北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)體聲波濾波器設(shè)計(jì)

王帥++徐凌偉

摘 要：隨著無線通訊市場(chǎng)對(duì)微型化通信設(shè)備需求的增長(zhǎng)，普通的聲表面波濾波器已經(jīng)無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩(wěn)定性的體聲波濾波器應(yīng)運(yùn)而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了適用于北斗B1頻點(diǎn)的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號(hào)的干擾。

關(guān)鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備對(duì)頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經(jīng)逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對(duì)濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時(shí)，隨著通信電子類產(chǎn)品微型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)濾波器濾的應(yīng)用已受到體積的制約。作為曾經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導(dǎo)體襯底集成，制約了通訊產(chǎn)品的微型化進(jìn)程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關(guān)注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領(lǐng)美國(guó)雙工器市場(chǎng)，F(xiàn)BAR成為濾波器行業(yè)性的熱點(diǎn)。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對(duì)電極層、壓電層、襯底層進(jìn)行建模和聯(lián)合仿真。成功設(shè)計(jì)出適用于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)的前端濾波器。通過對(duì)襯底厚度和串并聯(lián)單元數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到的仿真結(jié)果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設(shè)計(jì)要求。

1 FBAR諧振器結(jié)構(gòu)與工作原理

FBAR諧振器整體結(jié)構(gòu)一般有膜安裝方式（MMR）、固態(tài)安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時(shí)壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態(tài)安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對(duì)象。

圖1是空氣隙型濾波器結(jié)構(gòu)圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術(shù)形成空氣隙。

對(duì)于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對(duì)于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場(chǎng)的角頻率；為壓電層的介質(zhì)電容；為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)，其數(shù)值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數(shù)、彈性強(qiáng)度和介電常數(shù)。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗；為從壓電層下表面向下看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗，表示壓電層的厚度。

對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其B1頻點(diǎn)為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點(diǎn)相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點(diǎn)，通過調(diào)整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率落在L1頻段；同時(shí)為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點(diǎn)附近，需要在允許的范圍內(nèi)減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對(duì)FBAR濾波器的建模可以基于聲學(xué)層和電學(xué)層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對(duì)各層參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本文對(duì)各層建立了Mason模型，采用一維聲學(xué)壓電方程對(duì)各層進(jìn)行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發(fā)生全反射，因此對(duì)各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進(jìn)行串聯(lián)，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學(xué)接口，可以采用散射參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

采用雙端口網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，系統(tǒng)的S參數(shù)與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數(shù)。為電學(xué)層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設(shè)計(jì)對(duì)快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進(jìn)行多級(jí)仿真。同時(shí)對(duì)于這種連接方式，并通過增加串并聯(lián)單元數(shù)量提高濾波器性能。根據(jù)濾波器中心頻率，可以計(jì)算出串、并聯(lián)諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

圖4為三級(jí)濾波器串聯(lián)獲得的S參數(shù)仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達(dá)到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號(hào)的干擾。

結(jié)語

本文以性能優(yōu)異的AlN材料為基礎(chǔ)，通過ADS仿真設(shè)計(jì)出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時(shí)在制備的過程中應(yīng)注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產(chǎn)成品能夠達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint

摘 要：隨著無線通訊市場(chǎng)對(duì)微型化通信設(shè)備需求的增長(zhǎng)，普通的聲表面波濾波器已經(jīng)無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩(wěn)定性的體聲波濾波器應(yīng)運(yùn)而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了適用于北斗B1頻點(diǎn)的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號(hào)的干擾。

關(guān)鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備對(duì)頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經(jīng)逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對(duì)濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時(shí)，隨著通信電子類產(chǎn)品微型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)濾波器濾的應(yīng)用已受到體積的制約。作為曾經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導(dǎo)體襯底集成，制約了通訊產(chǎn)品的微型化進(jìn)程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關(guān)注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領(lǐng)美國(guó)雙工器市場(chǎng)，F(xiàn)BAR成為濾波器行業(yè)性的熱點(diǎn)。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對(duì)電極層、壓電層、襯底層進(jìn)行建模和聯(lián)合仿真。成功設(shè)計(jì)出適用于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)的前端濾波器。通過對(duì)襯底厚度和串并聯(lián)單元數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到的仿真結(jié)果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設(shè)計(jì)要求。

1 FBAR諧振器結(jié)構(gòu)與工作原理

FBAR諧振器整體結(jié)構(gòu)一般有膜安裝方式（MMR）、固態(tài)安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時(shí)壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態(tài)安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對(duì)象。

圖1是空氣隙型濾波器結(jié)構(gòu)圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術(shù)形成空氣隙。

對(duì)于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對(duì)于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場(chǎng)的角頻率；為壓電層的介質(zhì)電容；為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)，其數(shù)值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數(shù)、彈性強(qiáng)度和介電常數(shù)。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗；為從壓電層下表面向下看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗，表示壓電層的厚度。

對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其B1頻點(diǎn)為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點(diǎn)相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點(diǎn)，通過調(diào)整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率落在L1頻段；同時(shí)為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點(diǎn)附近，需要在允許的范圍內(nèi)減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對(duì)FBAR濾波器的建模可以基于聲學(xué)層和電學(xué)層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對(duì)各層參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本文對(duì)各層建立了Mason模型，采用一維聲學(xué)壓電方程對(duì)各層進(jìn)行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發(fā)生全反射，因此對(duì)各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進(jìn)行串聯(lián)，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學(xué)接口，可以采用散射參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

采用雙端口網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，系統(tǒng)的S參數(shù)與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數(shù)。為電學(xué)層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設(shè)計(jì)對(duì)快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進(jìn)行多級(jí)仿真。同時(shí)對(duì)于這種連接方式，并通過增加串并聯(lián)單元數(shù)量提高濾波器性能。根據(jù)濾波器中心頻率，可以計(jì)算出串、并聯(lián)諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

圖4為三級(jí)濾波器串聯(lián)獲得的S參數(shù)仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達(dá)到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號(hào)的干擾。

結(jié)語

本文以性能優(yōu)異的AlN材料為基礎(chǔ)，通過ADS仿真設(shè)計(jì)出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時(shí)在制備的過程中應(yīng)注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產(chǎn)成品能夠達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint

摘 要：隨著無線通訊市場(chǎng)對(duì)微型化通信設(shè)備需求的增長(zhǎng)，普通的聲表面波濾波器已經(jīng)無法滿足集成化需求，一種具有更高諧振頻率和穩(wěn)定性的體聲波濾波器應(yīng)運(yùn)而生。本文以薄膜體聲波濾波器為模型，在ADS仿真基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了適用于北斗B1頻點(diǎn)的窄帶濾波器。濾波器頻帶范圍為1550Mhz～1570Mhz，帶外抑制48.8dB，插損3.1dB可以有效屏蔽GPS L1頻段信號(hào)的干擾。

關(guān)鍵詞：體聲波濾波器；氮化鋁材料；梅森模型；北斗導(dǎo)航系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，通信設(shè)備對(duì)頻帶的需求日益激增，寬頻帶通信已經(jīng)逐漸被碎片化的窄帶通信所代替，較小的帶寬對(duì)濾波器的漂移和滾降提出了更高的要求。同時(shí)，隨著通信電子類產(chǎn)品微型化、集成化的發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)濾波器濾的應(yīng)用已受到體積的制約。作為曾經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用的聲表面波濾波器，其制作工藝和材料決定了它功率低且無法與半導(dǎo)體襯底集成，制約了通訊產(chǎn)品的微型化進(jìn)程。薄膜體聲波諧振器（FBAR）自1965年研制成功以來，它的高頻率、高功率容量、低功耗與微型化的體積逐漸受到人們的關(guān)注。2000年，安捷倫公司研制成功基于AlN的FBAR雙工器，一舉占領(lǐng)美國(guó)雙工器市場(chǎng)，F(xiàn)BAR成為濾波器行業(yè)性的熱點(diǎn)。

本文采用AlN薄膜為主要材料。通過ADS仿真軟件對(duì)電極層、壓電層、襯底層進(jìn)行建模和聯(lián)合仿真。成功設(shè)計(jì)出適用于北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻點(diǎn)的前端濾波器。通過對(duì)襯底厚度和串并聯(lián)單元數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到的仿真結(jié)果為頻帶范圍1550MHz～1570MHz，帶外抑制60dB，插損4.3dB，滿足的既定的設(shè)計(jì)要求。

1 FBAR諧振器結(jié)構(gòu)與工作原理

FBAR諧振器整體結(jié)構(gòu)一般有膜安裝方式（MMR）、固態(tài)安裝方式（SMR）與空氣隙安裝方式（AGR）。膜安裝方式諧振器通過腐蝕底層襯底層形成，材料利用率低，同時(shí)壓電材料與襯底接觸面積小，因此容易脫落。固態(tài)安裝方式諧振器采用布拉格反射層形成，其接觸面積在三者之中最大，但制作周期同樣較大，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。空氣隙安裝方式的性能與成本介于兩者之間。綜合考慮，本文采用空氣隙型濾波器作為仿真對(duì)象。

圖1是空氣隙型濾波器結(jié)構(gòu)圖，它由上下電極層、壓電層、支撐層、Si襯底層組成，在支撐層與Si襯底層之間通過刻蝕技術(shù)形成空氣隙。

對(duì)于壓電材料，我們可以通過一維梅森公式建立其等效模型。對(duì)于壓電層的阻抗，如公式（1）～（4）所示：

（1）

（2）

（3）

（4）

其中為電場(chǎng)的角頻率；為壓電層的介質(zhì)電容；為壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)，其數(shù)值的大小決定了濾波器的帶寬，、和分別代表壓電材料的壓電系數(shù)、彈性強(qiáng)度和介電常數(shù)。為壓電薄膜的波矢量，代表壓電層密度。為從壓電層上表面向上看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗；為從壓電層下表面向下看時(shí)的歸一化聲學(xué)阻抗，表示壓電層的厚度。

對(duì)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其B1頻點(diǎn)為1561.098Mhz，而與之臨近的GPS的L1頻段為1575.42MHz，頻點(diǎn)相距僅14.4MHz，這就要求前端濾波器具有窄頻帶和快速滾降的特點(diǎn)，通過調(diào)整FBAR諧振器的壓電層、電極層與支撐層厚度總能使串聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率落在L1頻段；同時(shí)為了保證阻抗最小值在北斗B1頻點(diǎn)附近，需要在允許的范圍內(nèi)減薄壓電層的厚度。

2體聲波濾波器建模

對(duì)FBAR濾波器的建模可以基于聲學(xué)層和電學(xué)層。分別稱為FBAR濾波器的Mason模型和MBVD模型。為了較為方便的對(duì)各層參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本文對(duì)各層建立了Mason模型，采用一維聲學(xué)壓電方程對(duì)各層進(jìn)行描述。

聲波由材料至空氣面能夠發(fā)生全反射，因此對(duì)各層按上電極、壓電層、下電極和支撐層的順序進(jìn)行串聯(lián)，如圖2所示。其中壓電層3、4端口為電學(xué)接口，可以采用散射參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

采用雙端口網(wǎng)絡(luò)仿真時(shí)，系統(tǒng)的S參數(shù)與阻抗特性參照公式5。

（5）

其中為諧振器的S參數(shù)。為電學(xué)層的特性阻抗，一般取50歐姆，可得阻抗特性如圖3所示。

考慮到設(shè)計(jì)對(duì)快速滾降的需求，本文采用梯形濾波器進(jìn)行多級(jí)仿真。同時(shí)對(duì)于這種連接方式，并通過增加串并聯(lián)單元數(shù)量提高濾波器性能。根據(jù)濾波器中心頻率，可以計(jì)算出串、并聯(lián)諧振器的初始頻率，從而獲得諧振器的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

圖4為三級(jí)濾波器串聯(lián)獲得的S參數(shù)仿真曲線，可以看到，初始通帶范圍為1.55GHz～1.57GHz，通帶插損3.1dB，帶外抑制達(dá)到48.8dB。窄通帶范圍能夠很好的抑制GPS信號(hào)的干擾。

結(jié)語

本文以性能優(yōu)異的AlN材料為基礎(chǔ)，通過ADS仿真設(shè)計(jì)出了符合北斗B1頻段的濾波器。其快速滾降和帶外抑制能力能夠很好的濾除帶外干擾。同時(shí)在制備的過程中應(yīng)注意提高工藝，減少寄生頻率，使生產(chǎn)成品能夠達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

[1]M.Norling ，J. Enlund，S. Gevorgian and I. Katardjiev “A 2 GHz oscillator based on a solidly mounted thin film bulk acoustic wave resonator”， IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig.，pp.1813-1816 2006

[2]Hara M，etal.MEMS based thin film 2 GHz resonator for CMOS integration [C].Philadelphia：2003 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium Digest， 2003： 1797-1800.

[3]Lakin KM. Modeling of thin film resonators andfilters[C]. Albuquerque： 1992 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest， 1992： 149-152.endprint