ku波段宽带阶梯型薄膜体声波谐振滤波器的设计与分析

摘要

本文介绍了ku波段基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的梯形滤波器的设计。该FBAR滤波器的插入损耗为−3 dB，带外抑制为−12 dB，从15 GHz到16 GHz的3 dB带宽为1.0 GHz。根据FBAR滤波器的特性，利用一维数值分析确定了FBAR谐振器的预期特性。该设计证明了ku波段宽带FBAR滤波器的设计是可行的。

1.介绍

收发机系统工作在ku波段12-18 GHz的频率范围内，主要用于卫星通信和雷达。成本、面积和功耗是这种收发系统的主要优点。然而，文献表明，这些收发器大多是使用低温共火陶瓷(LTCC)技术设计的，由于使用了滤波器等分立元件和单独定位的模块，因此尺寸和重量都相对较大。多层LTCC和包上系统(system -on-package, SOP)实现能够通过将有源和无源组件集成到一块板上来克服这些问题。文献中已经报道了使用不同设计和制造方法的各种ku带滤波器，如缺陷接地结构(DGS)、数字间结构、耦合线滤波器和耦合带线滤波器已经使用LTCC技术集成[1- - - - - -3.]．然而，随着微波单片集成电路(MMIC)和射频微电子机械系统(MEMS)技术在WiFi和WiMAX应用中的应用，滤波器性能的改善和更好的集成方法[4]可用于提高集成度和降低功耗。

采用RF MEMS技术设计的薄膜体声波谐振器(FBAR)滤波器和FBAR双工器已开发用于WiFi和WiMAX应用[4]．这些MEMS器件表现出了更好的性能和更高的集成水平，这也可以在ku波段收发器中实现。薄膜型谐振器和固体安装谐振器(SMR)是两种基于与衬底隔声的fbar [5]．通过气隙实现声隔离是实现高质量()因素，使用更简单的制造方法[6]．文献表明，氮化铝具有中等的机械耦合系数、较高的声速和较高的声速，是首选材料值(7]，工作频率高于10ghz。表面声波(SAW)谐振器，其谐振频率取决于集成器件技术(IDT)电极模式的间距[8]的频率限制在15 GHz以下[9]．然而，工作在5 GHz到20 GHz频率范围内的fbar已经在文献[8，10]．由于高考虑fbar的因素，可以在ku波段设计低插入损耗滤波器，这将提高系统性能，并允许更高的集成度，导致成本损失和低功耗[11]．

FBAR滤波器有几种拓扑结构，包括阶梯型、晶格型或两者的组合[12]．FBAR滤波器有非常高的和小尺寸。此外，FBAR可以使用表面微加工在平坦的硅衬底上制造，适合大规模生产，这使得滤波器组件变得紧凑和便宜[13]．此外，FBAR还兼容MMIC和MEMS技术。据报道FBAR滤波器工作在x波段、k波段和ka波段[13- - - - - -15]．

的因子与机电耦合系数()是FBAR的两个优点。低的价值导致较高的插入损耗和较高的降低插入损耗[16]．注意到改进是很重要的结果在减少因子，因此两个参数的优化由一个优点值(FOM)定义，它是［16]．在滤波器应用中，已经证明该FOM参数与滤波器插入损耗成反比[16]．

文献表明，传统的fbar值较高因子被设计并用于FBAR滤波器电路，以评估其性能。制作了滤波器并对其性能进行了测量。然而，在本研究中，[17]用于分析基于FBAR设计变量，如串联和并联谐振频率，因子、耦合系数以及滤波器设计变量，如滤波器顺序、插入损耗和带外抑制。典型的ku波段收发机规范表明，ku波段FBAR滤波器期望插入损耗小于3 dB，带外抑制小于12 dB, 3 dB带宽为1.2 GHz [3.]．然后，基于Butterworth Van Dyke (BVD)电路所建模的FBAR滤波器特性[18，确定FBAR的预期特性。

本文组织如下2介绍ku波段收发器前端。部分3.介绍了FBAR滤波器的设计原理。部分4给出ku波段FBAR滤波器。部分5展示结果和分组6提出了结论。

2.ku波段收发机前端

图中给出了一个典型的ku波段收发器，它由低噪声放大器(LNA)、功率放大器(PA)、压控振荡器(VCO)、本振振荡器(LO)、上变频器、下变频器和滤波器组成1在[3.]．该收发机采用两种ku波段滤波器，中心频率分别为15.5 GHz和14.7 GHz。使用工作在中心频率15.5 GHz的滤波器选择频带，使用工作在中心频率14.7 GHz的滤波器滤波LO信号。表中概述了这台收发机的规格1．存在许多不同的ku波段收发器[3.，19- - - - - -21]，但在本研究中，为了获得工作在中心频率为15.5 GHz的典型ku波段滤波器的性能参数，选择了这种典型的收发器。本研究根据典型的ku带滤波器规范设计了梯形FBAR滤波器，并比较了FBAR滤波器与带状线数字间滤波器的特性。下一节将讨论基于闭型方程的FBAR滤波器的设计过程。

3.FBAR滤波器设计

梯形FBAR滤波器由若干l段组成，l段由两个谐振器组成，如图所示，一个谐振器串联，另一个谐振器并联2．滤波器的阶数等于阶梯连接中使用的fbar数。谐振器有两个谐振频率，它们是串联谐振频率，，并联谐振频率，．在时，电阻抗最小，,在电阻抗最大，．在远离或，阻抗具有静态电容的特性，［11]．

数字3.介绍了一种二阶梯形FBAR滤波器的工作原理。连续线表示梯形滤波器的典型传输响应，虚线和虚线表示串联()及平行()谐振器,分别。串联谐振器的串联频率和为串联谐振器的并联频率。与此同时,并联谐振器的串联频率和为并联谐振器的并联频率。的调到低于．梯形滤波器具有陡滚转但带外(OoB)抑制特性差。通过将更多的l型截面级联到滤波器上，可以获得更好的OoB;然而，这必须用插入损失来权衡。

3．1.滤波器设计方法

数字3.描述了FBAR滤波器的设计参数。一组用于设计FBAR滤波器的封闭形式表达式，请参见[17]．梯形FBAR滤波器的设计包括确定滤波器的阶数。带宽、OoB抑制、频率分配等规格和更低的变速器零将用作设计变量。设计过程如下:

第一步(确定和）.的价值将位于下方的传输零点，,将位于上传动零点，，如图所示3.．

步骤2(确定和）.的价值和可以用[14］
可以根据需要设置该值，但必须满足两个条件必须低于使用的材料所能达到的最大值，并且这种设计仅限于上、下传输零满足的滤波器[17］

步骤3(确定和）.近似带宽()是,在那里和是频率和是由。的将小于3db带宽()，它独立于滤波器阶数，因此大大简化了设计方程。

步骤4(确定）.的取决于价值，，，,．既然所有的共振频率都已确定，那么将计算达到指定的．FBAR电阻抗的简化方法如[22]： 结果如载于[17]： 在哪里可以是或．为了得到。的封闭形式表达式作为…的函数的近似和它们围绕中心频率对称分布，，是制造，在哪里和．它可以从(4),增加而．

第五步(确定）.图像阻抗匹配条件是确定滤波器必须达到的静态电容的条件之一。此条件定义为[17］
在哪里为源和负载的阻抗。

步骤6(计算和并确定）. 和可以用(4)和(5）.因为OoB排斥水平只取决于和,订单的滤波器，以实现所需的OoB抑制。
在设计高频宽带FBAR阶梯滤波器时，需要考虑许多因素，下一节将讨论这些因素。

4.ku波段FBAR滤波器设计

在本研究中，设计梯形FBAR滤波器来实现1.2 GHz，中心频率15.5 GHz，插入损耗3 dB，带外抑制12 dB。为了达到FBAR滤波器的要求，对影响滤波器性能的参数进行了分析。变化的影响和接下来是变化的效果，，,在章节中介绍4．1和4．2．最后，讨论了过滤顺序的影响关于OoB抑制和滤波器特性的讨论将在本节中讨论4．3．

4.1。的影响和

的影响和如图所示4,在那里等于．设计了八种不同的滤镜来研究这种效果。每个FBAR的带宽被设置为500mhz，并且两者之间的差值和设置为600mhz。用二阶滤波器特性进行比较。从图4，可以观察到增加,也增加了。还可以观察到插入损耗()没有显著变化。同时，术后OoB排斥率明显降低达到1.0 GHz，然后保持不变。从这个观察中，我们可以得出这样的结论:变宽,应增加到所需的值。

4．2．不同的影响，，,

设计了五种不同的滤波器来研究变化的效果其他参数均为常数，所得结果如图虚线所示5．首先，价值保持在15.2 GHz，而从15.5 GHz到15.9 GHz, 100 MHz步长。图中的结果5表示为二阶递减也会减少。然而，我们观察到与OoB成反比．

其次，价值保持在15.2 GHz，而从15.5 GHz到15.9 GHz, 100 MHz步长。所取得的结果用图中的虚线表示5．它可以被看作是减少,减少。人们还观察到提高，而OoB降低为减少。

改变两者的效果和其他参数为常量，如图所示为连续直线5．它表明减少也会减少。明显改善,减少。另一方面，OoB退化为减少。

根据本节描述的分析，更改，，,将直接影响过滤器的特性。从图5，可以观察到与OoB的差异逐渐减小和减少。另一方面，改善,和减少。

数字6介绍传输响应的比较()中所设计的滤波器。可以观察到，由于间距的增加，一些滤波器在中心有“中间带倾角”和FBARs。因此，这种分析的目的之一是尽量减少“中间波段的下降”。两个过滤器的值相同，，,但是不同的价值观和．如前所述,．过滤器2具有的1.55 GHz，而滤波器1有1.14 GHz。可以看到，对于滤波器2，“中间频带下降”小于3 dB，并实现了这些滤波器的频率是1.0 GHz。的变化和价值有显著的影响．OoB的关系，,图中所示7．从图7可以观察到……的增长会降低OoB。根据此分析结果，FBAR滤波器设计参数列于表中2已被选定。

接下来，我们将讨论这些过滤器的过滤顺序的优化。

4．3．的影响

FBAR滤波器的OoB只取决于和．作为已经确定之前，是选择来实现指定的．的影响对滤波器A和滤波器B的滤波器特性的研究如图所示8．人们注意到和逐渐减少,增加。同时OoB稳步改善增加。从本研究中可以明显看出，虽然提高滤波器阶数会提高OoB，但OoB会降低和的过滤器。更高的滤波器阶数需要更多的谐振器，这将导致尺寸和成本的增加。因此，我们选择滤波器A和滤波器B的最优滤波阶数分别为8和5。

5.结果

根据上述分析，可以设计工作在15.5 GHz的1.0 GHz带宽FBAR滤波器。设计滤波器所用的参数如表所示2．每个过滤器的特点总结和比较在图中8．可以看出，A滤波器的优点是比较宽和更好的但是，A滤波器的缺点是对OoB的抑制略高于b滤波器高达1.35 GHz和广泛的插入损耗值，但OoB抑制过高。从所有的分析可以看出，FBAR滤波器的宽度更大将降低滤波器的OoB拒绝，即使得到了改进。

表格3.显示了工作在x波段和ka波段的FBAR滤波器的比较。这些滤波器均设计为4级梯形滤波器，相当于8级滤波器。选取了7、8阶FBAR滤波器A和5、6阶FBAR滤波器B作为本工作的最佳滤波器特性。结果表明，本工作中FBAR滤波器的性能优于[14时，插入损耗过高，分数带宽仅为2%。到目前为止，这是第一个在ku频带频率范围内工作的FBAR滤波器。

根据所设计FBAR滤波器的特点，采用BVD等效电路设计了两组FBAR滤波器。FBAR等效电路元件的推导方程如[23]．表中列出了提取的FBAR参数4．

为了进一步分析和优化FBAR设计，采用了三维有限元法(FEM)。表5和6将提取的FBAR参数在A滤波器和b滤波器的一维和三维有限元分析中进行比较，可以看出参数值非常相似。

数字9显示传输响应()的第三级FBAR滤波器A采用一维建模和三维有限元法设计。两种分析的结果在通带内吻合良好。两个滤波器的衰减极点也很一致。由于三维有限元中引入了压电材料的损耗，在抑制问题上存在分歧。可以得出结论，所使用的一维模型可以用于预测FBAR滤波器的特性。

6.结论

采用闭合表达式设计了插入损耗为3.5 dB、带外抑制为12 dB、中心频率为15.5 GHz、分数带宽为6.45%的FBAR滤波器。据作者所知，这一分析首次表明，封闭表达式和一维模型可以用来描述宽带FBAR滤波器。通过分析得出，提高FBAR滤波器的阶数可以改善带外抑制;但是插入损耗和3db带宽会降低。结果表明，本文提出的FBAR滤波器在ku波段收发机中是一种很好的实现方案。

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