论文研究- 一种基于薄膜体声波谐振器的高频滤波器设计 .pdf

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一种基于薄膜体声波谐振器的高频滤波器设计 ,张智欣,逯遥,本文提出了一种基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的高频C-Band带通滤波器设计方法。由此得到的滤波器实测结果,通带中心(5.2GHz)插入损��
山国武技记文在 阻抗值通常应大于 。然而对于具有高阻抗值的振器来说,串联谐振频率 以下的奇生模式也会相应增强,由此产生的通带波动会导致通带插入损耗变差。为了避免通 带恶化情况的出现,需要将每一个串联支路上的谐振器等效地分离为两个相互串联 谐振器,且分离后的谐振器面积为原先面积的两倍,这样保证分离前后每一个串 联支路具有相同的电学阻抗值。由于谐振器的面积增大,整个滤波器的功率容量和非线性特 征也公有所改善。 HL■HFHH 滤波器电路原理图 滤泼器的仿真结果如图所示。从仿真曲线可以看出:该滤波器通带具 有较低的插入损耗,中心频率 处的插入损耗小于 。同时滤泼器具有较好的带 外滚降特性,在 和 处带外抑制均达到:这些带外频率点距离中心频点 仅为 ,但是插入损耗由盲接降至,带外抑制性能良好。 -2. -14 9-18 5指55 5.185155 且21525题5 2 454危47484555.152535455557585s eg, GHz 图滤波器的仿真结果通带示意图宽带示意图 山国武技记文在 前面介绍了滤波器的等效电路设计过程,但是通常仅由原理电路设计结果来预 测滤波器实际性能是不够充分的。因为实际环境中包含了理想电路中不涉及的各种电磁寄生 干扰和耦合效应,而这些效应会对设计结果有较大影响。实际的滤波器电路是工作在一个时 变的电磁场中的,组成滤波器的谐振器之间会产生寄生电感或寄生电容:与此同时,并联谐 振支路用于接地的键合线之间也会存在电磁耦合现象。这些寄生因素会导致滤波器性能发生 较人改变,尤其是对其阻带抑制有较大影响。基于以上原因,在进行高频 滤波器设 计时,我们选择使用三维电磁仿真软件进行模拟。通过三维电磁仿真我们可以得刭接近实际 环境的仿真结果,并通过调整各项参数使得寄生效应的影响达到最小。如图所示为 的三维电磁仿真模型。相应的电磁仿真结果如图所示 图 滤波器电磁仿頁模型 实验及测试结果 在以上理论分析及仿真电路的基础上,我们实际加工制作了一个外形尺寸为 的 带通滤波器芯片,并通过键合线方式将其装配在评估板上进行测试,如图 所示。由探针对该带通滤波器测试所得的参数曲线如图所示。 图泥波器装配示意图 山国武技记文在 e simulation data Measured data freq, GHZ -1.5 -1.8 可2. 2 24 5.165.175.185.195205.215225.23524 free, GH.2 图 滤波器测试结果实际测试与电磁仿真图形对比通带测试结果 红色曲线为滤波器电磁仿真结果,綠色曲线为滤波器双端囗测试结果。可以看到两者吻 合较好。测试结果显示,滤波器通带插入损耗峰值为 其带宽为 比设 计值略窄,但是足够满足温度变化引起的频率漂移范围。滤泼器阻带抑制在 和 处均达到,这与电磁仿真预计的结果是相符合的。 外加电容实验 文本还提出了一种通过调整滤波器传输零点来改善阻带特性的方法。在滤波器两个并联 支路之间增加一个电容元件,如图所示,可以使得滤波器通带左侧的两个传输零点相互靠 近。实验中通过选择一系列不同容值的电容进行仿真,并得到相应的频率响应如图所示。 其中红色,蓝色,粉色,紫色曲线对应的电容人小分别为 和 这种通过外加电容来移动传输零点的方法和通过改变键合线长短来移动传输零点的方 法是不同的。改变键合线长短会使得滤波器的所有传输零点向同一方向移动,而不是相互靠 近。所以实际中将这两种方法有机地结合起来可以在调芍滤波器阻带抑制方面事半功倍 山国武技记文在 工H■HH Capacitor Element 图增加电容后的 滤波器电路原理图 C=0 C=0.I2pF C-U.I9pF C=0.22pF Notch 2 Notch Moving directions 4.04.24.44.64.85.0525.456586.0 freq, GH 图增加电容后的 滤波器仿具曲线 仿真中我们验证了该外加电容在移动传输零点方面的作用,实验中在将 滤波器 芯片装配到评估板上之后,需要在芯片旁边增加一个封装形式为的贴片电容,容值为 并通过键合线将其与滤波器芯片进行电连接,如图所示。滤波器增加电容前后 的性对比曲线如图所示。可以明显看到,增加电容后的滤波器曲线中,通带左侧的两个 传输零点相互靠近,并最终合在一起。 图增加电容后的滤波器装配图 山国武技记文在 Filter without capacitor Filter with capacitor 15 6-45 55 fre g, GHz 图增加电容后的滤波器性能对比图 结论 本文详细阐述了种基于谐振器的中心频率为 的高频滤波器的设计 制造及测试方法。实测结果通带中心频率插入损耗小于,带外抑制大于 ,且测 试数据与三维电磁仿真结果吻合较好。另外,还提出了一种通过在滤波器两个并联支路之间 引入一个外加电容来改善阻带特性的方法,实验证明该方法在滤波器阻带调整方面具有一定 灵活性 参考文献

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