基于七換能器結構的Band3-Rx濾波器產品設計

史向龍，陳曉陽，張俊茜，蘇 波，于倩至，孫偉彬(北京無線電測量研究所，北京 100854)

0 引言

聲表面波(SAW)射頻濾波器以其低損耗，小體積及高矩形度等特點而被廣泛應用在民用智能終端、軍用雷達、電子對抗及衛(wèi)星通信技術中[1]。

Band3為智能手機通信頻段，通帶頻率為1 805～1 880 MHz，在通信領域有很大的應用范圍和市場需求。根據我國目前頻譜規(guī)劃，行業(yè)在授權連續(xù)頻譜建設無線寬帶專網唯一可使用1 785～1 805 MHz頻段，多數行業(yè)專網承載業(yè)務和安全生產直接相關[2]，而此頻段與Band3接收頻段相鄰，為提高市場競爭力，需提高Band3-Rx濾波器左側的矩形度及抑制。目前手機聲表面波(SAW)濾波器以日本的MuRata綜合性能最優(yōu)，因此，本文設計了以MuRata規(guī)格書為設計目標，以期達到甚至超越其指標要求。

有限元法/邊界元法(FEM/BEM)作為一種通用且最精準的SAW器件分析方法已被廣泛應用，但FEM/BEM法計算量大[3]，目前大多應用于產品投板前的設計驗證，無法直接用于產品設計及優(yōu)化。與FEM/BEM法不同，耦合模式模型(COM)采用類似于等效電路模型的唯象模型[4]，用幾個參數表征表面波的傳播、反射、激發(fā)及衰減等性能，其仿真速度極快，并通過提取隨頻率變化的COM參量及部分參數修正[5]，可得到與FEM/BEM法接近的結果，能更好地實現快速仿真全自動計算機優(yōu)化設計。本產品使用自主研發(fā)的COM優(yōu)化設計平臺進行優(yōu)化設計，使用FEM/BEM軟件實現聲學性能的精確驗證。

1 縱向耦合多模SAW濾波器設計原理

SAW的基本原理是SAW通過叉指換能器(IDT)將電信號轉化為聲信號，并在聲學端濾波的過程。縱向耦合多模SAW(MMS)濾波器一般由反射柵、，傳播空隙和多個IDT等組成，如圖1所示。

圖1 MMS濾波器結構

MMS濾波器的設計主要采用COM分析法。COM模型的基本思想為柵格內同時存在多個傳播聲波模式，通過柵格陣內指間反射相互耦合，同時外加電壓通過柵格的換能作用又激發(fā)出向多個方向傳播的聲波模式。而這些聲波模式間存在一定的線性關系，這一線性關系可用COM方程表征[6]，并以此為設計依據。

2 材料、結構及封裝的選取

2.1 材料選取

綜合考慮設計帶寬和抑制要求，芯片襯底材料選用42°-鉭酸鋰，金屬電極材料層為鋁膜。

2.2 結構選取

針對Band3-Rx SAW濾波器帶寬大(設計相對帶寬可達4.5%)，通帶插入損耗小，左側矩形度及抑制帶抑制要求較高的特點，以MMS結構來實現大帶寬和左側高矩形度。與通常的三階換能器(3-IDT)的縱向耦合結構(DMS)相比，MMS結構帶寬較寬，插損較小[7]。多個MMS級聯(lián)會導致插入損耗增大，考慮封裝及體積問題，本設計只加入一個縱向耦合MMS。

如圖2所示，單獨的MMS無法實現左側高矩形度特性，右側矩形度較差。因此，選擇加入1個串聯(lián)諧振器(見圖3)，使其反諧振點提升右側矩形度及抑制水平。Band3產品指標對左側矩形度要求極高，本文在現有結構上加入2個并聯(lián)諧振器(見圖4)，提升了矩形度和左側的整體抑制。

圖2 單獨的MMS仿真曲線

圖3 1個MMS+1個串聯(lián)諧振器仿真曲線

圖4 1個MMS+1個串聯(lián)諧振器+ 2個并聯(lián)諧振器仿真曲線

綜上所述，本文設計選用MMS加阻抗元諧振器的結構，并以此結構為設計基礎進行優(yōu)化調整，本文選用七階換能器(7-IDT)結構，其優(yōu)勢在于插入損耗更小，帶寬更大。

3 優(yōu)化過程及仿真結果

本文采用COM優(yōu)化設計平臺進行非線性全局優(yōu)化設計，其中指條的周期、數量、占空比及孔徑作為待優(yōu)化變量，通過不斷更改待優(yōu)化參量取值，從而逼近目標要求結果。

3.1 優(yōu)化過程

優(yōu)化前，需先根據MuRata規(guī)格書給出目標函數的要求，然后確定給出待優(yōu)化參量的初始結果，繪制電磁版圖，通過HFSS軟件計算包含所有封裝電磁效應的散射參數(S參數)，通過COM仿真設計平臺軟件中聲電協(xié)同仿真接口代入電磁效應S參數，可計算包含叉指聲學響應，版圖、基板、封裝及測試版等總的電磁效應在內的聲電協(xié)同全波仿真結果。然后使用優(yōu)化設計功能，從而得到最接近目標參數的仿真曲線。最后通過FEM/BEM精確聲學驗證及HFSS得到的電磁仿真參數，最終得到準確的驗證結果，而COM優(yōu)化設計平臺的優(yōu)化仿真結果與FEM/BEM驗證結果基本一致，圖5為COM優(yōu)化仿真結果與FEM/BEM驗證結果對比。

圖5 COM優(yōu)化仿真結果與FEM/BEM驗證結果對比

3.2 仿真結果

優(yōu)化中采用多參量離散變量模擬退火全局優(yōu)化算法，給出優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化步進，從初始溫度開始退火，經過3次退火可得穩(wěn)定的結果。

通過設計初始值及目標值的調整，多次進行優(yōu)化迭代后經FEM/BEM驗證，最終得到符合要求的仿真曲線，如圖6所示。

圖6 仿真結果圖

4 實測結果分析

本文設計首次采用7-IDT縱向耦合結構，實測結果可滿足指標要求。圖7、8為7-IDT通帶與遠帶實測仿真對比結果。由圖可知，仿真與實測差異較小，能精確表達出實測結果插入損耗及帶外抑制度。實測結果中最小插損為1.04，左側帶外抑制小于40 dB。

圖7 7-IDT實測與仿真結果近阻帶對比

圖8 7-IDT實測與仿真結果通帶對比

本設計實測滿足Murata規(guī)格書指標，與Murata規(guī)格書指標相比，實測遠帶抑制較優(yōu)，除通帶兩端略有差異外(主要原因是Murata的工藝更好，器件品質因數Q值較高)，兩者通帶插入損耗相差很小，如圖9、10所示。

圖9 實測結果與Murata規(guī)格書近阻帶指標對比

圖10 實測結果與Murata規(guī)格書遠帶指標對比

5 結束語

本文設計與MuRata規(guī)格書指標相當，在整體的帶外抑制上，明顯優(yōu)于Murata產品結果。完全滿足市場需求。WISOL和TAIYO YUDEN公司的Band3-Rx產品，都采用外加調諧方式實現，與其產品相比，本文所研制產品性能更加優(yōu)越。