高隔离度声表面波双工器技术研究

程一民，齐梦珂，李孟辉，潘虹芝，牟笑静，陈建军，张 华，曹 亮

(1.重庆大学 新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆 400044;2.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

在系统通信中，无线信号的收发均需经过天线，若为收发通道各适配一个天线，不仅增加了系统成本、模块体积，同时在传输信号时还会相互干扰，因此，针对收发通道如何共用一副天线的研究是必要的。为保证双工器能更好地过滤出目标频段，需要同时抑制来自发射端(Tx)或接收端(Rx)的泄漏信号及噪声，因此，Rx和Tx端口的隔离度(ISO)是双工器的一个重要指标。

文献[1]提出将Rx和Tx端口处的匹配电路和补偿电路相结合，使Tx端口泄漏的信号分量的相位与Rx端口处的信号相位相反，进而相互抵消，达到提高隔离度的目的。最终制备出Band 8声表面波双工器，相较传统结构而言，其在高频侧的隔离度改善较为明显。

基于该思路，文献[2]通过在四工器中引入两个相互耦合的电感器，实现了隔离度特性的提高。文献[3]则提出在发射端口和接收端口之间增加一个利用耦合模设计的纵向耦合双模(DMS)滤波器结构的补偿电路，引入一条新的支路替代移相器，最终达到提高隔离度的目的[3-4]，但补偿电路的应用使双工器芯片面积增加了约7%。

本文首先基于耦合模模型建立了双工器的仿真模型，较精确地提取各种寄生参数，而具备高隔离度特性的双工器设计主要是通过在发射端滤波器引入频率较高的并联谐振器，使其谐振点位于Rx频段内，形成向下凹陷的尖峰，提高Rx隔离度；同时将引入的电感嵌入基板设计中，从而实现隔离度特性的提高。

1 理论分析

耦合模理论基础是由传播过程中两个振幅不变且在数学上表现为相互正交，不存在能量交换的简正模发展而来，其基本形式如下：

(1)

式中：n表示系统中第n个简正模；un(x)表示该模式的振幅;β为简正模的振动方程。

当在系统中引入两个波模之间的相互耦合作用，以及衰减、电压激励等微扰项后，可得到完整的耦合模方程，基本形式如下：

(2)

其中，

k0=2π/p

(3)

Δ=k-k0=kr-k0-jγ=ω/v-k0-jγ

(4)

(5)

(6)

式中：V为外加电压；i为随位置逐渐增大而变化的流入电极的电流；k为未被栅格扰动前的传播常数；i(x)是从电极左边缘到x范围内经由电极流入的电流。

对式(3)～(6)分别求解齐次通解和非齐次特解，再引入边界条件，即得到耦合模模型的解：

(7)

式中：κ为互耦系数；α为换能系数；C为栅格的单位长度静态电容；v为声表面波波速；γ为传播损耗。以上5个参数统称为COM参数。

进一步考虑体波对于器件性能的影响，引入近似频散关系θp：

(8)

将色散模型与耦合模模型理论相结合，基于Hashimoto教授的开源软件FEMSDA可较为便捷地确定COM参数。

为便于计算，将耦合模模型转换为P矩阵形式，有

(9)

由式(9)可得到直接应用于设计的器件模型[5]。

2 双工器设计

2.1 仿真模型

声表面波滤波器设计中的仿真模型由声学仿真和封装外壳的电磁仿真两部分组成。在声学仿真中，采用P矩阵模型建立基本器件结构。发射端滤波器为了承受较高的功率，采用梯形滤波器结构；接收端滤波器为了达到较好的带外抑制，采用纵向耦合双模滤波器结构。其原理图如图1所示。

图1 双工器原理图

随着通信系统的发展，对于抑制度和隔离度的要求越来越高。双工器设计中仅有的声学仿真无法较准确地反映引入外壳后对器件性能的影响，所以对双工器的设计会涉及大量的电磁模拟。为了尽可能准确地模拟双工器隔离度特性，需要充分考虑芯片上的几何细节，电感及在衬底上的走线等。这些互连、电感、走线等具有几何尺寸的金属布线在电磁仿真中可以显示出器件结构中未能考虑到的寄生效应。

为精确提取封装和测试版对器件响应的影响，本文采用HFSS 3D Layout软件模拟包括由外加电压产生的信号、负载中电流的产生，以及损耗和储能效应、失配传输线的多重反射等。本文建立了双工器1814 CSP封装外壳模型如图2所示，并计算提取出外壳的S参数。

1) 根据原理图中的器件参数绘制滤波器版图，并导入HFSS 3D Layout中。

2) 以双工器版图为基础，绘制仿真封装外壳的3D结构，模型包括封装外壳、芯片、焊盘、基板走线等。焊盘和基板走线材料为Cu。

3) 设置模型的激励端口，器件版图中共19个端口，将封装外壳与芯片相连。

4) 在检查版图电学连接无误后，进行自适应网格剖分，并在分析中设置仿真频率范围和步距。

5) 导出仿真外壳的SNP文件。

最终将仿真外壳的SNP文件与双工器的原理图连接即构成仿真模型，如图3所示。电磁仿真对双工器的带外抑制特性有明显影响，而对通带内的特性影响较小。

图2 双工器电磁仿真模型

图3 双工器仿真模型

2.2 高隔离度设计

为进一步提高器件隔离度，在图1双工器基本原理的发射端滤波器中增加一个谐振器SAWR8，在接收端滤波器中增加一个谐振器SAWR9。在SAWR8的设计中，将SAWR8的正反谐振点放置于发射端的带外，同时在接收端的通带附近处形成向下凹陷的尖峰，从而实现提高隔离度的目的；在SAWR9的设计中，将谐振点置于接收端滤波器的通带高端，这不仅可使接收端滤波器的通带更平坦，同时也使其高端过渡带更陡峭。改进后的双工器原理图如图4所示。

图4 改进后双工器原理图

在双工器中引入额外的电感或电容都可与其所在支路的谐振器等效电路模型中的电容相组合，形成一个新的LC谐振电路。该电路会在一定频率范围内提高器件的带外抑制，从而达到提高双工器隔离度的目的。本质上，该LC谐振电路是因传输系统中引入了一个新的传输零点而引起。此处在发射端滤波器的SAWR6与SAWR4下引入一个共地电感L1=1 nH，可以极大地改善隔离度特性。

由于双工器的基板设计较复杂，本文以原理图中改进作为基板设计的指导，经大量的仿真验证发现，在版图设计及基板设计中应当注意以下几点：

1) 尽可能减小DMS滤波器的引脚电感，缩短引线。

2) 使Tx和Rx端口的滤波器分别接地。

3) 使Rx端口的两个DMS滤波器分别接地。

4) 适当延长发射端滤波器的SAWR4和SAWR6谐振单元的引线排布及基板走线，从而增加共地电感。

尽可能减少电感、走线和地的耦合，减少任何从Tx端口直接到Rx端口的射频信号[6]。同时，双工器的隔离度特性与滤波器的带外抑制具有明显相关性，通过设计尽可能提高器件的带外抑制，可以进一步优化隔离度特性。由图5～7可以看出，经过设计后，双工器的隔离度特性在Tx端口提高了14.8 dB，在Rx端口提高了5.5 dB，插入损耗指标也有提高。

图5 改进前后发射端对比

图6 改进前后接收端对比

图7 改进前后隔离度对比

3 双工器的测试与分析

图8为双工器实物图。测试时需要注意，矢量网络分析仪在默认状态下其参考平面位于前面板，当使用测试线缆将矢网和待测器件连接后，采用“直通-反射-传输线(TRL)”校准方式进行误差校正，使参考平面尽可能靠近被测器件，如此能尽量去除在测试过程中引入的器件损耗和反射，从而得到较为准确的S参数表征结果，如图9所示。

图8 双工器实物图

图9 双工器待测样品

图10 双工器发射端仿真与实测对比

测试结果如图10～12所示，双工器响应的仿真与实测结果基本吻合。由图可见，Tx端的带外抑制低频侧及通频带内、Rx端的带外抑制和Tx频段的隔离度特性仍与仿真结果存在一定的差异。经分析，其差异主要是由于电磁仿真模型中尚无法对版图以及封装外壳间的电感、电容进行精确仿真。当在仿真模型中发射端滤波器的并联臂上适当增加共地电感后，可得到低频侧与实测结果更吻合的仿真结果；而在实测结果中，Tx端在915 MHz附近处出现的尖峰主要是由于在Rx端口处的谐振器SAWR9引起的，但在仿真中表现并不明显，具体原因有待进一步进行分析。Rx端的带外抑制以及隔离度特性中的差异主要是由于DMS滤波器结构比谐振器更复杂，声学模型中对电容的计算尚不够准确，无法精确考虑到末端效应对电极电荷分布的影响，有待下一步的针对DMS滤波器模型进行改进优化。

图11 双工器接收端仿真与实测对比

图12 双工器隔离度仿真与实测对比

4 结束语

本文基于耦合模型设计制作了一款具有高隔离度、低插入损耗特征的声表面波双工器。通过仿真分析发现，在发射端引入一个低频谐振器，使该谐振器的谐振频率位于隔离度的Rx端；同时通过大量的电磁仿真，指导版图布线、电感引入等，进一步提高隔离度特性。对该滤波器进行制备及性能测试，测试结果与仿真结果吻合较好，具有良好的一致性。