大于3 GHz超宽带FBAR滤波器结构设计与仿真

陈功田,谢若渊,孙 景,张 伟,杨 斌

(1.湖南大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410082;2.中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆400060)

0 引言

移动通信的快速发展、传输速率的提高和信息容量的增大均促使通信载波频率不断往高频段延伸、拓宽带宽,因此,滤波器必须满足超大带宽、高陡降和高抑制的性能要求[1-2]。氮化铝(AIN)薄膜具有较好的压电性能和微机电系统(MEMS)芯片工艺兼容性,是当前制造薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器的核心压电材料。但AlN压电薄膜的机电耦合系数仅为6.5%,可实现的FBAR滤波器相对带宽较窄,约为3.0%[3-5],难以满足5G及新一代移动通信系统的带宽需求[6]。本文通过外加谐振电路扩展谐振器的带宽,在谐振器上外加电感,与体声波谐振器形成新的串并联谐振频率,从而提高有效机电耦合系数,实现超宽带化。本文采用1 nH串并联电感作为仿真分析参考值,主要是考虑到芯片封装键合线的射频电感值约在1 nH,制作滤波器时无需额外增加电感元件[7]。该方法在电路制备技术上容易实现,也易于工程产业化。

1 FBAR滤波器设计与建模

1.1 谐振器电路模型参数提取

本文首先构筑典型的FBAR谐振器Mason电路模型,并根据所用材料的物理特性做电路仿真以获得谐振器性能参数的基础数据,再用获得的性能参数作为超宽带滤波器仿真设计的各等效电路基础参数,建立谐振器的MBVD等效电路模型,再通过等效电路进行超宽带化仿真设计[8-10]。图1(a)为谐振器结构示意图,谐振器有效谐振面积设定为5 000 μm2,各薄膜材料及具体尺寸如表1所示。图1(b)是基于FBAR谐振器提取的参数建立的MBVD等效模型电路图,图中C0为静态电容,Cm、Lm、Rm分别为动态电容、动态电感及损耗,Rs为电极损耗、R0为压电薄膜的介电损耗,各等效元件参数如表2所示。

表1 FBAR各层薄膜材料以及尺寸

表2 FBAR等效元件参数

图1 谐振器结构示意图

图2 FBAR的S21参数图

图3 MBVD电路封装示意图

图4(a)是典型AlN压电薄膜的梯形一阶滤波器,图4(b)是滤波器带通特性曲线。由图可知,FBAR中心频率为6.5 GHz,-1 dB插入损耗带宽182 MHz,有效带宽2.8%。滤波器中谐振器的参数如表3所示。

表3 滤波器中谐振器参数

图4 典型AlN薄膜梯形一阶滤波器结构及S参数图

1.2 串联谐振器X1优化

图5(a)是串联谐振器的电路结构图。由图可知,当满足LpCs=LmCm时,X1与LC电路的串联谐振频率相同,增强此频率的滤波性能可确保整个频率范围仅有fs和fp两个谐振频率,保持了谐振器的谐振双峰特性。

图5 串联谐振器的电路结构图及S参数图

1.3 并联谐振器X2优化

图6(a)是并联谐振器的电路结构图。由图可知,当满足LsCp=LmCmC0/(Cm+C0)时,X2与LC电路的并联谐振频率相同,保持了谐振双峰谐振特性。

图6 并联谐振器的电路结构图及S参数图

1.4 滤波器性能

将上述优化后的谐振器参照图7(a)组合成一阶滤波器(见图7(b)),其中心频率为6.500 GHz,1 dB插入损耗范围为5.011～7.661 GHz,带宽达到2 651 MHz,有效带宽为40.78%,此时所使用的电感均为1 nH。

图7 组合一阶滤波器结构图及S参数图

2 仿真结果分析

若优化调整Lp=0.8 nH,Ls=1.3 nH,滤波器带宽获得扩展且带内更加平坦,如图7(c)所示。由图可见,中心频率为6.500 GHz,1 dB插入损耗带宽为4.430～8.380 GHz,带宽达到3.950 GHz,有效带宽为60.76%,这表明通过调整电感参数可调整实现滤波器的超宽带。

未经带宽拓展的典型一阶滤波器中心频率为6.500 GHz,带宽仅有182 MHz,有效带宽为2.8%,相较而言,拓展带宽后的滤波器将带宽扩展了约21.7倍,实现了AlN压电薄膜FBAR滤波器的超宽带。

为了实现超宽带滤波器的商用价值,可将前面研制的一阶滤波器级联组合成多阶超宽带滤波器,如图8(a)所示。由图8(b)、(c)可见,中心频率为6.500 GHz,1 dB插入损耗带宽为4.430～9.265 GHz,带宽达到4.835 GHz,有效带宽为70.61%,带内平坦,且在1～20 GHz宽频域的倍频程范围内,带外抑制优异。在滤波器的芯片制备中级联和接地导体薄膜形成的分布电感电容,也可起到与键合线类似的作用。目前受到工艺及设备等条件制约,尚未能制备出样品,但从采用压电晶体谐振器做串并联电路的实物样品测试验证来看,上述技术方案是可行的,在此本文不展开阐述。虽然引入了低品质因数(Q)值的电容电感元件,增加了插入损耗,但综合考虑,其拓展带宽具有更大意义。

图8 级联超宽带滤波器结构图及S参数图

3 结束语

本文设计制作的滤波器中心频率为6.5 GHz,-1 dB插入损耗带通范围为4.430～9.265 GHz,带宽为4.835 GHz,相对带宽为70.61%,将FBAR滤波器带宽拓展到了3 GHz以上。该滤波器带宽能良好地覆盖5G n79和6G WiFi的整个工作频段,展现出较好的应用前景。