Wi-Fi频段体声波滤波器的设计

为了保证移动设备在Wi-Fi频段正常工作且不受相邻频段的干扰,设计了一种用于Wi-Fi IEEE802.11b频段(2402~2482 MHz)的BAW滤波器。设计基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的一维Mason等效电路模型构成初始结构的梯形滤波器。然后,将串联FBAR的谐振区面积值以及串、并联FBAR的谐振区面积的比值设置为优化参数,以所需的滤波器的带内插损和带外抑制为优化目标,使用ADS软件基于遗传和梯度的优化算法对滤波器进行优化。在滤波器的设计过程中,为了使仿真结果更加精确,采用声电磁协同仿真方法对滤波器进行仿真,并与Mason 等效电路模型仿真结果对比,结果表明,滤波器性能有所下降,带内插损增大1.6 dB,带内纹波增大1.1 dB,带外抑制基本一致。所设计的Wi-Fi频段的BAW滤波器具有低插入损耗(小于3 dB)、高带外抑制(大于40 dB)性能。     

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NbN,AlN技术的体声波器件研究

体声波滤波器由于其低插损、小尺寸、高带外抑制等特性,随着第三代移动通信以及蓝牙技术的发展而得到广泛研究,而MEMS技术和压电薄膜制备技术的进一步发展使高性能的体声波滤波器制作成为可能. 我们以单晶MgO作为器件衬底,MgO/NbN多层结构作为AlN薄膜体声波器件的反射器,NbN/AlN/NbN三层结构为谐振器.在这样的多层结构的设计中由于各种材料之间的晶格失配小,可以获得从几十纳米到几百纳米厚度不等的单晶AlN薄膜.通过控制AlN薄膜和NbN薄膜的不同厚度,可以获得不同频段范围的谐振器. 压电薄膜的质量,以及体声波在多层结构界面上的能量损耗,直接影响到谐振器电学性能.基于AlN材料的压电性能,设计了NbN/AlN/NbN三层结构的谐振器,并进行了数值模拟.     

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。     

基于ZnO薄膜的高次谐波体声波谐振器的研究

基于ZnO作压电层和蓝宝石作基底的高次谐波体声波谐振器(HBAR),采用不同电极材料和溅射方法进行优化。优化选定镀铬-金/氧化锌/铬-金/蓝宝石结构。对制备的器件进行了测试分析,结果显示,具有多模谐振特性的HBAR器件在2.87GHz Q值达到43000。根据一维Mason等效电路模型,HBAR器件还进行了理论仿真,结果表明理论结果与实测值基本一致。     

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2 dB、在Rx滤波器通带内的抑制大于40 dB;Rx滤波器的插损小于1.9 dB、在Tx滤波器通带内的抑制大于40 dB;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。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到：惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

薄膜体声波谐振器的力敏特性研究

薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器,力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式,采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR,施加应力载荷后,其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先,采用有限元(FEA)静力学仿真,得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷,基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式,预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次,采用谐响应分析,对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性,预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到:惯性力载荷作用下,FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。     

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.     

基于H型谐振器的L波段宽带高温超导滤波器设计

宽带的高节数高温超导滤波器一直是滤波器设计和制作的难点.主要原因是强耦合的设计要求使得谐振器间距过小,制作精度难以达到.本文使用H型强耦合谐振器设计和制作了中心频率1335 MHz、相对带宽28%的14节高陡峭度超导滤波器.H型谐振器具有耦合系数高和结构紧凑、对称的性质.高的耦合系数使得H型谐振器适合用于宽带滤波器的设计;紧凑、对称的结构使得高节数的高性能宽带滤波器的实现成为可能.高温超导滤波器在无调谐情况下测试结果为S21<0.33 dB,S11<-11.3 dB,带外抑制超过70dB,矩形系数达到1.3,测试结果与设计结果符合得很好.     

A new model for film bulk acoustic wave resonators

Based on cavity resonance and sandwich composite plate （3D） theoretical model for frequency dispersion characterization theory, this paper presents a universal three-dimensional and displacement profile shapes of the film bulk acoustic resonator （FBARs）. This model provides results of FBAR excited thickness-extensional and flexure modes, and the result of frequency dispersion is proposed in which the thicknesses and impedance of the electrodes and the piezoelectric material are taken into consideration; its further simplification shows good agreement with the modified Butterworth-Van-Dyke （MBVD） model. The displacement profile reflects the vibration stress distribution of electrode shapes and the lateral resonance effect, which depends on the axis ratio of the electrode shapes a/b. The results are consistent with the 3D finite element method modeling and laser interferometry measurement in general.     

一种新型宽带可调谐光滤波器的设计

提出了一种由嵌入式环谐振腔和Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪组成的新颖带通滤波器,嵌套环是在环谐振腔的基础上,引入一个类似双线耦合环谐振器的外谐振环。依据耦合模理论推导出滤波器传递函数,并分析了环的光学长度、耦合系数和内外环长度比对其影响。模拟结果证明,通过改变结构参数,滤波器的中心波长和带宽可调,中心波长在1520nm~1600nm波段任意可调,带宽调整范围可达0.2nm~102nm。且保持输出波形有较高的平坦度和较低的旁瓣,可满足通信系统宽带及超窄带带通滤波器的设计要求。     

Fabrication and analysis of ZnO thin film bulk acoustic resonators

This study employs RF magnetron sputter technique to deposit high C-axis preferred orientation ZnO thin film on silicon substrate, which is then used as the piezoelectric thin film for a thin film bulk acoustic resonator (FBAR). Electrical properties of the FBAR component were investigated by sputtering a ZnO thin film on various bottom electrode materials, as well as varying sputter power, sputter pressure, substrate temperature, argon and oxygen flow rate ratio, so that structural parameters of each layer were changed. The experimental results show that when sputter power is 200 W, sputter pressure is 10 mTorr, substrate temperature is 300 °C, and argon to oxygen ratio is 4:6, the ZnO thin film has high C-axis preferred orientation. The FBAR component made in this experiment show that different bottom electrode materials have great impact on components. In the experiment, the Pt bottom electrode resonant frequency was clearly lower than the Mo bottom electrode resonant frequency, because Pt has higher mass density and lower acoustic wave rate. The component resonant frequency will decrease as ZnO thin film thickness increases; when top electrode thickness is higher, its resonant frequency also drops, due to top electrode mass loading effect and increased acoustic wave path. Therefore, ZnO thin film and top/bottom electrode thickness can be fine-tuned according to the required resonant frequency.     

Synthesis of bandpass grid filter for linear polarized millimeter wave

A method based on equivalent circuit and transmission line model is proposed to design narrow bandpass grid filters in short millimeter wave. Several bandpass filters with 2, 3 or 4 element inductive wire grids in the 70GHz region have been designed with Butterworth or Chebyshev characteristic for linear polarized wave. The agreement between measurement and design theory is good and this proves the rationality and practicality of our design theory.     

Behavior of Al/Cu/Ti electrodes in surface acoustic wave filter at high power

Driven by the need for high data-rates and continuous reduction in device size, surface acoustic wave filters are required to work under increasingly high power. In this work, a series of 2.7 GHz surface acoustic wave filters with Al/Cu/Ti three-layered electrode were fabricated and loaded with high power. Those three-layered electrodes showed weaker texture but higher stability than Al-Cu alloy electrode at high power. Morphologies, microstructures and elements distribution in cross section of fingers were analyzed carefully before and after high power loading. Results show that the circular-arc-shaped outline of fingers were appeared in most samples after high power loading, and the number of gains in the finger cross section changed from some into several with much larger volume. The features of distribution of Cu atoms also coincided with these microstructures. By finite element method and phase diagram analysis, the higher stability of Al/Cu/Ti three-layered electrodes are attributed to precipitation of θ-CuAl₂ in the bottom edge of electrode finger and Cu-doped α-Al in the center top.