体声波滤波器的电磁-热耦合仿真方法

高 杨，韩 超，许夏茜

(西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

随着通信技术的发展，体声波(BAW)滤波器呈现出高功率、小型化的发展趋势。一方面，5G通信技术将促使微基站广泛应用，提高微基站中BAW滤波器的功率水平已成为必须考虑的问题[1-3]。此外，在手机射频前端模块中，双工器中的Tx滤波器需处理来自功率放大器的输出信号，这要求Tx滤波器必须处理更高的功率水平，以提供更高的可靠性[4-5]。另一方面，开发高集成度的射频前端模块要求BAW滤波器进一步缩小器件尺寸。在这两方面趋势的共同作用下，BAW滤波器中的功率密度将增加。高功率密度会通过自热效应的形式导致器件温度升高，从而引发性能指标超标，生命周期缩短，故障率上升或器件不满足过温规范等问题[5-7]。如果只能通过实际器件的首次测量来确认这些缺陷，则会浪费大量的资源和时间。即如果能对早期阶段的仿真设计进行热行为预测，且不需实际硬件资源，将会缩短设计周期，从而提高产品的上市速度[6]。但由于BAW滤波器的几何结构比BAW谐振器的几何结构复杂，其热仿真将消耗更多的计算资源，花费更多的仿真时间。目前，采用多物理场有限元法对BAW谐振器进行热仿真分析尚且不易，对BAW滤波器则更难[8]。已见报道的热仿真法大多针对BAW谐振器进行，且存在耗散功率计算不准[9-10]，仿真维度太低导致无法观测热点、冷点信息[11]，仿真耗时高等问题[7]。A Tag等[12-13]提供了BAW滤波器多物理场有限元仿真思路，但并未给出详细的操作流程和具体的求解过程。此外，文献[6]报道了BAW滤波器的混合仿真方法。在该方法中，滤波器中每只谐振器的耗散功率均由电路仿真器中的电压和电流得到，其无法得到分布式的耗散功率，从而使耗散功率计算不准，且每只谐振器的耗散功率都需单独提取，操作较为繁琐。总之，几何结构较复杂，计算资源消耗大，仿真耗时长及耗散功率提取不准是BAW滤波器有限元热仿真所面临的主要问题。因此，本文提出了一种电磁-热耦合仿真法，以分布式耗散功率作为热源，能快速有效地预测BAW滤波器的3D温度分布，并以文献[14]中的一个S波段窄带带通BAW滤波器设计为例，详细介绍了该方法的实施流程。

1 原理

BAW滤波器的基本单元是BAW谐振器。当对BAW滤波器输入一定功率时，BAW滤波器中各单元谐振器会发生自热效应，使器件温度升高。器件温度上升会改变各谐振器的叠层材料属性，最终将引发滤波器性能退化等问题。热源是自热效应的关键，自热效应的热源来自BAW谐振器中的多种损耗机制，如顶、底电极的欧姆损耗、压电层的介质损耗、粘弹性损耗等，其中主要损耗是顶、底电极的欧姆损耗[15-16]，所以将其作为BAW谐振器自热效应的热源。

采用文献[17]的电磁-热仿真法可得到BAW谐振器的3D温度分布，但将此方法实施于BAW滤波器时，由于BAW滤波器的几何结构的复杂度远高于单只BAW谐振器，所以通过仿真软件HFSS中的粘贴板控件传递滤波器的几何结构时，软件由于不能处理该几何结构，会出现闪退、卡死现象。由于文献[16]中BAW谐振器几何结构的传递方式不能顺利地运用于BAW滤波器中，故需另寻他法。通常将HFSS中滤波器的几何结构导出，生成sat文件，并在仿真软件ePhysics中读取sat文件，从而导入几何结构，以实现与HFSS中相同的滤波器的几何结构。此时，HFSS和ePhysics虽然看似已具备了同样BAW滤波器的几何结构，但二者间并不能互相识别，电磁-热耦合仍不可实现。其原因可能是：几何结构在导出、导入时，HFSS和ePhysics这两个仿真软件对几何结构进行处理和修复的方式存在差异，导致实际的几何结构不同。

与文献[16]中从电磁模型生成热仿真模型的实施方案相反，本文采取从热仿真模型生成电磁模型的路线，实现了BAW滤波器的电磁-热耦合仿真，且具备更省时、高效的特点。

2 方法

由于BAW滤波器具有高复杂性的几何结构，导致HFSS中的粘贴板控件不能顺利地将滤波器的几何结构传输到ePhysics中。所以，需要先将HFSS中的滤波器几何结构以sat文件形式导出，为后续从ePhysics耦合到HFSS做准备。对BAW滤波器进行电磁-热耦合仿真的基本实施流程如图1所示。首先在ePhysics中导入BAW滤波器的sat文件，并进行材料、边界条件和求解方式的设置，从而建立热仿真模型。然后在ePhysics的求解中设置数据链接，从而将热仿真模型中的几何结构传输至一个自动创建的HFSS工程文件中。接着在新建的HFSS工程文件中，设置边界条件，施加端口激励，增添求解方式，以完善BAW滤波器的电磁模型。至此，电磁-热耦合仿真便已设置完毕。最后，由ePhysics中的热求解器调用HFSS中电磁求解器，从而启动电磁-热耦合求解。由于ePhysics工程文件会自动链接HFSS工程文件，电磁和热将同时求解，所以损耗分布和温度分布都可得到。

图1 BAW滤波器的电磁-热耦合仿真流程

按照上述仿真方法，以下对文献[13]中的S波段窄带带通BAW滤波器进行电磁-热耦合仿真。该BAW滤波器中的拓扑结构(各单元谐振器的连接关系)和版图布局，分别如图2、3所示。该滤波器中包含3只串联谐振器(S1、S2、S3)和4只并联谐振器(P1、P2、P3、P4)，各单元谐振器所采用的叠层结构为Mo-AlN-Mo-SiO2-Si3N45层复合结构。

图2 S波段BAW滤波器的拓扑结构

图3 S波段BAW滤波器的版图布局

对该案例BAW滤波器实施电磁-热耦合仿真时，需要注意以下几点：

1) 在设置ePhysics中耦合求解方式时，必须要先指定HFSS工程文件的创建目录并为其命名，然后才能自动生成新的HFSS工程文件，以传递几何结构。

2) 所生成的HFSS工程文件不仅具备与ePhysics相同的滤波器几何，还具备相同的材料分配，所以接下来只需在HFSS中设置边界条件和激励方式便可，而无需再次分配材料。

3) 通过在HFSS的源编辑菜单下调节比例因子，可为BAW滤波器设置任意大小的输入功率，本案例将比例因子设置为1，从而给定该BAW滤波器1 W的输入功率。

该BAW滤波器的电磁-热耦合仿真结果如图4所示。由图可看出，该滤波器在1 W输入功率下，其最热的串联谐振器为第一只串联谐振器S1,最热的并联谐振器为第一只并联谐振器P1；滤波器案例中的热点温度为81.472 ℃，出现在第一只并联谐振器的顶电极中；冷点温度为49 ℃，出现在第三只并联谐振器的压电层中。

图4 电磁-热耦合仿真结果

3 结束语

采取从热耦合到电磁的路线，提出了一种BAW滤波器的电磁-热耦合仿真法，可预测BAW滤波器在给定功率下的3D温度分布。以一个S波段窄带带通BAW滤波器为例，验证了该方法的可行性。该滤波器的仿真结果表明，第一只串联谐振器S1为最热的串联谐振器，第一只并联谐振器P1为最热的并联谐振器；最热的热点出现在第一只并联谐振器的顶电极中，温度为81.472 ℃；最冷的冷点出现在第三只并联谐振器的压电层中，温度为49 ℃。

该方法为设计高功率容量的BAW滤波器提供了设计优化的着眼点。如通过有针对性地对BAW滤波器中的过温谐振器进行有效处理(如将过热的谐振器分解为两只谐振器)，可降低其功率密度，以保证BAW滤波器符合过温规范。