5G通信載波聚合用B34 & B39雙接收濾波器研制

史向龍，陳曉陽，蘇 波，張俊茜，于倩至，孫偉彬(北京無線電測(cè)量研究所，北京 100854)

0 引言

聲表面波(SAW)器件具有體積小，可靠性高及一致性好等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信方面應(yīng)用較廣。近年來，隨著多輸入多輸出(MIMO)、波束成形及大規(guī)模載波聚合等5G關(guān)鍵通信技術(shù)的發(fā)展，更多通信頻段得到了應(yīng)用。多載波聚合技術(shù)需要更多射頻器件，由于每個(gè)射頻通道需使用不同的射頻前端和天線部分，上傳、下載的速率越快，所需載波數(shù)越多，新增射頻器件則越多。為了高效地通過載波聚合技術(shù)將頻段內(nèi)及跨頻段的無線信道進(jìn)行有序聚合，以增加信號(hào)帶寬，從而提高傳輸速率，需要在天線和2個(gè)頻帶單獨(dú)的專用雙接收濾波器間插入一個(gè)雙接收濾波器，，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的選取[1]。

B34(2 010～2 025 MHz)、B39(1 880～1 920 MHz)作為運(yùn)營(yíng)商應(yīng)用中時(shí)分雙工(TDD)的主要頻段之一，對(duì)應(yīng)的SAW雙接收濾波器在手機(jī)射頻前端接收電路中得到了廣泛使用，本文從B34 & B39雙接收濾波器著手，基于指標(biāo)難點(diǎn)，從低損耗設(shè)計(jì)、近阻帶抑制設(shè)計(jì)、小尺寸設(shè)計(jì)、信號(hào)端匹配設(shè)計(jì)與信道匹配等方面進(jìn)行方案制定，并利用自主研發(fā)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行雙接收濾波器優(yōu)化。通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，產(chǎn)品指標(biāo)完全可滿足要求，且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明了仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件用于雙接收濾波器的設(shè)計(jì)可行，為以后同類產(chǎn)品的研發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案設(shè)計(jì)

本文研究的B34 & B39雙接收濾波器為三端口無源器件，可看作兩個(gè)單獨(dú)的接收端SAW濾波器結(jié)構(gòu)的組合，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙接收濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙信道有1個(gè)共用的信號(hào)輸入端及2個(gè)各自信道的信號(hào)輸出端。工作時(shí)，接收信號(hào)從共用信號(hào)端進(jìn)入，同時(shí)對(duì)B34 & B39接收信號(hào)進(jìn)行濾波。

器件的主要研制指標(biāo)參照了村田SAWFD1G90KA0F0A產(chǎn)品，村田Datasheet具體指標(biāo)如表1所示。

表1 村田產(chǎn)品主要指標(biāo)

由表1可看出，產(chǎn)品指標(biāo)難點(diǎn)：

1) 雙信道各自通帶的窄帶、小損耗指標(biāo)要求與近帶抑制要求。

2) 需要實(shí)現(xiàn)1.5 mm×1.1 mm×0.8 mm的小尺寸封裝。

3) 需要避免雙信道工作時(shí)信號(hào)耦合惡化指標(biāo)。

為了同時(shí)滿足以上性能，本文先對(duì)B34 & B39端分別進(jìn)行濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再?gòu)男盘?hào)端匹配設(shè)計(jì)、雙信道多目標(biāo)設(shè)定下器件全局優(yōu)化等方面著手，進(jìn)行研制方案的制訂[2]。

1.1 雙信道濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所研究器件兩個(gè)信道頻率較高，濾波器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是窄帶、小損耗及近帶抑制。對(duì)于高頻窄帶器件，只能選取阻抗元結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般減小帶寬的最好方式是外加叉指電容，但由于本項(xiàng)目指標(biāo)損耗較小，而電容的引入會(huì)增大插入損耗。因此不采用此方案，而是通過對(duì)諧振器串聯(lián)臂與并聯(lián)臂諧振器的調(diào)節(jié)，改變?yōu)V波器不同級(jí)間的零諧振點(diǎn)，從而達(dá)到減小通帶的目的[3]。最后選用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示?；撞牧线x取42°Y-XLiTaO3基片。

圖2 單濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選取

1.2 小型化設(shè)計(jì)

為了滿足CSP1511大小封裝，需要進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，主要考慮：

1) 指標(biāo)滿足時(shí)，盡量限制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即減少諧振器級(jí)數(shù)。

2) 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置時(shí)盡量限制器件尺寸。

這需要在優(yōu)化前對(duì)結(jié)構(gòu)指條數(shù)、指條周期、金屬化比及孔徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理約束，從而在一定尺寸范圍內(nèi)優(yōu)化器件參數(shù)。

1.3 信號(hào)間隔離設(shè)計(jì)與信道匹配設(shè)計(jì)

雙接收濾波器可看作兩個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)的并聯(lián)，考慮濾波器間匹配、信號(hào)間串?dāng)_及電磁隔離等影響，器件性能嚴(yán)重劣化，如圖3所示。

圖3 器件雙通道并聯(lián)性能劣化

在雙接收濾波器的設(shè)計(jì)中，信道的隔離與匹配是一個(gè)難點(diǎn)。雙接收濾波器中兩個(gè)通道的濾波器設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上，并且共用同一個(gè)信號(hào)輸入端，由于芯片很小，所以還要通過隔離設(shè)計(jì)降低B34 & B39接收信號(hào)在芯片間的空間耦合和信號(hào)串?dāng)_。

首先，規(guī)劃版圖布局，如加大雙信道濾波器空間間距(尤其是不同級(jí)的間距)來降低或消除信號(hào)間的串?dāng)_[4]。

其次，通過物理隔離，使得各自頻段的接收信號(hào)盡量屏蔽在自己的區(qū)域內(nèi)，使各區(qū)域不受干擾。本文在雙信道芯片間的合理位置增加一定量的接地植球，提高信道間電磁隔離度[5]。

最后，本文采用1.5 mm×1.1 mm的陶瓷雙層基板進(jìn)行封裝。設(shè)計(jì)基板時(shí)，考慮寄生效應(yīng)與串?dāng)_，在基板走線、互聯(lián)孔尺寸與排布、單層高溫共燒陶瓷(HTCC)厚度等方面進(jìn)行綜合考慮；設(shè)計(jì)引線電阻、絕緣電阻及布線延遲等方面進(jìn)行精確仿真。盡量減小封裝損耗，同時(shí)提高信號(hào)隔離度。

2 仿真及優(yōu)化

2.1 仿真及優(yōu)化原理

低損耗SAW濾波器的設(shè)計(jì)一般主要采用耦合模式模型(COM)進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)指條陣列中存在兩個(gè)波動(dòng)模式，一個(gè)沿+x方向傳播，即為R(x),一個(gè)沿-x方向傳播，即為S(x), 如圖4所示。

COM方程[6]為

Φk)S(x)+jα(x)exp(-jk0x+

jΦT(x))VT

(1)

jΦk)R(x)-jα(x)exp(jk0x-

jΦT(x))VT

(2)

jΦT(x))R(x)+j2α(x)exp(-jk0x+

jΦT(x))S(x)

(3)

通過COM方程可求出構(gòu)成濾波器單元的P矩陣，再通過P矩陣級(jí)聯(lián)得到濾波器的Y矩陣，計(jì)算可得濾波器的聲學(xué)響應(yīng)。COM理論計(jì)算速度很快，可快速進(jìn)行器件仿真及自動(dòng)優(yōu)化。

由于COM理論忽略了聲表面波與漏波及體聲波的相互作用、聲表面波與電極的相互作用等因素，所以COM仿真結(jié)果需要通過有限元法/邊界元法(FEM/BEM)理論進(jìn)行驗(yàn)證。目前FEM/BEM為最精確的SAW濾波器聲學(xué)仿真理論，在業(yè)內(nèi)已被廣泛使用，但由于其仿真速度慢，無法進(jìn)行器件優(yōu)化。所以實(shí)際設(shè)計(jì)器件時(shí)，先通過COM理論對(duì)器件進(jìn)行快速優(yōu)化，再用Ansys HFSS對(duì)器件結(jié)構(gòu)建模，并進(jìn)行聲電協(xié)同全波仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合FEM/BEM進(jìn)行器件最后性能驗(yàn)證[7]。

2.2 仿真及優(yōu)化過程

2.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

先單獨(dú)設(shè)計(jì)濾波器。在器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與版圖結(jié)構(gòu)確定后，通過對(duì)器件結(jié)構(gòu)給定合理的目標(biāo)函數(shù)及初始結(jié)構(gòu)的合理上下限接口進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于B34 & B39信道，各自在對(duì)應(yīng)濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加設(shè)計(jì)自由度，可得到性能良好的濾波器參數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，每塊都對(duì)指條數(shù)、周期、金屬化比及孔徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化初始值設(shè)置。以B34為例，部分諧振器初始值如表2所示。

表2 優(yōu)化初始值設(shè)定

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置合理的上下限數(shù)值，可進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算。如果優(yōu)化時(shí)結(jié)果不合理，且此時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)正好位于上下限，需及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

通過以上方法得到B34 & B39信道的單濾波器諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)初值及對(duì)應(yīng)的聲學(xué)仿真曲線，如圖5所示。

圖5 B34 & B39各單信道濾波器聲學(xué)仿真曲線

2.2.2 仿真驗(yàn)證

B34 & B39濾波器各自優(yōu)化出合理的結(jié)果后，得到聲學(xué)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)。如圖6所示，在HFSS中對(duì)封裝整體(包括封裝基板、植球、基片、匯流條等)進(jìn)行建模仿真，得到包含所有封裝電磁效應(yīng)的TouchStone 格式S參數(shù)[8-9]。

圖6 HFSS封裝建模示意圖

利用HFSS計(jì)算出TouchStone 格式S參數(shù)后，再結(jié)合雙信道聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行聲電協(xié)同全波仿真來反復(fù)優(yōu)化，與濾波器設(shè)計(jì)相比，雙接收濾波器優(yōu)化時(shí)目標(biāo)函數(shù)設(shè)置更復(fù)雜，需要把雙信道的通帶損耗、抑制、回波損耗及匹配參數(shù)等同時(shí)優(yōu)化。

每次優(yōu)化出良好結(jié)果后，再用FEM/BEM結(jié)合電磁仿真來精確驗(yàn)證器件性能，如圖7所示。通過反復(fù)迭代優(yōu)化、驗(yàn)證，最終得到符合指標(biāo)的器件響應(yīng)及對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖7 聲電協(xié)同全波仿真

2.3 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

根據(jù)最后用FEM/BEM結(jié)合電磁仿真驗(yàn)證過的結(jié)果，開展了制版與流片工作，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示。由圖可看出，B34 & B39信道的通帶及抑制等性能很好，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的精確性。說明本文設(shè)計(jì)方案可應(yīng)用于手機(jī)的聲表面波器件設(shè)計(jì)。

圖8 雙接收濾波器仿真與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

實(shí)際性能與村田datasheet實(shí)際指標(biāo)對(duì)比如圖9所示。由圖可看出，雖然工藝受限，器件指標(biāo)與仿真結(jié)果有誤差，但兩者的通帶、抑制等性能吻合很好，且能滿足客戶指標(biāo)，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。表3為實(shí)測(cè)指標(biāo)對(duì)比。

圖9 村田對(duì)標(biāo)實(shí)測(cè)曲線

表3 實(shí)測(cè)指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)B34 & B39雙接收濾波器進(jìn)行仿真分析和實(shí)際制作驗(yàn)證，首先通過對(duì)雙信道濾波器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到合適的聲學(xué)諧振器結(jié)構(gòu)初值，再將器件版圖、封裝參數(shù)、測(cè)試版在HFSS中建模仿真出包含器件整體電磁效應(yīng)的TouchStone 格式S參數(shù)，設(shè)定合理的目標(biāo)函數(shù)，對(duì)雙通道濾波器進(jìn)行整體優(yōu)化仿真。最終實(shí)現(xiàn)通帶損耗、帶外抑制、封裝尺寸等電性能指標(biāo)均滿足市場(chǎng)要求的雙接收濾波器器件研制。

由于晶圓試制與封裝全流程通過外協(xié)進(jìn)行，不同廠家工藝條件對(duì)設(shè)計(jì)修正不同，導(dǎo)致器件性能部分與仿真誤差，但總體器件性能與預(yù)期較吻合，本文設(shè)計(jì)不僅可滿足diplexer的設(shè)計(jì)，且還可用于雙工器及多工器的研制，為后續(xù)民用SAW器件的研制提供了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。