電磁寄生參數在高頻SAW濾波器設計中的應用

黃小東，黃 瑋，魏勇平，閆坤坤，李玉龍，苗 湘，陳 發，徐 巍，蔣元軍,羅 為,4

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢430000；2.北京中科飛鴻科技股份有限公司，北京100095；3.華中科技大學 武漢光電國家研究中心，湖北 武漢430000；4.深圳華中科技大學研究院，廣東 深圳518000)

0 引言

隨著5G通信技術的迅速發展，其頻譜資源日益緊張。例如5G頻段的n3頻段號上行頻率為1 710～1 785 MHz，下行頻率為1 805～1 880 MHz，上行與下行頻率間距僅為20 MHz。開發滿足此類條件的聲表面波(SAW)濾波器的難點在于既要保證器件的通帶帶寬(75 MHz)和低插入損耗，又要保證高的矩形系數。在多種SAW濾波器結構中，梯形結構因帶寬大，插入損耗小，可小型化而受到關注[1]。未考慮封裝和匯流條的電磁寄生參數而設計的小型化封裝的高頻SAW濾波器，經實驗測試表明,其易出現通帶帶寬變窄，通帶內波動大，通帶內駐波大等問題，這進一步增加了濾波器的設計難度。為了解決此問題，本文擬用包含封裝和匯流條的電磁寄生參數的等效電路模型，通過電聲-電磁聯合仿真來設計此類具有低損耗、高矩形系數的高頻SAW濾波器。

1 梯形結構SAW濾波器設計

1.1 SAW單端諧振器耦合模(COM)模型仿真

為獲得較好的帶外抑制和插入損耗，本文采用7階諧振器級聯梯形結構，如圖1所示。SAW濾波器的壓電材料選擇工作在漏波(SH)模式的42°Y-XLiTaO3，金屬膜材料為鋁。首先通過有限元方法擬合得到耦合模(COM)參數，并通過工藝結果進行校正；再通過COM方程計算諧振器的P矩陣，并得出諧振器的導納[2-3]。以上部分為模擬SAW濾波器中的電聲轉換。

圖1 梯形結構SAW濾波器示意圖

圖2為計算得到的單端口諧振器的導納-頻率響應曲線。由圖可見，諧振器的諧振頻率(fr)為1 765 MHz，反諧振頻率(far)為1 829 MHz。然而在高頻情況下，SAW諧振器的導納還受到封裝和匯流條的電磁寄生參數的影響。如圖2(a)所示，諧振器串聯0.2 nH的電感，引起諧振頻率向低頻端移動13 MHz；諧振器并聯0.4 pF的電容，引起反諧振頻率向低頻端移動5 MHz，如圖2(b)所示。

圖2 單端口諧振器的導納-頻率響應曲線

1.2 封裝和匯流條的電磁仿真及聯合仿真

封裝及匯流條的電磁寄生參數對諧振器導納的影響會進一步影響濾波器的性能，為了解決此問題，本文擬建立電聲-電磁聯合仿真模型。首先，利用HFSS軟件建立3.0 mm×3.0 mm封裝的3D 仿真模型以計算封裝和匯流條的寄生參數，模型包括封裝殼、鍵合線及諧振器之間的匯流條等，如圖3(a)所示。模型中所有部件的尺寸根據封裝殼廠商提供的圖紙繪制，與實際封裝的SAW濾波器樣品的尺寸一致。模型的材料參數為軟件自帶的材料參數：封裝殼導體部分的材料選擇為金，封裝殼絕緣體部分的材料為陶瓷；封裝殼以上是SAW濾波器芯片，芯片的壓電材料部分(立方體)為鉭酸鋰，匯流條和鍵合線的材料均為鋁；濾波器芯片上的換能器指條全部去除。模型左右各有3根鍵合線，左邊中間和右邊中間分別為輸入信號鍵合線和輸出信號鍵合線，其余為接地鍵合線。計算時，兩個集總端口分別放在電信號的流入和流出點。在模型中放入集總端口，計算得到任意兩端口之間的S參數，并將其轉換為兩端口等效電路中的電磁寄生參數，包括電阻(R)、電感(L)和對地電容(C)，如圖3(b)所示。通過上述方法可計算得到封裝內具有主要影響的電磁寄生參數值。

圖3 計算封裝和匯流條的電磁寄生參數

將COM模型仿真方法得到的各諧振器導納參數與上述計算得到的封裝和匯流條的電磁寄生參數通過等效電路連接，即建立了電聲-電磁聯合仿真模型，如圖4所示。為簡化計算過程，電路為左右對稱結構，其中Cb為橋電容，M為互感，左側L1，R1，C1分別為輸入端口到輸入焊盤之間(包含信號鍵合線)的總電感，電阻及對地電容；L2，R2，C2分別為并聯臂匯流條的電感，電阻及對地電容；L3，R3分別為接地端口到接地焊盤之間(包含接地鍵合線)的總電感，電阻；Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7分別為各個諧振器的導納。在設計過程中，通過模擬退火優化算法得到最佳性能的SAW濾波器的諧振器的孔徑、柵周期、指條數和占空比等設計參數。最后，通過半導體工藝制備以上設計參數對應的SAW濾波器，其諧振器局部形貌如圖5所示。圖中金屬指條寬度為499 nm，周期(λ)為2 216 nm，假指長度為1.5×λ，假指與換能器指條間距為0.5×λ。

圖4 包含封裝及匯流條的電磁寄生參數的SAW濾波器等效電路

圖5 濾波器的諧振器局部形貌

2 結果分析與討論

文獻中通常報道芯片以外的封裝殼的電磁寄生參數對SAW濾波器的影響，忽略了諧振器之間的匯流條的電磁寄生參數[4]。我們認為在高頻情況下，匯流條的電磁寄生參數也是設計的關鍵參數，所以利用圖4所示電路對比分析了在設計時考慮和不考慮匯流條的電磁寄生參數的設計方案的模擬結果，以獲得匯流條電磁寄生參數對器件性能影響的關系。

圖6為匯流條寄生參數對濾波器頻響值和駐波產生影響的模擬結果。方案1為考慮封裝殼的寄生參數(L1，R1，C1，Cb，M)而不考慮匯流條寄生參數的仿真設計結果。方案2為在方案1的電路中添加圖4所述匯流條寄生參數(L2，R2，L4，R4，C2)的模擬結果。由圖可知，未考慮匯流條的電磁寄生參數設計方案的仿真結果因受匯流條寄生參數的影響而出現了通帶內駐波及波動惡化等問題。其原因在于串聯臂匯流條的電感L4(0.2 nH)引起串聯臂諧振器的諧振頻點向低頻端移動，并聯臂匯流條的電感L2(0.6 nH)引起并聯臂諧振器的諧振頻點向低頻端移動，匯流條對地電容C2(0.25 pF)導致并聯臂諧振器的反諧振頻率向低頻端移動，以上因素導致濾波器通帶阻抗不匹配[4-5]。

圖6 匯流條寄生參數對濾波器的S21頻響和駐波產生影響的仿真結果

為了獲得更好的濾波器性能，我們將圖4所示的全部匯流條的寄生參數納入設計參數中，以解決濾波器研制過程中遇到的通帶波動大，駐波大等問題。圖7為考慮封裝和全部匯流條寄生參數的設計方案(方案3)的仿真結果與實驗測試結果。由圖可見，實驗測試值與仿真設計值吻合較好，表明此仿真模型用于設計高頻SAW濾波器的有效性。

圖7 考慮封裝和匯流條的寄生參數設計的濾波器的仿真和實測頻響

3 結束語

經測試，在高頻情況下，封裝、鍵合線和匯流條的電磁寄生參數對SAW濾波器的性能有明顯影響。本文通過建立包含封裝、鍵合線和匯流條寄生參數的等效電路模型實現了電聲-電磁聯合仿真，所設計的SAW濾波器可有效避免因封裝、鍵合線和匯流條的電磁寄生參數而引起的濾波器通帶波動大，駐波大的問題。所制備的濾波器通帶中心頻率為1 746.6 MHz，通帶內駐波最大值為2.1，最小插入損耗0.87 dB，波動0.5 dB，-1.5 dB帶寬75.7 MHz， -3 dB帶寬84 MHz (相對帶寬為4.8%)，-30 dB帶寬112 MHz，BW-3 dB/BW-30 dB矩形系數1.33，帶外抑制優于-30 dB。