RF-MEMS滤波器的高性能接口电路设计*

代雪梅,陈泽基,阚 枭,袁 泉,张晓青,杨晋玲

(1.中国科学院 半导体研究所,北京 100083；2.中国科学院大学,北京100049；3.北京信息科技大学,北京 100192)

0 引 言

未来无线通信系统将向着小型化、集成化、低功耗、多模式、高频率的趋势发展,滤波器是射频前端收发系统中实现信号选择性传输的核心元件,决定着无线通信系统的灵敏度、信噪比等重要参数[1]。传统的片外分立元件,如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等,占用体积大,难以实现片上集成,无法满足未来无线通信系统的发展需求,而射频—微机电系统(RF-MEMS)滤波器基于高Q值MEMS谐振器耦合形成通频带,具有高中心频率、窄带宽、与IC兼容、低成本、可大规模制造等优势[2,3],在未来无线通信系统中具有极大的应用潜力。

本文针对MEMS滤波器的高阻特性,采用集成运算放大器设计两级放大形式,第一级采用跨阻放大器,提取MEMS滤波器的微弱输出电流,实现I/V转换；第二级采用电压比例放大电路,进一步提高增益,实现整体电路增益达到62 dB以上；利用输入输出匹配电路提高传输性能,实现电路噪声系数低至3.35 dB,S22反射系数小于-10 dB。利用实测的MEMS滤波器输出信号与电路进行级联仿真,所得滤波器插损大幅降低至0.56 dB,与电路模型的仿真结果相吻合,并将级联PCB板级放大电路的RF-MEMS滤波器进行测试,RF-MEMS滤波器的插入损耗降至16.2 dB,相对带宽为1.4 %,中心频率为73.02 MHz。

1 RF-MEMS滤波器

基于机电转换原理,构建MEMS滤波器的分立元件等效电路模型,分析其电学特性[6],电路等效模型如图1所示。

图1 RF-MEMS滤波器的等效电路模型

其中,串联的电感—电容—电阻(LCR)支路为圆盘谐振器的等效电路模型,T型网络表征滤波器的耦合梁[7]。其中

(1)

(2)

(3)

式中ηe1,ηe2分别为输入端和输出端的机电耦合系数,Kre为谐振器的有效刚度,mre为谐振器的有效质量,Cre为阻尼系数。当MEMS谐振器的角谐振频率为ω0,对器件施加的直流偏置电压为V时,动态电阻Rx可表示为[8]

(4)

式中Q为滤波器的品质因子,ε0为空气的介电常数,A为电容极板的正电容间隙受限于工艺条件难以进一步减小,圆盘滤波器的机电耦合系数较低,使得动态电阻达到105Ω量级,导致滤波器插入损耗较高,因此,需开发高性能MEMS接口电路,降低插入损耗。利用网络分析仪对MEMS滤波器进行探针台测试,表征其频谱特性,所得频谱如图2所示,器件中心频率73 MHz,相对带宽1.4 %,插损62 dB。

图2 实测RF-MEMS滤波器的输出频谱图

2 放大电路设计

2.1 整体电路设计

低噪声放大电路的设计需要考虑运放电路的选择,噪声的匹配以及有源器件和无源器件的选择[9]。针对放大电路的高增益、低噪声要求,采用两级运放结构,整体电路框图如图3所示。

图3 整体电路框图

其中,针对MEMS滤波器的输出特性,第一级采用跨阻放大(transimpedance amplifier,TIA)电路[10],提取MEMS滤波器的微弱电流信号。根据费里斯公式

F=F1+(F1-1)/K1+(F2-1)/(K1×K2)+…+

(Fn-1)/(K1×K2×…×Kn)

(5)

式中F为系统噪声,Fi为各级放大电路的系统噪声(i=1,2,…,n),Ki为每一级放大电路的功率增益[11]。由式(5)可知,放大电路的性能主要取决于第一级电路,采用低噪声的前级放大,能有效改善电路整体的噪声性能。因而第一级选用低噪声、高增益带宽积的高精度运算放大器OPA847,设计带补偿的微分结构电路实现信号的I-V转换；第二级采用高增益带宽的电流反馈型运放AD8001,实现电压的无失真放大,进一步提高电路的增益；放大电路与滤波器接口处及输出端分别引入L型、Π型的阻抗匹配网络,以减小电路的噪声系数,实现滤波器与射频网络的阻抗匹配。

整体设计电路如图4所示。

图4 整体电路设计

2.2 电路的噪声分析

低噪声放大电路的关键在于实现提取MEMS滤波器的有效信号,抑制电路引入的噪声干扰,因此分析放大电路的噪声十分必要。针对运算放大器复杂的内部噪声,一般都采用广义的噪声概念[12]进行分析。此文采用放大器的En-In噪声模型进行分析。

噪声系数除了用输入端信噪比/输出端信噪比定义外,还可以用电压比表示

(6)

(7)

又噪声系数可表示为

nf=10log(NF)

(8)

最终由式(7)、式(8)可得低噪声放大电路的噪声系数

(9)

表明电路具有低噪声特性,放大后对于频谱的信噪比无明显影响。

3 仿真、测试结果与分析

利用ADS射频专用仿真软件,表征所述集成放大电路的增益带宽特性,结果如图5所示。

图5 电路总增益仿真结果

由图5可知,电路增益在40～100 MHz以内较为平坦,具有良好的放大效果。在频率为73.06 MHz时,电路的增益达到62.75 dB,能够有效补偿MEMS滤波器的插入损耗,符合预期目标。并进一步对集成放大电路的能量传输特性及噪声水平进行表征,其S22反射系数、噪声系数仿真结果如图6所示。

图6 仿真结果

由图6可知,电路的输入输出阻抗匹配良好,在频率为73.06 MHz时,阻抗匹配达到最佳,S22反射系数为-46.91 dB,电路的噪声系数为3.35 dB,与式(9)的理论计算结果吻合,说明放大电路与滤波器级联后,不仅有效降低了插入损耗,且整体实现了良好的能量传输,未引入明显的噪声干扰,将实测MEMS滤波器的输出频谱数据与所设计的放大电路进行级联仿真,考察放大电路针对真实MEMS滤波器输出特性的放大效果,仿真结果如图7所示。

图7 MEMS滤波器与放大电路级联后的频谱

可见,在滤波器峰值处,插入损耗由62.12 dB大幅降低至0.56 dB,与电路模型的仿真结果吻合良好,表明所设计的放大电路适用于高阻抗的MEMS滤波器,可有效降低其插入损耗,提高其滤波性能。此外,由图可知,MEMS滤波器的带内波纹仍有近20 dB,主要原因在于构成滤波器件的圆盘谐振器Q值较高,谐振峰较为尖锐,当耦合梁刚度较大时,两峰的分离较为明显,以致耦合后存在较大的带内波纹。后期需要对器件进行耦合机理分析,耦合结构改进及振动模态优化；在放大电路中引入终端电阻,实现频带的平坦化[13]。

利用网络分析仪进行对级联PCB板级放大电路的MEMS滤波器进行测试,其结果如图8所示。

图8 MEMS滤波器实测频谱

由图8可知,实际测试的MEMS滤波器中心频率为73.02 MHz,插入损耗降低为16.02 dB,相对带宽为1.4 %,与仿真结果图7相比较,实际测试的结果出现了14.46 dB的偏差,分析原因可能是由于制成的射频板存在着寄生电容的影响,将进一步对电路系统进行优化,降低馈通信号的影响。

4 结束语

本文设计的高性能接口电路增益高达62.75 dB,S22反射系数为-46.91 dB,噪声系数为3.35 dB,具有良好的能量传输特性及噪声水平。实际测试结果表明：制备的RF-MEMS滤波器其中心频率较高,可达73.02 dB,带宽较窄,为1.4 %,插入损耗低至16.02 dB,但是距离实用化仍有差距,还需进一步优化性能。此文对级联放大电路的RF-MEMS滤波器研究具有一定的参考价值,为MEMS器件的实用化、市场化奠定了基础,提升了MEMS滤波器的应用潜力。