一种新型拓扑结构滤波器的设计与仿真验证

黄贞松 彭春瑞 王诗元

摘  要：本文重点阐述了薄膜体声波滤波器的工作原理，以及影响其工作性能的各种特征参数。分析了薄膜体声波滤波器网格型和梯型滤波器工作原理，在此基础上提出了一种新型拓扑结构滤波器的设计思想。阐述了梯型-网格型-梯型滤波器、网格型-梯型-网格型滤波器两种不同结构的设计方案，并且利用ADS仿真设计软件对两种结构的滤波器进行了滤波特性和端口回损的比较。

关键词：薄膜体声波谐振器;ADS仿真;梯型-网格型-梯型滤波器;网格型-梯型-网格型滤波器

中图分类号：TN713+.8      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）17-0037-03

Abstract：In this paper，the working principle of thin film bulk acoustic filter and various characteristic parameters affecting its performance are described. The working principles of grid and trapezoid filters of thin film bulk acoustic wave filters are analyzed. On this basis，a new design idea of topological structure filters is proposed. Two different design schemes of ladder-grid-ladder filter and grid-ladder-grid filter are described. Furthermore，the filter characteristics and port loss of the two structures are compared by ADS simulation design software.

Keywords：film bulk acoustic resonator;ADS simulation;ladder-grid-ladder filter;grid-ladder-grid filter

0  引  言

近年來，随着科学技术的快速发展，无线通信技术快速进步，尤其是当今的5G技术的发展热潮，使射频滤波器的发展成为了当今研究的热点，这就意味着无线通信系统的通频带正逐步向高频段过渡，同时对传输的信息量有了更高的要求，集成化、微型化、高频化是其现有的发展趋势。与传统的介质滤波器和声表面波滤波器（SAWF）相比，薄膜体声波谐振器具有体积小、工作频率高、插入损耗低、带外抑制大、功率容量高、品质因数高等一系列优势，已经成为国内外研究的热点。

在如今的手机通讯行业中，声波滤波技术越来越引起人们的重视，一款高端的电子通信设备往往需要对多达15个频段的2G、3G和4G无线接入方式的发送和接收路径进行滤波，因此在一款智能手机中需要的滤波器多达十几个，需求量大。

1  薄膜体声波滤波器的工作原理

空腔型薄膜体声波谐振器的结构如图1所示，薄膜体声波谐振器（FBAR）是利用在衬底材料上形成的底电极-压电层-顶电极的三明治结构的薄膜体声波器件。其原理可以简述为：利用压电材料的压电性，将电极两端输入的电能转化为机械能（声能），当声波在上下界面内谐振时，阻抗表现为最大值或最小值。根据传输线理论，声波在高低声阻抗层交界处发生全反射，同时在压电层产生驻波振荡，可以极大地减小声波损耗，再由逆压电效应将机械能转变为电能，谐振器只允许特定频率的波通过。每个薄膜体声波谐振器都有一个串联谐振点和一个并联谐振点，如图2所示。

根据薄膜体声波谐振器的工作原理，将多个谐振器按照一定的电路结构进行级联便可以形成带通滤波器，常见的滤波器结构有四种，包括梯型、网格型、层叠型和耦合型。梯型滤波器是由串联谐振器和并联谐振器组成，两组谐振器分别有相同的谐振频率，需要注意的是，要保证串联谐振器的串联谐振频率与并联谐振器的并联谐振频率相等，梯型滤波器的电路结构如图3所示，其构成的带通滤波器特性如图4所示。梯型滤波器具有滚降速度快、矩形系数好的优点，但是通常低阶的滤波器带外抑制较差，需要通过增加滤波器的阶数、调整串并联谐振器的面积比来提高其带外抑制能力。

网格型滤波器工作原理与梯形滤波器原理类似，而与梯型滤波器不同的是，网格型滤波器具有电路结构上的对称性，双端口均不接地，其电路结构如图5所示。图6为仿真得到的网格型滤波器的传输特性曲线，网格型滤波器由于其结构的对称性，其传输曲线中没有传输零点，矩形系数差，而网格型滤波器比梯型滤波器具有更高的带外抑制能力，因此在实际的滤波器设计中，一般将两种结构结合起来使用，利用各自的优点来提高滤波器的性能。

2  新型拓扑结构的滤波器设计与ADS仿真验证

在上节中，我们了解到网格型滤波器和梯型滤波器各有优点和不足，而在通常的工程应用中，需要将两种拓扑结构结合起来进行滤波器性能的改善，这里提出的两种拓扑结构如图7和图8所示，利用ADS软件分别对这两种结构进行仿真验证，并比较其滤波性能。

在ADS软件中分别按图7、图8所示拓扑结构搭建仿真电路，并进行仿真验证，其插入损耗特性曲线如图9所示，带内纹波特性曲线如图10所示。

从图9中可以看出，梯型-网格型-梯型滤波器和网格型-梯型-网格型滤波器都具有高的带外抑制能力，后者的带外抑制能力比前者更强一些，两者都具有很好的矩形系数。由图10可知，后者的带内波动相比于前者要小。

图11为两种拓扑结构的回波损耗曲线，从图中可以看出梯型-网格型-梯型滤波器的回波损耗要比网格型-梯型-网格型滤波器的回波损耗低。

两种拓扑结构各有其优缺点，但两种结构共同的缺点在于所需的谐振器个数较多，器件体积相对较大。在实际应用中，需要根据不同的工程要求进行合理的选择。

3  结  论

本文从基本薄膜体声波滤波器的工作原理切入，提出了一种新型拓扑结构薄膜体声波滤波器的设计思想。重点分析了梯型-网格型-梯型滤波器、网格型-梯型-网格型滤波器两种不同结构的设计方案，并对两种结构的滤波器进行了滤波特性和端口回损的分析，两种结构滤波器具有不同优缺点，可以应用在不同工程需求中。

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作者简介：黄贞松（1977-），男，汉族，湖南郴州人，现任南京电子器件研究所高级工程师，毕业于东南大学通信工程专业，硕士，研究方向：射频电路、模块设计研究。