體聲波濾波器的電磁-熱耦合仿真方法

高 楊，韓 超，許夏茜

(西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著通信技術的發展，體聲波(BAW)濾波器呈現出高功率、小型化的發展趨勢。一方面，5G通信技術將促使微基站廣泛應用，提高微基站中BAW濾波器的功率水平已成為必須考慮的問題[1-3]。此外，在手機射頻前端模塊中，雙工器中的Tx濾波器需處理來自功率放大器的輸出信號，這要求Tx濾波器必須處理更高的功率水平，以提供更高的可靠性[4-5]。另一方面，開發高集成度的射頻前端模塊要求BAW濾波器進一步縮小器件尺寸。在這兩方面趨勢的共同作用下，BAW濾波器中的功率密度將增加。高功率密度會通過自熱效應的形式導致器件溫度升高，從而引發性能指標超標，生命周期縮短，故障率上升或器件不滿足過溫規范等問題[5-7]。如果只能通過實際器件的首次測量來確認這些缺陷，則會浪費大量的資源和時間。即如果能對早期階段的仿真設計進行熱行為預測，且不需實際硬件資源，將會縮短設計周期，從而提高產品的上市速度[6]。但由于BAW濾波器的幾何結構比BAW諧振器的幾何結構復雜，其熱仿真將消耗更多的計算資源，花費更多的仿真時間。目前，采用多物理場有限元法對BAW諧振器進行熱仿真分析尚且不易，對BAW濾波器則更難[8]。已見報道的熱仿真法大多針對BAW諧振器進行，且存在耗散功率計算不準[9-10]，仿真維度太低導致無法觀測熱點、冷點信息[11]，仿真耗時高等問題[7]。A Tag等[12-13]提供了BAW濾波器多物理場有限元仿真思路，但并未給出詳細的操作流程和具體的求解過程。此外，文獻[6]報道了BAW濾波器的混合仿真方法。在該方法中，濾波器中每只諧振器的耗散功率均由電路仿真器中的電壓和電流得到，其無法得到分布式的耗散功率，從而使耗散功率計算不準，且每只諧振器的耗散功率都需單獨提取，操作較為繁瑣。總之，幾何結構較復雜，計算資源消耗大，仿真耗時長及耗散功率提取不準是BAW濾波器有限元熱仿真所面臨的主要問題。因此，本文提出了一種電磁-熱耦合仿真法，以分布式耗散功率作為熱源，能快速有效地預測BAW濾波器的3D溫度分布，并以文獻[14]中的一個S波段窄帶帶通BAW濾波器設計為例，詳細介紹了該方法的實施流程。

1 原理

BAW濾波器的基本單元是BAW諧振器。當對BAW濾波器輸入一定功率時，BAW濾波器中各單元諧振器會發生自熱效應，使器件溫度升高。器件溫度上升會改變各諧振器的疊層材料屬性，最終將引發濾波器性能退化等問題。熱源是自熱效應的關鍵，自熱效應的熱源來自BAW諧振器中的多種損耗機制，如頂、底電極的歐姆損耗、壓電層的介質損耗、粘彈性損耗等，其中主要損耗是頂、底電極的歐姆損耗[15-16]，所以將其作為BAW諧振器自熱效應的熱源。

采用文獻[17]的電磁-熱仿真法可得到BAW諧振器的3D溫度分布，但將此方法實施于BAW濾波器時，由于BAW濾波器的幾何結構的復雜度遠高于單只BAW諧振器，所以通過仿真軟件HFSS中的粘貼板控件傳遞濾波器的幾何結構時，軟件由于不能處理該幾何結構，會出現閃退、卡死現象。由于文獻[16]中BAW諧振器幾何結構的傳遞方式不能順利地運用于BAW濾波器中，故需另尋他法。通常將HFSS中濾波器的幾何結構導出，生成sat文件，并在仿真軟件ePhysics中讀取sat文件，從而導入幾何結構，以實現與HFSS中相同的濾波器的幾何結構。此時，HFSS和ePhysics雖然看似已具備了同樣BAW濾波器的幾何結構，但二者間并不能互相識別，電磁-熱耦合仍不可實現。其原因可能是：幾何結構在導出、導入時，HFSS和ePhysics這兩個仿真軟件對幾何結構進行處理和修復的方式存在差異，導致實際的幾何結構不同。

與文獻[16]中從電磁模型生成熱仿真模型的實施方案相反，本文采取從熱仿真模型生成電磁模型的路線，實現了BAW濾波器的電磁-熱耦合仿真，且具備更省時、高效的特點。

2 方法

由于BAW濾波器具有高復雜性的幾何結構，導致HFSS中的粘貼板控件不能順利地將濾波器的幾何結構傳輸到ePhysics中。所以，需要先將HFSS中的濾波器幾何結構以sat文件形式導出，為后續從ePhysics耦合到HFSS做準備。對BAW濾波器進行電磁-熱耦合仿真的基本實施流程如圖1所示。首先在ePhysics中導入BAW濾波器的sat文件，并進行材料、邊界條件和求解方式的設置，從而建立熱仿真模型。然后在ePhysics的求解中設置數據鏈接，從而將熱仿真模型中的幾何結構傳輸至一個自動創建的HFSS工程文件中。接著在新建的HFSS工程文件中，設置邊界條件，施加端口激勵，增添求解方式，以完善BAW濾波器的電磁模型。至此，電磁-熱耦合仿真便已設置完畢。最后，由ePhysics中的熱求解器調用HFSS中電磁求解器，從而啟動電磁-熱耦合求解。由于ePhysics工程文件會自動鏈接HFSS工程文件，電磁和熱將同時求解，所以損耗分布和溫度分布都可得到。

圖1 BAW濾波器的電磁-熱耦合仿真流程

按照上述仿真方法，以下對文獻[13]中的S波段窄帶帶通BAW濾波器進行電磁-熱耦合仿真。該BAW濾波器中的拓撲結構(各單元諧振器的連接關系)和版圖布局，分別如圖2、3所示。該濾波器中包含3只串聯諧振器(S1、S2、S3)和4只并聯諧振器(P1、P2、P3、P4)，各單元諧振器所采用的疊層結構為Mo-AlN-Mo-SiO2-Si3N45層復合結構。

圖2 S波段BAW濾波器的拓撲結構

圖3 S波段BAW濾波器的版圖布局

對該案例BAW濾波器實施電磁-熱耦合仿真時，需要注意以下幾點：

1) 在設置ePhysics中耦合求解方式時，必須要先指定HFSS工程文件的創建目錄并為其命名，然后才能自動生成新的HFSS工程文件，以傳遞幾何結構。

2) 所生成的HFSS工程文件不僅具備與ePhysics相同的濾波器幾何，還具備相同的材料分配，所以接下來只需在HFSS中設置邊界條件和激勵方式便可，而無需再次分配材料。

3) 通過在HFSS的源編輯菜單下調節比例因子，可為BAW濾波器設置任意大小的輸入功率，本案例將比例因子設置為1，從而給定該BAW濾波器1 W的輸入功率。

該BAW濾波器的電磁-熱耦合仿真結果如圖4所示。由圖可看出，該濾波器在1 W輸入功率下，其最熱的串聯諧振器為第一只串聯諧振器S1,最熱的并聯諧振器為第一只并聯諧振器P1；濾波器案例中的熱點溫度為81.472 ℃，出現在第一只并聯諧振器的頂電極中；冷點溫度為49 ℃，出現在第三只并聯諧振器的壓電層中。

圖4 電磁-熱耦合仿真結果

3 結束語

采取從熱耦合到電磁的路線，提出了一種BAW濾波器的電磁-熱耦合仿真法，可預測BAW濾波器在給定功率下的3D溫度分布。以一個S波段窄帶帶通BAW濾波器為例，驗證了該方法的可行性。該濾波器的仿真結果表明，第一只串聯諧振器S1為最熱的串聯諧振器，第一只并聯諧振器P1為最熱的并聯諧振器；最熱的熱點出現在第一只并聯諧振器的頂電極中，溫度為81.472 ℃；最冷的冷點出現在第三只并聯諧振器的壓電層中，溫度為49 ℃。

該方法為設計高功率容量的BAW濾波器提供了設計優化的著眼點。如通過有針對性地對BAW濾波器中的過溫諧振器進行有效處理(如將過熱的諧振器分解為兩只諧振器)，可降低其功率密度，以保證BAW濾波器符合過溫規范。