基于MBVD模型的FBAR濾波器的仿真與研究

白玉慧 任家泰 王瑞

摘? 要： 從MBVD等效電路模型出發(fā)，研究了三種不同級(jí)聯(lián)方式下FBAR濾波器的濾波效果，同時(shí)選取了其中濾波效果更好、應(yīng)用更為廣泛的梯形結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步分析不同級(jí)聯(lián)階數(shù)下梯形結(jié)構(gòu)FBAR濾波器的帶內(nèi)插入損耗與帶外抑制的變化趨勢(shì)，并通過仿真分析設(shè)計(jì)得出符合5G通信頻段（3.4-3.6 GHz）標(biāo)準(zhǔn)的中心頻率為3.5 GHz，帶寬為100 MHz的五階梯形結(jié)構(gòu)FBAR濾波器。

關(guān)鍵詞： 薄膜體聲波諧振器（FBAR）;MBVD模型;仿真;梯形結(jié)構(gòu)

【Abstract】： Based on the MBVD equivalent circuit model， the filtering effects of FBAR filters in three different cascade modes are studied. At the same time， the ladder structure with better filtering effect and wider application is selected， and the variation trend of in-band insertion loss and out-of-band rejection of FBAR filter under different cascade orders is further analyzed. Through the simulation analysis design， a six-stepped FBAR filter with a center frequency of 3.5 GHz and a bandwidth of 100 MHz conforming to the 5G communication band （3.4-3.6 GHz） is obtained.

【Key words】： Thin film bulk acoustic resonator （FBAR）; MBVD model; Simulation; Trapezoidal structure

0? 引言

無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，增加了對(duì)頻段資源的需求，使得通信元器件向高頻方向發(fā)展。正如發(fā)展迅猛的5G移動(dòng)通信技術(shù)，其綜合了前四代技術(shù)，提高了峰值速率，進(jìn)一步提升了在實(shí)際應(yīng)用中的安全性、穩(wěn)定性和覆蓋范圍[1]。在頻段資源寶貴的前提下，良好的頻率選擇及控制功能是射頻前端器件必備的。薄膜體聲波諧振器（FBAR）是近年來出現(xiàn)的采用薄膜和微納米技術(shù)加工的高頻諧振器。陶瓷介質(zhì)諧振器高功率容量和低插入損耗，但體積過大，不符合微型化的要求;SAW濾波器的尺寸在幾百微米量級(jí)，但具有插損較大、工作頻率低的缺點(diǎn)[2]。相比，F(xiàn)BAR濾波器的性能超越了介質(zhì)濾波器和

SAW濾波器，具有低損耗、高Q值的優(yōu)點(diǎn)，且能與CMOS工藝兼容，滿足射頻前端進(jìn)一步集成化的要求。本文基于FBAR的MBVD電路模型，運(yùn)用ADS仿真軟件對(duì)不同級(jí)聯(lián)方式及不同級(jí)聯(lián)階數(shù)下的FBAR濾波器的性能進(jìn)行仿真與研究，探究其對(duì)FBAR濾波器的性能影響。

1? FBAR的基本原理

FBAR是由上下金屬層與其中間夾的壓電薄膜構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)的器件。它利用材料的壓電性，將電能轉(zhuǎn)化為聲能，聲波在介質(zhì)與空氣的界面上發(fā)生發(fā)射，形成駐波震蕩，并由逆壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為電能[3，4]。

為了通過軟件對(duì)FBAR的性能進(jìn)行仿真，我們需要應(yīng)用FBAR的等效電路模型。常見的電學(xué)模型是BVD模型和MBVD模型。傳統(tǒng)BVD模型只考慮了的機(jī)械損耗，且只能對(duì)指定的諧振點(diǎn)附近進(jìn)行等效[5]。MBVD模型在BVD模型的基礎(chǔ)上添加了和兩個(gè)元器件，分別表示壓電薄膜的介質(zhì)損耗和電極損耗。MBVD電路模型表示的是諧振點(diǎn)附近的等效電路，如圖3。其中，為靜態(tài)電容，， ，和，分別表示與機(jī)械相關(guān)的動(dòng)態(tài)電容、靜態(tài)電感和損耗[6]。

按照MBVD模型，在ADS的“cell”文件下新建“Schematic”電路模型界面，在“Lumped-Components”庫(kù)中選取所需元器件并連接。使用“tunning”控件逐步調(diào)整六個(gè)元器件的參數(shù)，直到滿足設(shè)計(jì)要求，最終得到了如圖4的串聯(lián)FBAR的MBVD模型及其在ADS中的參數(shù)。使用“S-Parameters”仿真儀對(duì)FBAR進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真頻率為3.3～3.7 GHz，仿真步長(zhǎng)為100KHz，如圖6所示。FBAR的S（2，1）曲線（其代表的是2端口的傳輸波與1端口的入射波之間的比值），為滿足傳輸效率，一般情況下要求>–3 dB。由于本文設(shè)計(jì)的FBAR是雙端口網(wǎng)絡(luò)，該FBAR的Z值與S參數(shù)值有如下關(guān)系：

其中為特征阻抗，等于50 Ω。在ADS仿真界面上點(diǎn)擊“Eqn”控件，在其中鍵入上式，仿真得到如圖7的FBAR頻率阻抗仿真曲線圖。

FBAR濾波器是由一組諧振頻率相同的串聯(lián)FBAR和另一組諧振頻率相同的并聯(lián)FBAR連接組成，并且要求并聯(lián)FBAR的諧振頻率略低于串聯(lián)FBAR的諧振頻率。按照同樣的設(shè)計(jì)方法，調(diào)整并聯(lián)FBAR的參數(shù)，得到了圖5并聯(lián)FBAR的MBVD模型及其在ADS中的參數(shù)。將滿足設(shè)計(jì)要求的FBAR進(jìn)行封裝，封裝后的元器件如圖8。

3? FBAR濾波器的工作原理

一個(gè)串聯(lián)FBAR諧振器與一個(gè)并聯(lián)FBAR諧振器的連接就構(gòu)成了基本FBAR帶通濾波器[7]，連接方式如圖9。N階的濾波器由N個(gè)串聯(lián)FBAR諧振器和N個(gè)并聯(lián)FBAR諧振器組成。由圖10可知，串聯(lián)FBAR的并聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率決定了FBAR濾波器的帶寬，串聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)FBAR的并聯(lián)諧振頻率對(duì)應(yīng)濾波器的中心頻率[8]。

4? FBAR濾波器的仿真研究

4.1? FBAR濾波器的級(jí)聯(lián)方式及其仿真

常見的FBAR濾波器的電學(xué)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)有三種，分別是梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、橋式結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。它們的具體級(jí)聯(lián)方式如下圖11。不同的級(jí)聯(lián)方式對(duì)濾波器的性能有影響，因此我們使用ADS，在級(jí)聯(lián)階數(shù)相同的情況下分別按照不同的級(jí)聯(lián)方式將之前設(shè)計(jì)好的串并聯(lián)FBAR諧振器連接在一起，通過觀察濾波器的頻率-阻抗圖，分析不同級(jí)聯(lián)方式對(duì)濾波器濾波性能的影響。由圖12的仿真結(jié)果及輔助線我們可以看出不同級(jí)聯(lián)方式下濾波器的濾波效果是不一樣的。其中，梯形結(jié)構(gòu)濾波器具有陡峭的抑制響應(yīng)，但是對(duì)無用頻帶的抑制性能較低;橋式結(jié)構(gòu)濾波器對(duì)無用頻帶的抑制性能高于梯形結(jié)構(gòu)濾波器，但其具有更低的滾降系數(shù);結(jié)合結(jié)構(gòu)濾波器的抑制響應(yīng)低于梯形結(jié)構(gòu)和橋式結(jié)構(gòu)，但其在通帶附近有陡峭的響應(yīng)，多應(yīng)用于W-CDCMA射頻前端[9]。由于梯形結(jié)構(gòu)濾波器在上下兩個(gè)阻帶各有一個(gè)傳輸零點(diǎn)，所以滾降很快，矩陣系數(shù)高[10]，因此在接下來的研究中將選用梯形結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步仿真分析。

4.2? 級(jí)聯(lián)階數(shù)對(duì)濾波性能的影響

濾波器的帶外抑制與諧振器的級(jí)聯(lián)階數(shù)有關(guān)，通常級(jí)聯(lián)階數(shù)越高其帶外抑制能力越強(qiáng)。為探究較合適的FBAR濾波器的級(jí)聯(lián)階數(shù)，本文接下來在ADS中分別構(gòu)建一階（S（2，1）曲線）、二階（S（4，3）曲線）、三階（S（6，5）曲線）、四階（S（8，7）曲線）、五階（S（10，9）曲線），分析其頻率響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖13。通過觀察m1、m2、m3點(diǎn)可知，隨著諧振器級(jí)聯(lián)階數(shù)的增加，F(xiàn)BAR濾波器的插入損耗也逐漸增大，帶外抑制能力也逐漸增強(qiáng)。相較于FBAR濾波器的帶外抑制優(yōu)化效果來說，增加級(jí)聯(lián)階數(shù)所帶來的插入損耗的惡化程度是很小的，因此我們可以適當(dāng)犧牲帶內(nèi)插入損耗來獲取較好的帶外抑制。

按照5G通信頻段（3.4-3.6 GHz）標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)BAR濾波器通常需要滿足帶內(nèi)插損小于3 dB，帶外抑制大于40 dB的技術(shù)指標(biāo)，觀察數(shù)據(jù)可知，當(dāng)級(jí)聯(lián)階數(shù)為5時(shí)，該濾波器滿足技術(shù)指標(biāo)。

5? 結(jié)論

在5G技術(shù)廣泛被應(yīng)用的時(shí)代背景下，F(xiàn)BAR濾波器以其遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)介質(zhì)濾波器和聲表面波濾波器的性能指數(shù)而被廣泛研究。本文主要探究濾波器的級(jí)聯(lián)方式與級(jí)聯(lián)階數(shù)對(duì)濾波效果的影響。通過實(shí)驗(yàn)仿真，本文得出按梯形結(jié)構(gòu)、橋式結(jié)構(gòu)、結(jié)合結(jié)構(gòu)濾波器額順序，它們的帶內(nèi)插入損耗和帶外抑制是逐漸增大的;其次，隨著級(jí)聯(lián)階數(shù)的增加，梯形FBAR濾波器的帶內(nèi)插入損耗和帶外抑制也都是逐漸增大的，且當(dāng)級(jí)聯(lián)階數(shù)為5時(shí)，我們得到了帶內(nèi)插入損耗為1.266dB，左右邊帶外抑制分別為49.428dB、43.351dB的滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的梯形FBAR濾波器。

參考文獻(xiàn)

[1]張熙鵬. 5G移動(dòng)通信技術(shù)及未來發(fā)展趨勢(shì)[J]. 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2018（01）： 94-95.

[2]金浩. 薄膜體聲波諧振器（FBAR）技術(shù)的若干問題研究[D]. 浙江大學(xué)， 2006.

[3]Rosebaum J F. Bulk Aoustic Wave Theory and Devices[M]. Boston： Artech House， 1992.

[4]王德苗， 金浩， 董樹苗. 薄膜體聲波諧振器（FBAR）的研究進(jìn)展[J]. 電子元件與材料， 2005.

[5]Larson Iii， J. D.， etal. A BAW antenna duplexer for the 1900 MHz PCS band Proc. 1999 IEEE Ultrasonics Symposium. 1999. Caesars Tahoe， NV. p. 887-890.

[6]Larson Iii， J. D.， et al. Modified Butterworth-Van Dyke circuit for FBAR resonators andautomated measurement system. in Proc. 2000 IEEE Ultrasonics Symposium. 2000. SanJuan. p. 863-868.

[7]周斌， 高楊， 何移， 李君儒， 何婉婧. 窄帶FBAR帶通濾波器設(shè)計(jì)[J]. 微納電子技術(shù)， 2013， 50（08）： 487-493.

[8]賈樂， 高楊， 韓超， 呂軍光. Wi-Fi頻段體聲波濾波器的設(shè)計(jì)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束， 2017， 29（10）： 111-116.

[9]Ueda M， Hara M， Taniguchi S， et al. Development of an X-Band Filter Using Air-Gap-Type Film Bulk Acoustic Resonators[J]. Japanese Journal of Applied Physics， Part 1： Regular Papers and Short Notes and Review Papers， 2008， 47（5 PART 2）： 4007-4010.

[10]賈樂， 高楊， 韓超， 呂軍光. Wi-Fi頻段體聲波濾波器的設(shè)計(jì)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束， 2017， 29（10）： 111-116.