一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

黃貞松 彭春瑞 王詩(shī)元

摘 ?要：本文重點(diǎn)闡述了薄膜體聲波濾波器的工作原理，以及影響其工作性能的各種特征參數(shù)。分析了薄膜體聲波濾波器網(wǎng)格型和梯型濾波器工作原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)濾波器的設(shè)計(jì)思想。闡述了梯型-網(wǎng)格型-梯型濾波器、網(wǎng)格型-梯型-網(wǎng)格型濾波器兩種不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并且利用ADS仿真設(shè)計(jì)軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的濾波器進(jìn)行了濾波特性和端口回?fù)p的比較。

關(guān)鍵詞：薄膜體聲波諧振器;ADS仿真;梯型-網(wǎng)格型-梯型濾波器;網(wǎng)格型-梯型-網(wǎng)格型濾波器

中圖分類號(hào)：TN713+.8 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)快速進(jìn)步，尤其是當(dāng)今的5G技術(shù)的發(fā)展熱潮，使射頻濾波器的發(fā)展成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，這就意味著無(wú)線通信系統(tǒng)的通頻帶正逐步向高頻段過(guò)渡，同時(shí)對(duì)傳輸?shù)男畔⒘坑辛烁叩囊?，集成化、微型化、高頻化是其現(xiàn)有的發(fā)展趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器（SAWF）相比，薄膜體聲波諧振器具有體積小、工作頻率高、插入損耗低、帶外抑制大、功率容量高、品質(zhì)因數(shù)高等一系列優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

在如今的手機(jī)通訊行業(yè)中，聲波濾波技術(shù)越來(lái)越引起人們的重視，一款高端的電子通信設(shè)備往往需要對(duì)多達(dá)15個(gè)頻段的2G、3G和4G無(wú)線接入方式的發(fā)送和接收路徑進(jìn)行濾波，因此在一款智能手機(jī)中需要的濾波器多達(dá)十幾個(gè)，需求量大。

1 ?薄膜體聲波濾波器的工作原理

空腔型薄膜體聲波諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，薄膜體聲波諧振器（FBAR）是利用在襯底材料上形成的底電極-壓電層-頂電極的三明治結(jié)構(gòu)的薄膜體聲波器件。其原理可以簡(jiǎn)述為：利用壓電材料的壓電性，將電極兩端輸入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（聲能），當(dāng)聲波在上下界面內(nèi)諧振時(shí)，阻抗表現(xiàn)為最大值或最小值。根據(jù)傳輸線理論，聲波在高低聲阻抗層交界處發(fā)生全反射，同時(shí)在壓電層產(chǎn)生駐波振蕩，可以極大地減小聲波損耗，再由逆壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽C振器只允許特定頻率的波通過(guò)。每個(gè)薄膜體聲波諧振器都有一個(gè)串聯(lián)諧振點(diǎn)和一個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn)，如圖2所示。

根據(jù)薄膜體聲波諧振器的工作原理，將多個(gè)諧振器按照一定的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行級(jí)聯(lián)便可以形成帶通濾波器，常見的濾波器結(jié)構(gòu)有四種，包括梯型、網(wǎng)格型、層疊型和耦合型。梯型濾波器是由串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器組成，兩組諧振器分別有相同的諧振頻率，需要注意的是，要保證串聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振器的并聯(lián)諧振頻率相等，梯型濾波器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其構(gòu)成的帶通濾波器特性如圖4所示。梯型濾波器具有滾降速度快、矩形系數(shù)好的優(yōu)點(diǎn)，但是通常低階的濾波器帶外抑制較差，需要通過(guò)增加濾波器的階數(shù)、調(diào)整串并聯(lián)諧振器的面積比來(lái)提高其帶外抑制能力。

網(wǎng)格型濾波器工作原理與梯形濾波器原理類似，而與梯型濾波器不同的是，網(wǎng)格型濾波器具有電路結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，雙端口均不接地，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖6為仿真得到的網(wǎng)格型濾波器的傳輸特性曲線，網(wǎng)格型濾波器由于其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，其傳輸曲線中沒有傳輸零點(diǎn)，矩形系數(shù)差，而網(wǎng)格型濾波器比梯型濾波器具有更高的帶外抑制能力，因此在實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)中，一般將兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)使用，利用各自的優(yōu)點(diǎn)來(lái)提高濾波器的性能。

2 ?新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器設(shè)計(jì)與ADS仿真驗(yàn)證

在上節(jié)中，我們了解到網(wǎng)格型濾波器和梯型濾波器各有優(yōu)點(diǎn)和不足，而在通常的工程應(yīng)用中，需要將兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行濾波器性能的改善，這里提出的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示，利用ADS軟件分別對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并比較其濾波性能。

在ADS軟件中分別按圖7、圖8所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建仿真電路，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其插入損耗特性曲線如圖9所示，帶內(nèi)紋波特性曲線如圖10所示。

從圖9中可以看出，梯型-網(wǎng)格型-梯型濾波器和網(wǎng)格型-梯型-網(wǎng)格型濾波器都具有高的帶外抑制能力，后者的帶外抑制能力比前者更強(qiáng)一些，兩者都具有很好的矩形系數(shù)。由圖10可知，后者的帶內(nèi)波動(dòng)相比于前者要小。

圖11為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的回波損耗曲線，從圖中可以看出梯型-網(wǎng)格型-梯型濾波器的回波損耗要比網(wǎng)格型-梯型-網(wǎng)格型濾波器的回波損耗低。

兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但兩種結(jié)構(gòu)共同的缺點(diǎn)在于所需的諧振器個(gè)數(shù)較多，器件體積相對(duì)較大。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的工程要求進(jìn)行合理的選擇。

3 ?結(jié) ?論

本文從基本薄膜體聲波濾波器的工作原理切入，提出了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)薄膜體聲波濾波器的設(shè)計(jì)思想。重點(diǎn)分析了梯型-網(wǎng)格型-梯型濾波器、網(wǎng)格型-梯型-網(wǎng)格型濾波器兩種不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的濾波器進(jìn)行了濾波特性和端口回?fù)p的分析，兩種結(jié)構(gòu)濾波器具有不同優(yōu)缺點(diǎn)，可以應(yīng)用在不同工程需求中。

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作者簡(jiǎn)介：黃貞松（1977-），男，漢族，湖南郴州人，現(xiàn)任南京電子器件研究所高級(jí)工程師，畢業(yè)于東南大學(xué)通信工程專業(yè)，碩士，研究方向：射頻電路、模塊設(shè)計(jì)研究。