一种双通带FBAR滤波器设计方法

陶有欢，王 玺，蒋明眼，周立国，宁宏伟

(1.重庆邮电大学 光电工程学院, 重庆400065；2.中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060；3.西北工业大学 微电子学院，陕西 西安710072；4.四创电子股份有限公司，安徽 合肥230093)

0 引言

随着通信技术发展，无线通信收发机对滤波器的要求迅速提升。双通带、多通带滤波器作为多频多模通信系统(如频率选择的硬件门禁[1]、多频WiFi系统[2]等)中的关键器件，近些年已有大量学者对其进行研究。滤波器实现形式主要有基于微带[3]、金属同轴腔[4]及低温共烧陶瓷(LTCC)[5]等。声学滤波器(如声表面波(SAW)、薄膜体声波谐振器(FBAR)等)具有尺寸小,损耗低及抑制陡峭等特点[6]，在射频系统中应用较广，但是基于此类的双通带滤波器研究较少。2020年，王胜福等[7]基于FBAR滤波器研制了一款S波段的双通道薄膜声波谐振器，用到了双工器的高通和低通匹配电路，采用微波混合工艺设计了双通道滤波器。同年，彭雄等[8]基于耦合模(COM)模型精确提取了不同工作频段滤波器的COM参数，通过搭建声电协同仿真平台，实现了双通带SAW滤波器的设计。

目前基于FBAR的双通带滤波器的研究较少，本文充分利用FBAR单通带滤波器的高选择性和低插入损耗的优点，通过微带线双路枝节的阻抗变换，集成了工作频带相差较大的两路滤波器，实现了双频带极小损耗的匹配。最终设计了一种自适应的双通带滤波器组，工作通带频率分别为2 492 MHz和6 000 MHz，并且为双通带滤波器的设计提供了有效的思路。

1 滤波器设计

1.1 双通带滤波器的设计

1.1.1 双通带FBAR滤波器设计思路

本文的双通带滤波器设计思路为：在滤波器1的工作频带中，设置滤波器2支路端等效为开路状态；在滤波器2的工作频带中，设置滤波器1支路等效为开路状态。通过两个并行匹配的通带滤波器设计方法能够保证滤波器阻带频率的带外高抑制及带内低插损性能。

1.1.2 电路拓扑结构实现

设计中,优化双通带滤波元件值应满足滤波器1(中心频率f01= 2 492 MHz)和滤波器2(中心频率f02= 6 000 MHz)的阻抗匹配，实现带内最大功率传输。

双通带滤波器的插入损耗小于5 dB，带内驻波比小于2，阻带衰减大于20 dBc。

利用映像参数法设计带通滤波器匹配网络，基于低通、高通滤波器匹配设计的原理，通过增加元器件的数目和频率等效变换，实现单个通带的匹配设计[9]。以此为基础，通过增加通带的数目，可将该匹配方法推广到双通带或多通带滤波器的设计中。在带通滤波器匹配枝节的设计中，一个谐振单元由两个LC串联或并联组成，其中一个LC串联或并联组合对应一个通带单极点，如图1所示。图1(a)中，LP1为并联电感，CP1为并联电容，LS1为串联电感，CS1为串联电容。图1(b)中，LS′1为串联电感,CS′1为串联电容，LP′1为并联电感，CP′1为并联电容。

图1 LC带通枝节

基于以上方法，本文采用图1(a)的枝节设计了输入和输出端对称映像匹配电路的双通带滤波，并根据滤波器的通带带宽、传输零点频率和阻抗值来计算各元件的值，此设计的综合频率响应Hs(f)为两子通带的频率响应之和：

Hs(f)=Ha(f)+Hb(f)

(1)

式中：Ha(f)为滤波器1对应的通带频率响应；Hb(f)为滤波器2对应的通带频率响应。

设中心频率f01= 2 492 MHz的带通滤波器输入和输出两端阻抗为R0，3 dB截止频宽为BW1=fH1-fL1，则通带枝节各元器件值：

(2)

(3)

(4)

(5)

在实际微带电路计算中，网络的结构特点决定了传输函数的零点和极点，依据枝节匹配原则进行设计，从裸芯片FBAR1输出阻抗Zout1和裸芯片FBAR2输出阻抗Zout2的输出端开始匹配电路，实现两个滤波器的并联，搭建的原理图如图2所示。

图2 双通带滤波电路拓扑图

本文采用滤波器1、2的实测提取S2P文件参数S11、S21(S11为输入反射系数，S21为插入损耗)。滤波器1的通带内测量值：S11≤-41.6 dB，S21≤-1.2 dB；滤波器2的通带内测量值：S11≤-18.4 dB，S21≤-2.5 dB，运用Smith圆图匹配网络对电路进行匹配，文献[10]推导了两通带端口应满足的输入阻抗的关系为

(6)

(7)

式中：Zs为源阻抗；Γm为所要求通带的最大反射系数；Zin1(f02)表示当前频率f02的滤波器1端口的输入阻抗；Zin2(f01) 为当前频率f01的滤波器2端口的输入阻抗；Γ1(f01)，Γ2(f02)分别为单独两个通带的滤波器的反射系数，Γ1(f01)、Γ2(f02)均小于Γm。若两个通带的参数不满足式(6)、(7)，需要调整电路结构或元件值。

使用仿真软件对电容和电感值进行优化，得到原理电路仿真结果，如图3所示。

图3 电路图仿真结果

1.2 滤波器微带设计实现

1.2.1 微带变换

在微波高频电路中通过Kuroda变换法则，将双通带FBAR滤波器原理电路拓扑转换为分布式参数电路，在微波电路中大多数以50 Ω的微带线取代一般的导线来连接元器件，防止反射和匹配不当而引起的损耗。由于受基板介质影响，印制电路板(PCB)基板的信号波长(λ)需根据微带线参数重新计算信号实际工作波长(λeff)。本文中并联电容用微带交指电容(MCAP1)替换，串联电容用微带开口端(MLEF)替换，模拟导体损耗和介质损耗等更准确，电感设计为多曲折电感，对电容、电感元件对应的微带长度和宽度进行优化设计。

串联电感LS和电容CS的微带长度lLS、lCS计算式为

(8)

(9)

式中Z0为工作频段下的特性阻抗。并联电感和电容微带线长度计算与lLS、lCS的微带线长度计算相同。根据实际电路不同设计的参数有偏差，但微带线长度不易过长，应小于λeff/4。滤波器1输入端微带线电路如图4所示。图中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分别为LP1和CP1等效微带线的长度和宽度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分别为LS1和CS1等效微带线的长度和宽度。对于滤波器2输入端同理可设：lLP2、lCP2、wLP2、wCP2分别为LP2和CP2等效微带线的长度和宽度；lLS2、lCS2、wLS2、wCS2分别为LS2和CS2等效微带线的长度和宽度，wCuri为曲线微带Curi的宽度(i=1,2,3,…)。

图4 滤波器1输入微带线

1.2.2 微带支路参数

基于图4所示电路，在输入端设置lLS1=12.9 mm(即λ01/4，λ01为f01= 2 492 MHz对应波长)，实现频点谐振。同时，为了获得陡峭的阻带衰减，使得两个传输零点分别靠近截止频率，使lLP1= 1.6 mm，FBAR1对应支路的其他参数：wCur1=wCur2=wLP1=0.16 mm，wCur3=wCP1=0.16 mm，lCP1=1.2 mm，wLS1=0.31 mm，wCur4=wCS1=1.1 mm，lCS1=5.46 mm。其中，lLP1、lCP1、wLP1、wCP1分别为并联电感LP1和并联电容CP1等效微带线的长度和宽度；lLS1、lCS1、wLS1、wCS1分别为串联电感LS1和串联电容CS1等效微带线的长度和宽度。同理，FBAR2对应支路的其他参数：wLP2=0.67 mm，lLP2=14.9 mm，wCur6=wCP2=0.21 mm，lCP2=5.1 mm，wLS2=0.74 mm，lLS2=10.5 mm，wCur7=wCS2=6.2 mm，lCS2=6.57 mm。本文采用输入输出对称的结构，输出部分的电路尺寸参数与输入部分的一致。

2 滤波器加工与测试

2.1 双通带FBAR滤波器的实现

根据选取滤波器的中心频率和插入损耗等指标采用工程上容易实现的材料，同时，滤波器的通带特性与所选基材特性有关，基材的选取将影响其温度系数、频率范围及插入损耗等。本文选用厚度为0.508 mm的Rogers RO4350B(相对介电常数为3.66)高频板材作为基板，最终设计的滤波器尺寸为78.1 mm×84.4 mm。双通带FBAR滤波器的实物图如图5所示。输入和输出端口分别焊接射频同轴连接器(SMA)，再将两个不同频点的FBAR滤波器裸芯片焊接在对应的支路上。如果采用IPD等工艺技术，可以在与单支FABR滤波器尺寸几乎相当的面积内实现整个双通带滤波器的设计。

图5 滤波器实物图

2.2 测试结果及分析

本文实物使用矢量网络分析仪N5242A对其进行测试，图6为测试结果与仿真结果的对比图。由图可知，滤波器的寄生频率、交趾电容和微带电感的谐振将使截止区的衰减度恶化。

图6 双通带滤波器仿真与测试对比

由图6(a)可见，双通带滤波器的较低通带对应的范围为2.45～2.52 GHz，带内损耗为3.29 dB，阻带抑制优于-30 dB，其输入端口的反射系数为-13.18 dB，在2.44 GHz和2.54 GHz处各有一个传输零点，该带通有较好的滤波效果，仿真结果与单支滤波器实测曲线吻合较好。由图6(b)可见，较高通带对应的范围为5.95～6.04 GHz, 带内损耗为4.91 dB，阻带抑制优于-25 dB，其输入端口的反射系数为-10.82 dB，在5.88 GHz和6.15 GHz处各有一个传输零点，该通带实测与仿真结果对比稍差，可能与实际制作过程中加工精度局限性、焊接SMA接头引起的寄生效应误差、介质材料误差等导致电感的品质因数出现恶化有关。

图6表明，本文设计的双通带滤波器，性能基本达到设计指标，高频部分误差较大的情况可通过如下方法改进：将对称结构换为非对称结构电路或改变匹配电路结构,并适当调节微带电感或微带电容值，阻抗匹配分为带内最大功率传输匹配和最小噪声系数匹配，可取二者均衡的匹配来改善滤波器外围电路，达到降低损耗的目的。

3 结束语

本文从一般带通滤波器设计和电路匹配原理出发，设计了一种阻抗匹配的双通带FBAR滤波器组，并且避免了采用功率合成匹配时引入较大损耗的弊端，详细分析了本设计的电路拓扑结构和对应参数微带变换的原理过程。因为板材受到介质损耗、导体损耗及辐射损耗等因素的影响，与理想模型相比，双通带微带滤波器电路的仿真有一定程度的恶化，但是基本能够保证滤波器本身的性能。实物测试结果出现误差，与工艺加工精度、匹配偏差等因素有关。本文设计方法为FBAR滤波器的多频段设计提供了一定的参考意义。