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北斗卫星导航系统体声波滤波器设计


2015-03-26

  摘 要:随着无线通讯市场对微型化通信设备需求的增长,普通的声表面波滤波器已经无法满足集成化需求,一种具有更高谐振频率和稳定性的体声波滤波器应运而生。本文以薄膜体声波滤波器为模型,在ADS仿真基础上设计出了适用于北斗B1频点的窄带滤波器。滤波器频带范围为1550Mhz~1570Mhz,带外抑制48.8dB,插损3.1dB可以有效屏蔽GPS L1频段信号的干扰。

  关键词:体声波滤波器;氮化铝材料;梅森模型;北斗导航系统
  中图分类号:TU85 文献标识码:A
  随着无线通信技术的发展,通信设备对频带的需求日益激增,宽频带通信已经逐渐被碎片化的窄带通信所代替,较小的带宽对滤波器的漂移和滚降提出了更高的要求。同时,随着通信电子类产品微型化、集成化的发展趋势,传统滤波器滤的应用已受到体积的制约。作为曾经大规模应用的声表面波滤波器,其制作工艺和材料决定了它功率低且无法与半导体衬底集成,制约了通讯产品的微型化进程。薄膜体声波谐振器(FBAR)自1965年研制成功以来,它的高频率、高功率容量、低功耗与微型化的体积逐渐受到人们的关注。2000年,安捷伦公司研制成功基于AlN的FBAR双工器,一举占领美国双工器市场,FBAR成为滤波器行业性的热点。
  本文采用AlN薄膜为主要材料。通过ADS仿真软件对电极层、压电层、衬底层进行建模和联合仿真。成功设计出适用于北斗二代卫星导航系统B1频点的前端滤波器。通过对衬底厚度和串并联单元数进行优化,最终得到的仿真结果为频带范围1550MHz~1570MHz,带外抑制60dB,插损4.3dB,满足的既定的设计要求。
  1 FBAR谐振器结构与工作原理
  FBAR谐振器整体结构一般有膜安装方式(MMR)、固态安装方式(SMR)与空气隙安装方式(AGR)。膜安装方式谐振器通过腐蚀底层衬底层形成,材料利用率低,同时压电材料与衬底接触面积小,因此容易脱落。固态安装方式谐振器采用布拉格反射层形成,其接触面积在三者之中最大,但制作周期同样较大,不利于大规模生产。空气隙安装方式的性能与成本介于两者之间。综合考虑,本文采用空气隙型滤波器作为仿真对象。
  图1是空气隙型滤波器结构图,它由上下电极层、压电层、支撑层、Si衬底层组成,在支撑层与Si衬底层之间通过刻蚀技术形成空气隙。
  对于压电材料,我们可以通过一维梅森公式建立其等效模型。对于压电层的阻抗,如公式(1)~(4)所示:
  (1)
  (2)
  (3)
  (4)
  其中为电场的角频率;为压电层的介质电容;为压电材料的机电耦合系数,其数值的大小决定了滤波器的带宽,、和分别代表压电材料的压电系数、弹性强度和介电常数。为压电薄膜的波矢量,代表压电层密度。为从压电层上表面向上看时的归一化声学阻抗;为从压电层下表面向下看时的归一化声学阻抗,表示压电层的厚度。
  对于北斗卫星导航系统,其B1频点为1561.098Mhz,而与之临近的GPS的L1频段为1575.42MHz,频点相距仅14.4MHz,这就要求前端滤波器具有窄频带和快速滚降的特点,通过调整FBAR谐振器的压电层、电极层与支撑层厚度总能使串联谐振器的串联谐振频率落在L1频段;同时为了保证阻抗最小值在北斗B1频点附近,需要在允许的范围内减薄压电层的厚度。
  2体声波滤波器建模
  对FBAR滤波器的建模可以基于声学层和电学层。分别称为FBAR滤波器的Mason模型和MBVD模型。为了较为方便的对各层参数进行调整,本文对各层建立了Mason模型,采用一维声学压电方程对各层进行描述。
  声波由材料至空气面能够发生全反射,因此对各层按上电极、压电层、下电极和支撑层的顺序进行串联,如图2所示。其中压电层3、4端口为电学接口,可以采用散射参数对系统进行测量。
  采用双端口网络仿真时,系统的S参数与阻抗特性参照公式5。
  (5)
  其中为谐振器的S参数。为电学层的特性阻抗,一般取50欧姆,可得阻抗特性如图3所示。
  考虑到设计对快速滚降的需求,本文采用梯形滤波器进行多级仿真。同时对于这种连接方式,并通过增加串并联单元数量提高滤波器性能。根据滤波器中心频率,可以计算出串、并联谐振器的初始频率,从而获得谐振器的初始结构参数,如表1所示。
  图4为三级滤波器串联获得的S参数仿真曲线,可以看到,初始通带范围为1.55GHz~1.57GHz,通带插损3.1dB,带外抑制达到48.8dB。窄通带范围能够很好的抑制GPS信号的干扰。
  结语
  本文以性能优异的AlN材料为基础,通过ADS仿真设计出了符合北斗B1频段的滤波器。其快速滚降和带外抑制能力能够很好的滤除带外干扰。同时在制备的过程中应注意提高工艺,减少寄生频率,使生产成品能够达到预期效果。
  参考文献
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