高隔離度聲表面波雙工器技術(shù)研究

程一民，齊夢(mèng)珂，李孟輝，潘虹芝，牟笑靜，陳建軍，張 華，曹 亮

(1.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

在系統(tǒng)通信中，無線信號(hào)的收發(fā)均需經(jīng)過天線，若為收發(fā)通道各適配一個(gè)天線，不僅增加了系統(tǒng)成本、模塊體積，同時(shí)在傳輸信號(hào)時(shí)還會(huì)相互干擾，因此，針對(duì)收發(fā)通道如何共用一副天線的研究是必要的。為保證雙工器能更好地過濾出目標(biāo)頻段，需要同時(shí)抑制來自發(fā)射端(Tx)或接收端(Rx)的泄漏信號(hào)及噪聲，因此，Rx和Tx端口的隔離度(ISO)是雙工器的一個(gè)重要指標(biāo)。

文獻(xiàn)[1]提出將Rx和Tx端口處的匹配電路和補(bǔ)償電路相結(jié)合，使Tx端口泄漏的信號(hào)分量的相位與Rx端口處的信號(hào)相位相反，進(jìn)而相互抵消，達(dá)到提高隔離度的目的。最終制備出Band 8聲表面波雙工器，相較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，其在高頻側(cè)的隔離度改善較為明顯。

基于該思路，文獻(xiàn)[2]通過在四工器中引入兩個(gè)相互耦合的電感器，實(shí)現(xiàn)了隔離度特性的提高。文獻(xiàn)[3]則提出在發(fā)射端口和接收端口之間增加一個(gè)利用耦合模設(shè)計(jì)的縱向耦合雙模(DMS)濾波器結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電路，引入一條新的支路替代移相器，最終達(dá)到提高隔離度的目的[3-4]，但補(bǔ)償電路的應(yīng)用使雙工器芯片面積增加了約7%。

本文首先基于耦合模模型建立了雙工器的仿真模型，較精確地提取各種寄生參數(shù)，而具備高隔離度特性的雙工器設(shè)計(jì)主要是通過在發(fā)射端濾波器引入頻率較高的并聯(lián)諧振器，使其諧振點(diǎn)位于Rx頻段內(nèi)，形成向下凹陷的尖峰，提高Rx隔離度；同時(shí)將引入的電感嵌入基板設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)隔離度特性的提高。

1 理論分析

耦合模理論基礎(chǔ)是由傳播過程中兩個(gè)振幅不變且在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為相互正交，不存在能量交換的簡(jiǎn)正模發(fā)展而來，其基本形式如下：

(1)

式中：n表示系統(tǒng)中第n個(gè)簡(jiǎn)正模；un(x)表示該模式的振幅;β為簡(jiǎn)正模的振動(dòng)方程。

當(dāng)在系統(tǒng)中引入兩個(gè)波模之間的相互耦合作用，以及衰減、電壓激勵(lì)等微擾項(xiàng)后，可得到完整的耦合模方程，基本形式如下：

(2)

其中，

k0=2π/p

(3)

Δ=k-k0=kr-k0-jγ=ω/v-k0-jγ

(4)

(5)

(6)

式中：V為外加電壓；i為隨位置逐漸增大而變化的流入電極的電流；k為未被柵格擾動(dòng)前的傳播常數(shù)；i(x)是從電極左邊緣到x范圍內(nèi)經(jīng)由電極流入的電流。

對(duì)式(3)～(6)分別求解齊次通解和非齊次特解，再引入邊界條件，即得到耦合模模型的解：

(7)

式中：κ為互耦系數(shù)；α為換能系數(shù)；C為柵格的單位長(zhǎng)度靜態(tài)電容；v為聲表面波波速；γ為傳播損耗。以上5個(gè)參數(shù)統(tǒng)稱為COM參數(shù)。

進(jìn)一步考慮體波對(duì)于器件性能的影響，引入近似頻散關(guān)系θp：

(8)

將色散模型與耦合模模型理論相結(jié)合，基于Hashimoto教授的開源軟件FEMSDA可較為便捷地確定COM參數(shù)。

為便于計(jì)算，將耦合模模型轉(zhuǎn)換為P矩陣形式，有

(9)

由式(9)可得到直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)的器件模型[5]。

2 雙工器設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型

聲表面波濾波器設(shè)計(jì)中的仿真模型由聲學(xué)仿真和封裝外殼的電磁仿真兩部分組成。在聲學(xué)仿真中，采用P矩陣模型建立基本器件結(jié)構(gòu)。發(fā)射端濾波器為了承受較高的功率，采用梯形濾波器結(jié)構(gòu)；接收端濾波器為了達(dá)到較好的帶外抑制，采用縱向耦合雙模濾波器結(jié)構(gòu)。其原理圖如圖1所示。

圖1 雙工器原理圖

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)于抑制度和隔離度的要求越來越高。雙工器設(shè)計(jì)中僅有的聲學(xué)仿真無法較準(zhǔn)確地反映引入外殼后對(duì)器件性能的影響，所以對(duì)雙工器的設(shè)計(jì)會(huì)涉及大量的電磁模擬。為了盡可能準(zhǔn)確地模擬雙工器隔離度特性，需要充分考慮芯片上的幾何細(xì)節(jié)，電感及在襯底上的走線等。這些互連、電感、走線等具有幾何尺寸的金屬布線在電磁仿真中可以顯示出器件結(jié)構(gòu)中未能考慮到的寄生效應(yīng)。

為精確提取封裝和測(cè)試版對(duì)器件響應(yīng)的影響，本文采用HFSS 3D Layout軟件模擬包括由外加電壓產(chǎn)生的信號(hào)、負(fù)載中電流的產(chǎn)生，以及損耗和儲(chǔ)能效應(yīng)、失配傳輸線的多重反射等。本文建立了雙工器1814 CSP封裝外殼模型如圖2所示，并計(jì)算提取出外殼的S參數(shù)。

1) 根據(jù)原理圖中的器件參數(shù)繪制濾波器版圖，并導(dǎo)入HFSS 3D Layout中。

2) 以雙工器版圖為基礎(chǔ)，繪制仿真封裝外殼的3D結(jié)構(gòu)，模型包括封裝外殼、芯片、焊盤、基板走線等。焊盤和基板走線材料為Cu。

3) 設(shè)置模型的激勵(lì)端口，器件版圖中共19個(gè)端口，將封裝外殼與芯片相連。

4) 在檢查版圖電學(xué)連接無誤后，進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，并在分析中設(shè)置仿真頻率范圍和步距。

5) 導(dǎo)出仿真外殼的SNP文件。

最終將仿真外殼的SNP文件與雙工器的原理圖連接即構(gòu)成仿真模型，如圖3所示。電磁仿真對(duì)雙工器的帶外抑制特性有明顯影響，而對(duì)通帶內(nèi)的特性影響較小。

圖2 雙工器電磁仿真模型

圖3 雙工器仿真模型

2.2 高隔離度設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提高器件隔離度，在圖1雙工器基本原理的發(fā)射端濾波器中增加一個(gè)諧振器SAWR8，在接收端濾波器中增加一個(gè)諧振器SAWR9。在SAWR8的設(shè)計(jì)中，將SAWR8的正反諧振點(diǎn)放置于發(fā)射端的帶外，同時(shí)在接收端的通帶附近處形成向下凹陷的尖峰，從而實(shí)現(xiàn)提高隔離度的目的；在SAWR9的設(shè)計(jì)中，將諧振點(diǎn)置于接收端濾波器的通帶高端，這不僅可使接收端濾波器的通帶更平坦，同時(shí)也使其高端過渡帶更陡峭。改進(jìn)后的雙工器原理圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后雙工器原理圖

在雙工器中引入額外的電感或電容都可與其所在支路的諧振器等效電路模型中的電容相組合，形成一個(gè)新的LC諧振電路。該電路會(huì)在一定頻率范圍內(nèi)提高器件的帶外抑制，從而達(dá)到提高雙工器隔離度的目的。本質(zhì)上，該LC諧振電路是因傳輸系統(tǒng)中引入了一個(gè)新的傳輸零點(diǎn)而引起。此處在發(fā)射端濾波器的SAWR6與SAWR4下引入一個(gè)共地電感L1=1 nH，可以極大地改善隔離度特性。

由于雙工器的基板設(shè)計(jì)較復(fù)雜，本文以原理圖中改進(jìn)作為基板設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，經(jīng)大量的仿真驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，在版圖設(shè)計(jì)及基板設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：

1) 盡可能減小DMS濾波器的引腳電感，縮短引線。

2) 使Tx和Rx端口的濾波器分別接地。

3) 使Rx端口的兩個(gè)DMS濾波器分別接地。

4) 適當(dāng)延長(zhǎng)發(fā)射端濾波器的SAWR4和SAWR6諧振單元的引線排布及基板走線，從而增加共地電感。

盡可能減少電感、走線和地的耦合，減少任何從Tx端口直接到Rx端口的射頻信號(hào)[6]。同時(shí)，雙工器的隔離度特性與濾波器的帶外抑制具有明顯相關(guān)性，通過設(shè)計(jì)盡可能提高器件的帶外抑制，可以進(jìn)一步優(yōu)化隔離度特性。由圖5～7可以看出，經(jīng)過設(shè)計(jì)后，雙工器的隔離度特性在Tx端口提高了14.8 dB，在Rx端口提高了5.5 dB，插入損耗指標(biāo)也有提高。

圖5 改進(jìn)前后發(fā)射端對(duì)比

圖6 改進(jìn)前后接收端對(duì)比

圖7 改進(jìn)前后隔離度對(duì)比

3 雙工器的測(cè)試與分析

圖8為雙工器實(shí)物圖。測(cè)試時(shí)需要注意，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在默認(rèn)狀態(tài)下其參考平面位于前面板，當(dāng)使用測(cè)試線纜將矢網(wǎng)和待測(cè)器件連接后，采用“直通-反射-傳輸線(TRL)”校準(zhǔn)方式進(jìn)行誤差校正，使參考平面盡可能靠近被測(cè)器件，如此能盡量去除在測(cè)試過程中引入的器件損耗和反射，從而得到較為準(zhǔn)確的S參數(shù)表征結(jié)果，如圖9所示。

圖8 雙工器實(shí)物圖

圖9 雙工器待測(cè)樣品

圖10 雙工器發(fā)射端仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

測(cè)試結(jié)果如圖10～12所示，雙工器響應(yīng)的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。由圖可見，Tx端的帶外抑制低頻側(cè)及通頻帶內(nèi)、Rx端的帶外抑制和Tx頻段的隔離度特性仍與仿真結(jié)果存在一定的差異。經(jīng)分析，其差異主要是由于電磁仿真模型中尚無法對(duì)版圖以及封裝外殼間的電感、電容進(jìn)行精確仿真。當(dāng)在仿真模型中發(fā)射端濾波器的并聯(lián)臂上適當(dāng)增加共地電感后，可得到低頻側(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果更吻合的仿真結(jié)果；而在實(shí)測(cè)結(jié)果中，Tx端在915 MHz附近處出現(xiàn)的尖峰主要是由于在Rx端口處的諧振器SAWR9引起的，但在仿真中表現(xiàn)并不明顯，具體原因有待進(jìn)一步進(jìn)行分析。Rx端的帶外抑制以及隔離度特性中的差異主要是由于DMS濾波器結(jié)構(gòu)比諧振器更復(fù)雜，聲學(xué)模型中對(duì)電容的計(jì)算尚不夠準(zhǔn)確，無法精確考慮到末端效應(yīng)對(duì)電極電荷分布的影響，有待下一步的針對(duì)DMS濾波器模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

圖11 雙工器接收端仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

圖12 雙工器隔離度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于耦合模型設(shè)計(jì)制作了一款具有高隔離度、低插入損耗特征的聲表面波雙工器。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射端引入一個(gè)低頻諧振器，使該諧振器的諧振頻率位于隔離度的Rx端；同時(shí)通過大量的電磁仿真，指導(dǎo)版圖布線、電感引入等，進(jìn)一步提高隔離度特性。對(duì)該濾波器進(jìn)行制備及性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，具有良好的一致性。