一種新型拓撲結構濾波器的設計與仿真驗證

黃貞松 彭春瑞 王詩元

摘 ?要：本文重點闡述了薄膜體聲波濾波器的工作原理，以及影響其工作性能的各種特征參數。分析了薄膜體聲波濾波器網格型和梯型濾波器工作原理，在此基礎上提出了一種新型拓撲結構濾波器的設計思想。闡述了梯型-網格型-梯型濾波器、網格型-梯型-網格型濾波器兩種不同結構的設計方案，并且利用ADS仿真設計軟件對兩種結構的濾波器進行了濾波特性和端口回損的比較。

關鍵詞：薄膜體聲波諧振器;ADS仿真;梯型-網格型-梯型濾波器;網格型-梯型-網格型濾波器

中圖分類號：TN713+.8 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）17-0037-03

Abstract：In this paper，the working principle of thin film bulk acoustic filter and various characteristic parameters affecting its performance are described. The working principles of grid and trapezoid filters of thin film bulk acoustic wave filters are analyzed. On this basis，a new design idea of topological structure filters is proposed. Two different design schemes of ladder-grid-ladder filter and grid-ladder-grid filter are described. Furthermore，the filter characteristics and port loss of the two structures are compared by ADS simulation design software.

Keywords：film bulk acoustic resonator;ADS simulation;ladder-grid-ladder filter;grid-ladder-grid filter

0 ?引 ?言

近年來，隨著科學技術的快速發展，無線通信技術快速進步，尤其是當今的5G技術的發展熱潮，使射頻濾波器的發展成為了當今研究的熱點，這就意味著無線通信系統的通頻帶正逐步向高頻段過渡，同時對傳輸的信息量有了更高的要求，集成化、微型化、高頻化是其現有的發展趨勢。與傳統的介質濾波器和聲表面波濾波器（SAWF）相比，薄膜體聲波諧振器具有體積小、工作頻率高、插入損耗低、帶外抑制大、功率容量高、品質因數高等一系列優勢，已經成為國內外研究的熱點。

在如今的手機通訊行業中，聲波濾波技術越來越引起人們的重視，一款高端的電子通信設備往往需要對多達15個頻段的2G、3G和4G無線接入方式的發送和接收路徑進行濾波，因此在一款智能手機中需要的濾波器多達十幾個，需求量大。

1 ?薄膜體聲波濾波器的工作原理

空腔型薄膜體聲波諧振器的結構如圖1所示，薄膜體聲波諧振器（FBAR）是利用在襯底材料上形成的底電極-壓電層-頂電極的三明治結構的薄膜體聲波器件。其原理可以簡述為：利用壓電材料的壓電性，將電極兩端輸入的電能轉化為機械能（聲能），當聲波在上下界面內諧振時，阻抗表現為最大值或最小值。根據傳輸線理論，聲波在高低聲阻抗層交界處發生全反射，同時在壓電層產生駐波振蕩，可以極大地減小聲波損耗，再由逆壓電效應將機械能轉變為電能，諧振器只允許特定頻率的波通過。每個薄膜體聲波諧振器都有一個串聯諧振點和一個并聯諧振點，如圖2所示。

根據薄膜體聲波諧振器的工作原理，將多個諧振器按照一定的電路結構進行級聯便可以形成帶通濾波器，常見的濾波器結構有四種，包括梯型、網格型、層疊型和耦合型。梯型濾波器是由串聯諧振器和并聯諧振器組成，兩組諧振器分別有相同的諧振頻率，需要注意的是，要保證串聯諧振器的串聯諧振頻率與并聯諧振器的并聯諧振頻率相等，梯型濾波器的電路結構如圖3所示，其構成的帶通濾波器特性如圖4所示。梯型濾波器具有滾降速度快、矩形系數好的優點，但是通常低階的濾波器帶外抑制較差，需要通過增加濾波器的階數、調整串并聯諧振器的面積比來提高其帶外抑制能力。

網格型濾波器工作原理與梯形濾波器原理類似，而與梯型濾波器不同的是，網格型濾波器具有電路結構上的對稱性，雙端口均不接地，其電路結構如圖5所示。圖6為仿真得到的網格型濾波器的傳輸特性曲線，網格型濾波器由于其結構的對稱性，其傳輸曲線中沒有傳輸零點，矩形系數差，而網格型濾波器比梯型濾波器具有更高的帶外抑制能力，因此在實際的濾波器設計中，一般將兩種結構結合起來使用，利用各自的優點來提高濾波器的性能。

2 ?新型拓撲結構的濾波器設計與ADS仿真驗證

在上節中，我們了解到網格型濾波器和梯型濾波器各有優點和不足，而在通常的工程應用中，需要將兩種拓撲結構結合起來進行濾波器性能的改善，這里提出的兩種拓撲結構如圖7和圖8所示，利用ADS軟件分別對這兩種結構進行仿真驗證，并比較其濾波性能。

在ADS軟件中分別按圖7、圖8所示拓撲結構搭建仿真電路，并進行仿真驗證，其插入損耗特性曲線如圖9所示，帶內紋波特性曲線如圖10所示。

從圖9中可以看出，梯型-網格型-梯型濾波器和網格型-梯型-網格型濾波器都具有高的帶外抑制能力，后者的帶外抑制能力比前者更強一些，兩者都具有很好的矩形系數。由圖10可知，后者的帶內波動相比于前者要小。

圖11為兩種拓撲結構的回波損耗曲線，從圖中可以看出梯型-網格型-梯型濾波器的回波損耗要比網格型-梯型-網格型濾波器的回波損耗低。

兩種拓撲結構各有其優缺點，但兩種結構共同的缺點在于所需的諧振器個數較多，器件體積相對較大。在實際應用中，需要根據不同的工程要求進行合理的選擇。

3 ?結 ?論

本文從基本薄膜體聲波濾波器的工作原理切入，提出了一種新型拓撲結構薄膜體聲波濾波器的設計思想。重點分析了梯型-網格型-梯型濾波器、網格型-梯型-網格型濾波器兩種不同結構的設計方案，并對兩種結構的濾波器進行了濾波特性和端口回損的分析，兩種結構濾波器具有不同優缺點，可以應用在不同工程需求中。

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作者簡介：黃貞松（1977-），男，漢族，湖南郴州人，現任南京電子器件研究所高級工程師，畢業于東南大學通信工程專業，碩士，研究方向：射頻電路、模塊設計研究。