基于七換能器結(jié)構(gòu)的Band3-Rx濾波器產(chǎn)品設(shè)計(jì)

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

0 引言

聲表面波(SAW)射頻濾波器以其低損耗，小體積及高矩形度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在民用智能終端、軍用雷達(dá)、電子對(duì)抗及衛(wèi)星通信技術(shù)中[1]。

Band3為智能手機(jī)通信頻段，通帶頻率為1 805～1 880 MHz，在通信領(lǐng)域有很大的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)需求。根據(jù)我國(guó)目前頻譜規(guī)劃，行業(yè)在授權(quán)連續(xù)頻譜建設(shè)無(wú)線寬帶專(zhuān)網(wǎng)唯一可使用1 785～1 805 MHz頻段，多數(shù)行業(yè)專(zhuān)網(wǎng)承載業(yè)務(wù)和安全生產(chǎn)直接相關(guān)[2]，而此頻段與Band3接收頻段相鄰，為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需提高Band3-Rx濾波器左側(cè)的矩形度及抑制。目前手機(jī)聲表面波(SAW)濾波器以日本的MuRata綜合性能最優(yōu)，因此，本文設(shè)計(jì)了以MuRata規(guī)格書(shū)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以期達(dá)到甚至超越其指標(biāo)要求。

有限元法/邊界元法(FEM/BEM)作為一種通用且最精準(zhǔn)的SAW器件分析方法已被廣泛應(yīng)用，但FEM/BEM法計(jì)算量大[3]，目前大多應(yīng)用于產(chǎn)品投板前的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，無(wú)法直接用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)及優(yōu)化。與FEM/BEM法不同，耦合模式模型(COM)采用類(lèi)似于等效電路模型的唯象模型[4]，用幾個(gè)參數(shù)表征表面波的傳播、反射、激發(fā)及衰減等性能，其仿真速度極快，并通過(guò)提取隨頻率變化的COM參量及部分參數(shù)修正[5]，可得到與FEM/BEM法接近的結(jié)果，能更好地實(shí)現(xiàn)快速仿真全自動(dòng)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本產(chǎn)品使用自主研發(fā)的COM優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用FEM/BEM軟件實(shí)現(xiàn)聲學(xué)性能的精確驗(yàn)證。

1 縱向耦合多模SAW濾波器設(shè)計(jì)原理

SAW的基本原理是SAW通過(guò)叉指換能器(IDT)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，并在聲學(xué)端濾波的過(guò)程。縱向耦合多模SAW(MMS)濾波器一般由反射柵、，傳播空隙和多個(gè)IDT等組成，如圖1所示。

圖1 MMS濾波器結(jié)構(gòu)

MMS濾波器的設(shè)計(jì)主要采用COM分析法。COM模型的基本思想為柵格內(nèi)同時(shí)存在多個(gè)傳播聲波模式，通過(guò)柵格陣內(nèi)指間反射相互耦合，同時(shí)外加電壓通過(guò)柵格的換能作用又激發(fā)出向多個(gè)方向傳播的聲波模式。而這些聲波模式間存在一定的線性關(guān)系，這一線性關(guān)系可用COM方程表征[6]，并以此為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 材料、結(jié)構(gòu)及封裝的選取

2.1 材料選取

綜合考慮設(shè)計(jì)帶寬和抑制要求，芯片襯底材料選用42°-鉭酸鋰，金屬電極材料層為鋁膜。

2.2 結(jié)構(gòu)選取

針對(duì)Band3-Rx SAW濾波器帶寬大(設(shè)計(jì)相對(duì)帶寬可達(dá)4.5%)，通帶插入損耗小，左側(cè)矩形度及抑制帶抑制要求較高的特點(diǎn)，以MMS結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大帶寬和左側(cè)高矩形度。與通常的三階換能器(3-IDT)的縱向耦合結(jié)構(gòu)(DMS)相比，MMS結(jié)構(gòu)帶寬較寬，插損較小[7]。多個(gè)MMS級(jí)聯(lián)會(huì)導(dǎo)致插入損耗增大，考慮封裝及體積問(wèn)題，本設(shè)計(jì)只加入一個(gè)縱向耦合MMS。

如圖2所示，單獨(dú)的MMS無(wú)法實(shí)現(xiàn)左側(cè)高矩形度特性，右側(cè)矩形度較差。因此，選擇加入1個(gè)串聯(lián)諧振器(見(jiàn)圖3)，使其反諧振點(diǎn)提升右側(cè)矩形度及抑制水平。Band3產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)左側(cè)矩形度要求極高，本文在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上加入2個(gè)并聯(lián)諧振器(見(jiàn)圖4)，提升了矩形度和左側(cè)的整體抑制。

圖2 單獨(dú)的MMS仿真曲線

圖3 1個(gè)MMS+1個(gè)串聯(lián)諧振器仿真曲線

圖4 1個(gè)MMS+1個(gè)串聯(lián)諧振器+ 2個(gè)并聯(lián)諧振器仿真曲線

綜上所述，本文設(shè)計(jì)選用MMS加阻抗元諧振器的結(jié)構(gòu)，并以此結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，本文選用七階換能器(7-IDT)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于插入損耗更小，帶寬更大。

3 優(yōu)化過(guò)程及仿真結(jié)果

本文采用COM優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行非線性全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中指條的周期、數(shù)量、占空比及孔徑作為待優(yōu)化變量，通過(guò)不斷更改待優(yōu)化參量取值，從而逼近目標(biāo)要求結(jié)果。

3.1 優(yōu)化過(guò)程

優(yōu)化前，需先根據(jù)MuRata規(guī)格書(shū)給出目標(biāo)函數(shù)的要求，然后確定給出待優(yōu)化參量的初始結(jié)果，繪制電磁版圖，通過(guò)HFSS軟件計(jì)算包含所有封裝電磁效應(yīng)的散射參數(shù)(S參數(shù))，通過(guò)COM仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件中聲電協(xié)同仿真接口代入電磁效應(yīng)S參數(shù)，可計(jì)算包含叉指聲學(xué)響應(yīng)，版圖、基板、封裝及測(cè)試版等總的電磁效應(yīng)在內(nèi)的聲電協(xié)同全波仿真結(jié)果。然后使用優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，從而得到最接近目標(biāo)參數(shù)的仿真曲線。最后通過(guò)FEM/BEM精確聲學(xué)驗(yàn)證及HFSS得到的電磁仿真參數(shù)，最終得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證結(jié)果，而COM優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的優(yōu)化仿真結(jié)果與FEM/BEM驗(yàn)證結(jié)果基本一致，圖5為COM優(yōu)化仿真結(jié)果與FEM/BEM驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比。

圖5 COM優(yōu)化仿真結(jié)果與FEM/BEM驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比

3.2 仿真結(jié)果

優(yōu)化中采用多參量離散變量模擬退火全局優(yōu)化算法，給出優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化步進(jìn)，從初始溫度開(kāi)始退火，經(jīng)過(guò)3次退火可得穩(wěn)定的結(jié)果。

通過(guò)設(shè)計(jì)初始值及目標(biāo)值的調(diào)整，多次進(jìn)行優(yōu)化迭代后經(jīng)FEM/BEM驗(yàn)證，最終得到符合要求的仿真曲線，如圖6所示。

圖6 仿真結(jié)果圖

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)首次采用7-IDT縱向耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)測(cè)結(jié)果可滿足指標(biāo)要求。圖7、8為7-IDT通帶與遠(yuǎn)帶實(shí)測(cè)仿真對(duì)比結(jié)果。由圖可知，仿真與實(shí)測(cè)差異較小，能精確表達(dá)出實(shí)測(cè)結(jié)果插入損耗及帶外抑制度。實(shí)測(cè)結(jié)果中最小插損為1.04，左側(cè)帶外抑制小于40 dB。

圖7 7-IDT實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果近阻帶對(duì)比

圖8 7-IDT實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果通帶對(duì)比

本設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)滿足Murata規(guī)格書(shū)指標(biāo)，與Murata規(guī)格書(shū)指標(biāo)相比，實(shí)測(cè)遠(yuǎn)帶抑制較優(yōu)，除通帶兩端略有差異外(主要原因是Murata的工藝更好，器件品質(zhì)因數(shù)Q值較高)，兩者通帶插入損耗相差很小，如圖9、10所示。

圖9 實(shí)測(cè)結(jié)果與Murata規(guī)格書(shū)近阻帶指標(biāo)對(duì)比

圖10 實(shí)測(cè)結(jié)果與Murata規(guī)格書(shū)遠(yuǎn)帶指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)與MuRata規(guī)格書(shū)指標(biāo)相當(dāng)，在整體的帶外抑制上，明顯優(yōu)于Murata產(chǎn)品結(jié)果。完全滿足市場(chǎng)需求。WISOL和TAIYO YUDEN公司的Band3-Rx產(chǎn)品，都采用外加調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)，與其產(chǎn)品相比，本文所研制產(chǎn)品性能更加優(yōu)越。