電磁寄生參數(shù)在高頻SAW濾波器設(shè)計中的應(yīng)用

黃小東，黃 瑋，魏勇平，閆坤坤，李玉龍，苗 湘，陳 發(fā)，徐 巍，蔣元軍,羅 為,4

(1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢430000；2.北京中科飛鴻科技股份有限公司，北京100095；3.華中科技大學(xué) 武漢光電國家研究中心，湖北 武漢430000；4.深圳華中科技大學(xué)研究院，廣東 深圳518000)

0 引言

隨著5G通信技術(shù)的迅速發(fā)展，其頻譜資源日益緊張。例如5G頻段的n3頻段號上行頻率為1 710～1 785 MHz，下行頻率為1 805～1 880 MHz，上行與下行頻率間距僅為20 MHz。開發(fā)滿足此類條件的聲表面波(SAW)濾波器的難點在于既要保證器件的通帶帶寬(75 MHz)和低插入損耗，又要保證高的矩形系數(shù)。在多種SAW濾波器結(jié)構(gòu)中，梯形結(jié)構(gòu)因帶寬大，插入損耗小，可小型化而受到關(guān)注[1]。未考慮封裝和匯流條的電磁寄生參數(shù)而設(shè)計的小型化封裝的高頻SAW濾波器，經(jīng)實驗測試表明,其易出現(xiàn)通帶帶寬變窄，通帶內(nèi)波動大，通帶內(nèi)駐波大等問題，這進一步增加了濾波器的設(shè)計難度。為了解決此問題，本文擬用包含封裝和匯流條的電磁寄生參數(shù)的等效電路模型，通過電聲-電磁聯(lián)合仿真來設(shè)計此類具有低損耗、高矩形系數(shù)的高頻SAW濾波器。

1 梯形結(jié)構(gòu)SAW濾波器設(shè)計

1.1 SAW單端諧振器耦合模(COM)模型仿真

為獲得較好的帶外抑制和插入損耗，本文采用7階諧振器級聯(lián)梯形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。SAW濾波器的壓電材料選擇工作在漏波(SH)模式的42°Y-XLiTaO3，金屬膜材料為鋁。首先通過有限元方法擬合得到耦合模(COM)參數(shù)，并通過工藝結(jié)果進行校正；再通過COM方程計算諧振器的P矩陣，并得出諧振器的導(dǎo)納[2-3]。以上部分為模擬SAW濾波器中的電聲轉(zhuǎn)換。

圖1 梯形結(jié)構(gòu)SAW濾波器示意圖

圖2為計算得到的單端口諧振器的導(dǎo)納-頻率響應(yīng)曲線。由圖可見，諧振器的諧振頻率(fr)為1 765 MHz，反諧振頻率(far)為1 829 MHz。然而在高頻情況下，SAW諧振器的導(dǎo)納還受到封裝和匯流條的電磁寄生參數(shù)的影響。如圖2(a)所示，諧振器串聯(lián)0.2 nH的電感，引起諧振頻率向低頻端移動13 MHz；諧振器并聯(lián)0.4 pF的電容，引起反諧振頻率向低頻端移動5 MHz，如圖2(b)所示。

圖2 單端口諧振器的導(dǎo)納-頻率響應(yīng)曲線

1.2 封裝和匯流條的電磁仿真及聯(lián)合仿真

封裝及匯流條的電磁寄生參數(shù)對諧振器導(dǎo)納的影響會進一步影響濾波器的性能，為了解決此問題，本文擬建立電聲-電磁聯(lián)合仿真模型。首先，利用HFSS軟件建立3.0 mm×3.0 mm封裝的3D 仿真模型以計算封裝和匯流條的寄生參數(shù)，模型包括封裝殼、鍵合線及諧振器之間的匯流條等，如圖3(a)所示。模型中所有部件的尺寸根據(jù)封裝殼廠商提供的圖紙繪制，與實際封裝的SAW濾波器樣品的尺寸一致。模型的材料參數(shù)為軟件自帶的材料參數(shù)：封裝殼導(dǎo)體部分的材料選擇為金，封裝殼絕緣體部分的材料為陶瓷；封裝殼以上是SAW濾波器芯片，芯片的壓電材料部分(立方體)為鉭酸鋰，匯流條和鍵合線的材料均為鋁；濾波器芯片上的換能器指條全部去除。模型左右各有3根鍵合線，左邊中間和右邊中間分別為輸入信號鍵合線和輸出信號鍵合線，其余為接地鍵合線。計算時，兩個集總端口分別放在電信號的流入和流出點。在模型中放入集總端口，計算得到任意兩端口之間的S參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換為兩端口等效電路中的電磁寄生參數(shù)，包括電阻(R)、電感(L)和對地電容(C)，如圖3(b)所示。通過上述方法可計算得到封裝內(nèi)具有主要影響的電磁寄生參數(shù)值。

圖3 計算封裝和匯流條的電磁寄生參數(shù)

將COM模型仿真方法得到的各諧振器導(dǎo)納參數(shù)與上述計算得到的封裝和匯流條的電磁寄生參數(shù)通過等效電路連接，即建立了電聲-電磁聯(lián)合仿真模型，如圖4所示。為簡化計算過程，電路為左右對稱結(jié)構(gòu)，其中Cb為橋電容，M為互感，左側(cè)L1，R1，C1分別為輸入端口到輸入焊盤之間(包含信號鍵合線)的總電感，電阻及對地電容；L2，R2，C2分別為并聯(lián)臂匯流條的電感，電阻及對地電容；L3，R3分別為接地端口到接地焊盤之間(包含接地鍵合線)的總電感，電阻；Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7分別為各個諧振器的導(dǎo)納。在設(shè)計過程中，通過模擬退火優(yōu)化算法得到最佳性能的SAW濾波器的諧振器的孔徑、柵周期、指條數(shù)和占空比等設(shè)計參數(shù)。最后，通過半導(dǎo)體工藝制備以上設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的SAW濾波器，其諧振器局部形貌如圖5所示。圖中金屬指條寬度為499 nm，周期(λ)為2 216 nm，假指長度為1.5×λ，假指與換能器指條間距為0.5×λ。

圖4 包含封裝及匯流條的電磁寄生參數(shù)的SAW濾波器等效電路

圖5 濾波器的諧振器局部形貌

2 結(jié)果分析與討論

文獻中通常報道芯片以外的封裝殼的電磁寄生參數(shù)對SAW濾波器的影響，忽略了諧振器之間的匯流條的電磁寄生參數(shù)[4]。我們認(rèn)為在高頻情況下，匯流條的電磁寄生參數(shù)也是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，所以利用圖4所示電路對比分析了在設(shè)計時考慮和不考慮匯流條的電磁寄生參數(shù)的設(shè)計方案的模擬結(jié)果，以獲得匯流條電磁寄生參數(shù)對器件性能影響的關(guān)系。

圖6為匯流條寄生參數(shù)對濾波器頻響值和駐波產(chǎn)生影響的模擬結(jié)果。方案1為考慮封裝殼的寄生參數(shù)(L1，R1，C1，Cb，M)而不考慮匯流條寄生參數(shù)的仿真設(shè)計結(jié)果。方案2為在方案1的電路中添加圖4所述匯流條寄生參數(shù)(L2，R2，L4，R4，C2)的模擬結(jié)果。由圖可知，未考慮匯流條的電磁寄生參數(shù)設(shè)計方案的仿真結(jié)果因受匯流條寄生參數(shù)的影響而出現(xiàn)了通帶內(nèi)駐波及波動惡化等問題。其原因在于串聯(lián)臂匯流條的電感L4(0.2 nH)引起串聯(lián)臂諧振器的諧振頻點向低頻端移動，并聯(lián)臂匯流條的電感L2(0.6 nH)引起并聯(lián)臂諧振器的諧振頻點向低頻端移動，匯流條對地電容C2(0.25 pF)導(dǎo)致并聯(lián)臂諧振器的反諧振頻率向低頻端移動，以上因素導(dǎo)致濾波器通帶阻抗不匹配[4-5]。

圖6 匯流條寄生參數(shù)對濾波器的S21頻響和駐波產(chǎn)生影響的仿真結(jié)果

為了獲得更好的濾波器性能，我們將圖4所示的全部匯流條的寄生參數(shù)納入設(shè)計參數(shù)中，以解決濾波器研制過程中遇到的通帶波動大，駐波大等問題。圖7為考慮封裝和全部匯流條寄生參數(shù)的設(shè)計方案(方案3)的仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果。由圖可見，實驗測試值與仿真設(shè)計值吻合較好，表明此仿真模型用于設(shè)計高頻SAW濾波器的有效性。

圖7 考慮封裝和匯流條的寄生參數(shù)設(shè)計的濾波器的仿真和實測頻響

3 結(jié)束語

經(jīng)測試，在高頻情況下，封裝、鍵合線和匯流條的電磁寄生參數(shù)對SAW濾波器的性能有明顯影響。本文通過建立包含封裝、鍵合線和匯流條寄生參數(shù)的等效電路模型實現(xiàn)了電聲-電磁聯(lián)合仿真，所設(shè)計的SAW濾波器可有效避免因封裝、鍵合線和匯流條的電磁寄生參數(shù)而引起的濾波器通帶波動大，駐波大的問題。所制備的濾波器通帶中心頻率為1 746.6 MHz，通帶內(nèi)駐波最大值為2.1，最小插入損耗0.87 dB，波動0.5 dB，-1.5 dB帶寬75.7 MHz， -3 dB帶寬84 MHz (相對帶寬為4.8%)，-30 dB帶寬112 MHz，BW-3 dB/BW-30 dB矩形系數(shù)1.33，帶外抑制優(yōu)于-30 dB。