导航系统B1频点的前端滤波器。通过对衬底厚度和串并联单元数进行优化，最终得到的仿真结果为频带范围1550MHz～1570MHz，带外抑制60dB，插损4.3dB，满足的既定的设计要求。

1 FBAR谐振器结构与工作原理

FBAR谐振器整体结构一般有膜安装方式（MMR）、固态安装方式（SMR）与空气隙安装方式（AGR）。膜安装方式谐振器通过腐蚀底层衬底层形成，材料利用率低，同时压电材料与衬底接触面积小，因此容易脱落。固态安装方式谐振器采用布拉格反射层形成，其接触面积在三者之中最大，但制作周期同样较大，不利于大规模生产。空气隙安装方式的性能与成本介于两者之间。综合考虑，本文采用空气隙型滤波器作为仿真对象。

图1是空气隙型滤波器结构图，它由上下电极层、压电层、支撑层、Si衬底层组成，在支撑层与Si衬底层之间通过刻蚀技术形成空气隙。

对于压电材料，我们可以通过一维梅森公式建立其等效模型。对于压电层的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中为电场的角频率；为压电层的介质电容；为压电材料的机电耦合系数，其数值的大小决定了滤波器的带宽，、和分别代表压电材料的压电系数、弹性强度和介电常数。为压电薄膜的波矢量，代表压电层密度。为从压电层上表面向上看时的归一化声学阻抗；为从压电层下表面向下看时的归一化声学阻抗，表示压电层的厚度。

对于北斗卫星导航系统，其B1频点为1561.098Mhz，而与之临近的GPS的L1频段为1575.42MHz，频点相距仅14.4MHz，这就要求前端滤波器具有窄频带和快速滚降的特点，通过调整FBAR谐振器的压电层、电极层与支撑层厚度总能使串联谐振器的串联谐振频率落在L1频段；同时为了保证阻抗最小值在北斗B1频点附近，需要在允许的范围内减薄压电层的厚度。

2体声波滤波器建模

对FBAR滤波器的建模可以基于声学层和电学层。分别称为FBAR滤波器的Mason模型和MBVD模型。为了较为方便的对各层参数进行调整，本文对各层建立了Mason模型，采用一维声学压电方程对各层进行描述。

声波由材料至空气面能够发生全反射，因此对各层按上电极、压电层、下电极和支撑层的顺序进行串联，如图2所示。其中压电层3、4端口为电学接口，可以采用散射参数对系统进行测量。

采用双端口网络仿真时，系统的S参数与阻抗特性参照公式5。

（5）

其中为谐振器的S参数。为电学层的特性阻抗，一般取50欧姆，可得阻抗特性如图3所示。

考虑到设计对快速滚降的需求，本文采用梯形滤波器进行多级仿真。同时对于这种连接方式，并通过增加串并联单元数量提高滤波器性能。根据滤波器中心频率，可以计算出串、并联谐振器的初始频率，从而获得谐振器的初始结构参数，如表1所示。

图4为三级滤波器串联获得的S参数仿真曲线，可以看到，初始通带范围为1.55GHz～1.57GHz，通带插损3.1dB，带外抑制达到48.8dB。窄通带范围能够很好的抑制GPS信号的干扰。

结语

本文以性能优异的AlN材料为基础，通过ADS仿真设计出了符合北斗B1频段的滤波器。其快速滚降和带外抑制能力能够很好的滤除带外干扰。同时在制备的过程中应注意提高工艺，减少寄生频率，使生产成品能够达到预期效果。

参考文献

[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