一款2.4 GHz WiFi頻段FBAR帶通濾波器設計

唐小龍，劉 婭，蔣平英，張必壯，徐瑞豪，劉 繁，張建清，司美菊，呂俊豪，杜雪松(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

WiFi信號的工作頻段主要有2.4 GHz和5.0 GHz[1]。其中2.4 GHz頻段應用最廣，移動設備基本都具備2.4 GHz WiFi通信功能。WiFi信號鏈路中，射頻(RF)濾波器主要是濾除雜波及抑制帶外噪聲，是WiFi通信的關鍵[2]。在無線通信系統中，根據RF濾波器的原理和結構，常見類型包括金屬腔體濾波器、介質濾波器、聲表面波(SAW)濾波器及薄膜體聲波諧振器(FBAR)濾波器等[3-6]。其中金屬腔體濾波器體積太大，無法在手機終端設備應用。介質濾波器品質因數(Q)值低，體積大,不能滿足通信系統近端帶外抑制和體積要求。SAW濾波器和FBAR濾波器均為壓電類濾波器，其體積小， 插入損耗小，Q值高，已廣泛應用于手機終端設備中。由于FBAR濾波器采用體聲波傳播，與SAW濾波器相比，其功率容量及溫度穩定性高，抗靜電沖擊能力好。

本文基于FBAR一維Mason電路模型設計了一款2.4 GHz WiFi頻段濾波器。該濾波器采用阻抗元階梯結構，其具有較低的通帶插損，較高的帶外抑制，芯片體積為0.80 mm×0.65 mm×0.25 mm，封裝器件體積為1.1 mm×0.9 mm×0.65 mm。

1 FBAR濾波器的設計

1.1 諧振器模型

FBAR諧振器模型通常有MBVD等效電路模型、Mason模型和有限元模型(FEM)[7-9]3種。圖1為MBVD等效電路模型。圖中，C0為諧振器平板電容，Cm、Lm為壓電薄膜的彈性和慣性引起的動態電容和電感，電阻Rs、R0和Rm分別表征諧振器的電極損耗、壓電薄膜的介電損耗和壓電薄膜的聲損耗。FEM可對不同膜層結構及形狀的FBAR進行建模仿真，得到諧振器的頻率響應和振動模態，進而分析薄膜應力對諧振器性能的影響，但FEM模型的精度除與結構參數相關外，還與材料參數有關，而精確的材料參數獲得較難。為了獲得精確的計算結果，模型的網格剖分較密集，因此計算量大，計算機資源占用多，且耗時長。Mason模型是諧振器聲學疊層結構的一維物理模型，通過聲速、聲阻抗、衰減因子、機電耦合系數及介電常數等材料參數，以及聲學疊層中各膜層的厚度參數計算可得到諧振器的頻率特性，常被用來設計諧振器的聲學疊層。

圖1 MBVD等效電路模型

Mason模型可較準確地計算膜層厚度與頻率響應間的關系，且計算速度快，本文采用的Mason模型等效電路如圖2所示。FBAR的聲學疊層主要包括種子層、下電極、壓電層、上電極和保護層，其中種子層和保護層的邊界為空氣，可將聲波能量限制在諧振器結構中。將各聲學層的等效電路級聯，即可得到FBAR的 Mason等效電路。

圖2 Mason模型

1.2 濾波器電路設計

為了獲得濾波器的快速滾降，選擇了階梯形濾波器結構。增加濾波器的級聯可增加帶外抑制，但濾波器插入損耗也將增加，尺寸變大。考慮到濾波器通帶損耗、帶外抑制和尺寸，濾波器采用五串四并的拓撲結構。封裝基板采用多層樹脂基板。FBAR濾波器中存在聲場和電磁(EM)場兩種物理場。聲場效應取決于諧振器的疊層結構，電磁場效應主要由封裝基板和測試電路引入。為了提高設計的準確性，采用了聯合仿真法。首先在HFSS中建立封裝基板和外圍測試電路的電磁模型(見圖3)，然后將計算得到電磁參數導入ADS中，最后在ADS中協同諧振器Mason模型搭建濾波器電路，并完成濾波器設計(見圖4)。圖5為濾波器聯合仿真后的頻響曲線。圖中S21表示頻域傳輸特性。由圖5可知，濾波器頂部損耗為1.0 dB，近端帶外抑制大于40 dB。

圖3 電磁模型

圖4 濾波器協同仿真

圖5 濾波器仿真設計頻響曲線

2 FBAR濾波器的制備

圖6為空氣隙型 FBAR結構。由于該結構能量泄露少，Q值高且較易制備，是目前使用最多的一種結構。結合文獻[10-11]的相關研究，本文選用空氣隙型結構制備FBAR濾波器，制備工藝流程如圖7所示。圖8為制備的 FBAR 濾波器芯片實物照片，裸芯片體積為 0.80 mm×0.65 mm×0.25 mm，封裝后器件體積為1.1 mm×0.9 mm×0.65 mm。

圖6 空氣隙型諧振器結構

圖7 FBAR濾波器制備工藝流程

3 結果與討論

采用雙端口矢量網絡分析儀對FBAR濾波器進行測試，測試曲線如圖9所示。由圖可知，濾波器頂部損耗為1.07 dB，1 dB帶寬為78 MHz。在2.4 GHz WiFi頻段(2 401～2 483 MHz)內濾波器的插入損耗為2.2 dB；在2 520～ 2 900 MHz內濾波器的阻帶內抑制大于40 dB。

圖9 FBAR濾波器實測圖

圖10為FBAR濾波器仿真與實測數據對比。由圖可看出，仿真與實測數據整體吻合較好，但是在通帶左側2 100～2 360 MHz頻段范圍內出現了較大偏差，設計時未考慮芯片布局引入的寄生效應是引起偏差的主要原因。另外通帶形貌也有細微差異，主要原因是Mason模型僅模擬了FBAR的主模效應，不能模擬橫向模式。

圖10 FBAR濾波器仿真與實測數據對比

4 結束語

本文設計了一款2.4 GHz WiFi頻段(2 401～2 483 MHz)FBAR濾波器。采用Mason模型搭建FBAR濾波器芯片電路模型，采用HFSS進行封裝基板、外圍測試電路的有限元電磁模型，并在ADS中進行了聯合仿真設計。通過工藝流片完成了FBAR濾波器的制備。該濾波器通帶損耗大于2.2 dB，帶外抑制大于40 dB，與設計值吻合較好。