体声波双工器中滤波器的参数化设计方法

Tx与Rx滤波器,作为体声波(BAW)双工器的关键部件,其中各薄膜体声波谐振器(FBAR)单元的谐振区面积会影响滤波器的插入损耗和带外抑制这两个重要指标。由于这两个指标是相互制约的,在设计时往往需要折衷考虑,这使得各FBAR单元的谐振区面积设计成为BAW双工器设计的难点之一。为了解决这一问题,提出了一种Tx与Rx滤波器的参数化设计方法。在ADS软件中以FBAR的Mason模型为基础构建了梯形拓扑结构的滤波器电路模型。设置其中各串联FBAR的谐振区面积值以及串并联FBAR的谐振区面积比值为两类优化参数。以给定的滤波器插入损耗与带外抑制为优化目标,使用ADS软件中基于梯度的优化算法得到各参数的优化值。根据优化结果可以简单地计算得到滤波器中各FBAR单元的谐振区面积。以一个工作在LTE band 7的BAW双工器为设计案例展示了该方法的应用流程。设计结果的仿真验证表明:Tx滤波器的插损小于2dB、在Rx滤波器通带内的抑制大于40dB;Rx滤波器的插损小于1.9dB、在Tx滤波器通带内的抑制大于40dB;满足BAW双工器中Tx与Rx滤波器的性能指标。由此验证了该方法的可行性和易用性。     

S波段窄带带通体声波滤波器设计

针对无人机测控应用设计了一种S波段窄带带通体声波(BAW)滤波器,其技术指标为:中心频率2.46 GHz,带宽41 MHz,带内插损大于-3 dB,带内纹波小于1 dB,带外抑制小于-40 dB@2.385 GHz和2.506 GHz。采用Mason模型设计了BAW滤波器中各薄膜体声波谐振器(FBAR)的叠层结构;使用变迹法设计了各FBAR(电极)的形状;采用一种自行开发的自动布局方法得到紧凑的BAW滤波器布局;建立了BAW滤波器的声-电磁协同仿真模型,通过这种高保真的多物理场仿真方法对设计结果进行了性能验证。该设计流程是通用的,并且有两个特点:采用声-电磁协同仿真方法对设计阶段的BAW滤波器进行最终性能检验,可以及早发现并拒绝1D Mason模型过于乐观的设计;滤波器布局设计中采用了一种新的自动化布局方法,大大简化了在此阶段的反复尝试工作,也为声-电磁协同仿真模型输出了必需的面内结构信息。     

BAW滤波器声-电磁协同仿真中的共地电感效应

针对体声波(BAW)滤波器声-电磁协同仿真结果中滤波器的左传输零点向左偏移的现象,验证仿真中共地电感效应的存在并分析其对滤波器性能的影响。通过分别改变BAW滤波器原始布局中的并联薄膜体声波谐振器(FBAR) P1和P4引线到地的位置,即将并联FBAR P1和P4引线到地的路径分别变短后进行声-电磁协同仿真。结果对比表明:声-电磁协同仿真中并联FBAR引线到地与输入、输出端口之间存在共地电感效应。将并联FBAR引线到地的路径变短,滤波器在声-电磁协同仿真中形成的共地电感效应减小,带外抑制性能变好。共地电感效应对于并联FBAR谐振区面积越小的支路影响越大。故在BAW滤波器声-电磁协同仿真中需考虑共地电感效应对滤波器左传输零点和左带外抑制性能的影响。     

体声波梯形滤波器的布局设计方法

为保证滤波器性能,缩小滤波器体积,提高晶圆上的芯片数量,提出一种体声波(BAW)梯形滤波器布局的设计方法。该方法包括11条设计准则和设计流程。11条设计准则限制体声波谐振器(BAWR)的形状、位置,BAWR之间的距离,BAWR与焊盘的距离和互连线。设计流程有7个步骤:(1)根据每个BAWR的有效面积,预设每个BAWR的形状;(2)根据BAW梯形滤波器电路结构,排列BAWR;(3)“压缩”布局;(4)对BAWR切趾、微调和旋转;(5)对BAWR和焊盘布线;(6)检测滤波器布局是否符合设计准则;(7)使用声-电磁联合仿真,验证滤波器布局结果。以10个BAWR串并联而成的5阶BAW梯形滤波器为案例,展示了该方法的设计准则和设计流程。优化后的滤波器布局面积利用率达到了44%。对比未优化的滤波器布局,利用该方法优化后的滤波器布局提高了BAW滤波器的带内插损和带外抑制。     

基于双螺旋谐振器的UHF（超高频）低频段窄带高温超导滤波器设计

由于弱耦合要求和基片尺寸限制,相对带宽小于0.5%的UHF低频段(～500 MHz)窄带高温超导滤波器一直是滤波器设计制作中的难点.本文应用双螺旋弱耦合谐振器设计制作了中心频率为500 MHz,相对带宽为0.4%的窄带高温超导滤波器.通过采用80 m微带线宽工艺,六节滤波器尺寸仅为28ram 8mm.测量结果表明,未经调谐,通带内最小和最大插损分别为0.12 dB、0.46 dB,反射损耗小于-13.9 dB;带边陡峭度为34 dB/MHz,带外抑制为70dB.设计及测试结果表明,双螺旋谐振器比较适用于低频窄带滤波器的设计.     

低射频窄通带高温超导滤波器设计

本文在双面YBCO高温超导薄膜上设计了12节低射频窄通带超导带通滤波器.中心频率385MHz,相对带宽1.3%,考虑到窄带滤波器对衬底介电常数的敏感性,采用MgO基片以避免基片孪晶造成的介电常数非均匀性带来的影响.为了能在不大于2英寸的基片上制备出如此低频的高性能超导滤波器,设计中选用了1/4波长的螺旋形谐振结构.设计结果的带边陡峭度达到了50dB/MHz,带内插损小于0.014dB,带外抑制达到100dB,二倍频处抑制度优于130dB.     

高温超导宽带连续通道低差损小型化双工器的仿真研究

利用全波电磁仿真软件IE3D,研究并设计了高温超导宽带低插损小型化的微波双工器,使用的导体材料是双面氧化物高温超导薄膜YBCO,基片是厚度为0.5mm介电常数为23.5的LaAlO3.双工器的工作频段为2-2.5GHz和2.5-3 GHz,在液氮温区77 K时,带内插损小于O.3 dB,通带问带外抑制大于30dB@中心频率.对将来高温超导信道化接收机系统的研究和设计具有重要的意义.     

高温超导滤波器的低温调谐技术

本文给出了高温超导滤波器的一种低温机械调谐方法,通过调谐滤波器的电场来达到优化性能的目的.此方法可以很好的改善滤波器的性能和提高产品的合格率,使基片厚度的不均匀性以及介电常数的误差对高温超导滤波器性能的影响降到最低,从而最大程度地使测试结果和计算机仿真结果相一致.文中以一个4节的高温超导微带滤波器为例,叙述了该方法的实现过程.其带宽为15MHz,中心频率为2.868GHz,带内插损为-0.04dB,反射损耗为-21dB.文中给出了带外抑制,带内特性等的调谐结果.制备完成的超导滤波器在调谐前的性能较设计结果有较大的偏差.主要表现在带内插入损耗、反射损耗特性和带外抑制的偏差.通过调谐,带内特性和带外抑制有明显的改善.带内插入损耗由调谐前的-0.44dB改善到-0.21dB;反射损耗由调谐前低端带边的-8.2dB改善到-14.27dB,但在高频端没有改善;带外抑制由实测的-28dB最大可以改善为-47dB.理论预测该调谐方法会使通带中心频率向低频端移动,我们也观察到了该现象,中心频率向低频端最大偏移了大约3.1MHz.综合各项参数,调谐后,整体性能更接近设计结果.     

基于H型谐振器的Ku波段高温超导滤波器设计

高温超导滤波器已在移动通信、射电天文、雷达探测等多个领域获得了重要应用.当前高温超导滤波器的研究和应用主要集中于10GHz以下的频段,针对超高频段(>10GHz)高温超导滤波器的研究很少.本文设计优化了具有无载Q值高、耦合强、尺寸短等特点的H型阶跃阻抗谐振器,并讨论了超高频段滤波器端口激发源的电容效应对滤波器响应的影响,最后采用优化的H型谐振器,应用去嵌入(De-Embed)设计方法消除端口效应,设计了中心频率为16GHz,相对带宽12.5%的6节高温超导滤波器.研制的超导滤波器在未经调谐的情况下,测试结果与仿真结果符合得很好,插入损耗小于0.3dB,反射损耗优于-14dB,带外抑制达到了-70dB.     

一种800MHz无线通信用高温超导滤波器的研究

本文设计了应用于800MHz无线通信系统基站的8节和14节高温超导滤波器,中心频率在800MHz附近,相对带宽为2.1%,并在以0.51mm厚度的MgO为衬底的双面YBCO薄膜上制作了14节滤波器.测试结果表明,该滤波器具有较好的性能,在60K温度下,其带内插损小于0.3dB,带边陡峭度大于25dB/MHz,带外抑制优于70dB.     

UHF波段超宽带高温超导滤波器设计

本文采用1/4波长短截线结构设计了一个超宽带滤波器.为了克服在较低频率下滤波器占用基片面积过大的问题,文中改进了1/4波长短截线滤波器的结构,大大减小了滤波器的体积,并用改进后的结构设计、制作了中心频率为785MHz,相对带宽为87%的15节超宽带高温超导滤波器,在无调谐情况下测试结果为带内S21<0.21dB,S11<-15.6dB,带外抑制超过65dB,矩形系数达到1.3,测试结果与设计结果符合得很好.     

适用于3G移动通讯的高温超导窄带滤波器

研制了一种适用于3G移动通讯基站接收机的高温超导窄带带通滤波器.其中心频率为1949.85兆赫兹,带宽为9.7兆赫兹.为了实现极高性能,理论设计了12阶准椭圆(quasi-elliptic)函数型滤波器,引入了3对传输零点.滤波器的计算机仿真是用Sonnet软件完成的.此滤波器是在直径为2英寸、厚度约为0.5毫米的氧化镁双面超导薄膜上制作的.实测表明,达到了极高的性能要求:相对带宽0.49%,带边陡度>150dB/MHZ,带外抑制>60dB,插入损耗<0.2dB,反射损耗<-14dB.     

P波段高温超导超宽带短截线滤波器设计与调谐方法研究

本文通过改进1/4波长短截线滤波器的结构,大幅减小了滤波器的尺寸.采用改进后的结构设计并制作了通带为250~480MHz的14节高温超导滤波器.在未经调谐的情况下,带内插损小于0.3dB,反射损耗大于10.9dB,带外抑制超过100dB,矩形系数达到1.3.为了实现更高的带内性能,本文提出了针对短截线型滤波器的调谐方法,调谐后滤波器的带内反射损耗改善了2.6dB,验证了本文提出的调谐方法的有效性.     

体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

薄膜体声波谐振器性能模型参数的提取方法北大核心CSCD

薄膜体声波谐振器(FBAR)性能模型包含两个关系式:一个是FBAR有效机电耦合系数与其形状因子(面积与周长之比)的关系式,另一个是FBAR品质因数与其形状因子的关系式。前一个关系式中的参数为FBAR边缘区域的等效宽度,后一个关系式中的参数为表征FBAR横向声能泄漏的因子。为使性能模型用于不同膜层结构、材料及制备工艺的FBAR,建立FBAR性能模型参数的提取流程。以一种5层复合结构的FBAR为例,在同一晶片上,制备多个不同形状因子的FBAR。针对其中一个五边形FBAR,在ADS软件中通过Mason电路模型仿真得到其性能值(有效机电耦合系数和品质因数);再使用矢量网络分析仪和射频探针台实测其性能值。将仿真与实测得到的性能值代入FBAR性能模型,解算出这两个参数。确定参数之后,使用FBAR性能模型预测同一晶片上其它不同性能因子FBAR的有效机电耦合系数和品质因数,预测值的相对误差在3%之内,验证了该参数提取流程的有效性。     

CDMA基站用14阶高温超导滤波器

研制了用于CDMA移动通信基站接收机前端的14阶高温超导带通滤波器。该滤波器的设计带宽为10.9 MHz,中心频率为830MHz;仿真得到的回波损耗约为28 dB,带内波动小于0.008 dB,带外抑制大于90 dB;该滤波器由MgO衬底上的双面DyBa2Cu3O7超导薄膜加工而成。该滤波器在无后期调谐的情况下,72K温度的实测带宽为10.9MHz,回波损耗好于20dB,插入损耗0.001 dB,边带陡峭度高达80dB/16.3MHz,实测的中心频率等指标也与仿真设计结果吻合很好,各项指标均满足应用要求。