TC-SAW滤波器仿真与设计技术.pdf

该文介绍了温度补偿滤波器的设计方法。通过研究温度补偿结构的材料,在性能和温度系数之间求取最佳的层间参数搭配。在此基础上提取三维耦合模式模型(C OM)参数数据库,并置于设计仿真软件中,最终可以实现高温稳定型声表面波(T C-S AW)滤波器的设计优化。根据指标要求设计目标函数,设计出满足要求的低损耗T C-S AW滤波器。利用多层F EM/B EM软件对性能进行精确验证,实验结果与仿真结果吻合良好。关键词:声表面波(S AW);滤波器;高温稳定型声表面波(T C-S AW);三维耦合模式模型(C OM);F EM/B EM中图分类号:T N 6 5;TN 7 1 3;O 4 2 文献标志码:A S i m u l a t i o na n dD e s i g nT e c h n o l o g yo fT C-S AWF i l t e rC H E NX i a o y a n g,S UB o,Y EZ h i,S H IX i a n g l o n g,F A NB a i j i e,Z H A N GJ u n x i,Y UQ i a n z h i(B e i j i n gI n s t i t u t eo fR a d i oM e a s u r e m e n t,B e i j i n g1 0 0 8 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e r i n t r o d u c e dad e s i g nm e t h o do f t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e ds u r f a c e a c o u s t i cw a v e f i l t e r.B y i n-v e s t i g a t i n gt h es t r u c t u r eo f t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm a t e r i a l s,t h eo p t i m a l i n t e r l a y e rp a r a m e t e r sc o l l o c a t i o nb e-t w e e nt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t a n dp e r f o r m a n c eh a sb e e nf o u n d.O nt h i sb a s i s,t h e3-Dc o u p l i n go fm o d e s(C OM)p a r a m e t e r s f o r t h i ss t r u c t u r e i se x t r a c t e da n dp l a c e di nt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fC OMs i m u l a t i o n,a n df i n a l l y,t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no f t h e t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dS AWf i l t e rh a sb e e nr e a l i z e d.T h eo b j e c t i v e f u n c t i o n i sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h et e c h n i cg u i d e l i n ed e m a n d s;al o wl o s sT C-S AWf i l t e rt h a tm e e t st h er e q u i r e m e n t sh a sb e e nd e-s i g n e d.T h ep e r f o r m a n c eo f t h e f i l t e rh a sb e e na c c u r a t e l yv e r i f i e db yu s i n g t h em u l t i-l a y e rF EM/B EMs o f t w a r e,a n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t i n go n e s.K e yw o r d s:s u r f a c ea c o u s t i cw a v e(S AW);f i l t e r;t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dS AW(T C-S AW);3-Dc o u p l i n go fm o d e s(C OM);F EM/B EM 0 引言声表面波(S AW)滤波器具有小型化、高性能的优势,被广泛应用于雷达、导航、通信、电子对抗等领域,但由于普通的S AW滤波器在温度变化时频率漂移较大(温度系数约为(-9 0-3 0)1 0-6/),严重影响了其在全温下的有效带宽、有效阻带等电性能,进而影响了整个系统的技术指标。为解决此问题,高温稳定性S AW(T C-S AW)滤波器是满足系统全温工作要求的最佳手段。T C-S AW是对普通S AW滤波器温度系数的一种改进技术。一种方法是采用生长正温度系数的S i O2补偿负温度系数的基底1,以达到温度补偿的效果,通过温度补偿薄膜及控制电极形貌降低滤波器温度系数。该技术可将滤波器的温度系数由(-9 0-3 0)1 0-6/降低到(-2 00)1 0-6/2,故在对高温稳定性、小型化要求高的电子设备中有巨大的指标优势和应用价值。另一种方法是通过将铌酸锂或钽酸锂薄膜材料键合到具有正温度系数的石英材料或膨胀系数较小的蓝宝石、硅材料上,以降低材料的膨胀系数来实现温度系数的补偿。T C-S AW衬底由最初的1 2 8 铌酸锂发展成为5、1 5 Y X切等多种切型3,以满足不同带宽的滤波器设计。同时,钽酸锂也有多种切型被用作T C-S AW衬底材料4。结合切型与S i O2薄膜的厚度调控可以设计出不同机电耦合系数的器件。因此,T C-S AW技术在设计不同带宽滤波器方面具有更大的灵活性。S i O2薄膜的成膜技术不断进步,薄膜中的声损耗越来越小,T C-S AW器件的品质因数(Q)值已远超常规S AW,在2GH z时,其Q值最大可达25 0 0(常规S AW的Q最大为10 0 0),一般称为HQ-T C-S AW5。本文主要介绍了一种T C-S AW滤波器技术,上温补溅射S i O2的温度补偿S AW滤波器。1 T C-S AW设计流程T C-S AW滤波器由于涉及多层材料的组合,比单晶材料的声表面波器件复杂,整个研究方法也更复杂,设计 方法更灵活,主要包括以 下4个研 究步骤:1)首先需要确定温度补偿结构的温补材料及压电材料的属性,并在性能和温度系数之间求取合适的层间参数。2)在合适的层间厚度基础上,利用无限周期层状F EM/B EM理论6提取耦合模式模型参数数据库,并置于设计仿真软件中,最终实现T C-S AW滤波器的C OM设计优化。3)采用有限长二维层状F EM/B EM理论对器件进行精确验证。4)层状材料通常存在横向模式耦合。采用微结构对横向模式进行抑制,为此需要建立三维理论模型进行 声学 模 态 分 析。图1为 整 个 设 计 流程图。图1 T C-S AW设计流程图纵向耦合多模S AW滤波器的设计主要采用耦合模(C OM)分析法。C OM模型的基本思想:栅格内同时存在多个传播声波模式,通过栅格阵内指间反射相互耦合;同时,外加电压通过栅格的换能作用又激发出向多个方向传播的声波模式,这些声波模式间存在一定的线性关系,可用C OM方程表征6,并以此为设计依据。2 层状结构F EM/B EM原理相比于单层结构,层状结构的F EM/B EM理论更复杂。对于上温补层结构(见图2),需要在单层F EM/B EM理论的基础上将温度补偿层部分采用F EM进行计算,温度补偿层上面及衬底同样采用B EM理论进行精确计算,最终得到向上多层的二维层状F EM/B EM仿真模型。对于下温补层的键合片结构(见图3),将多层衬底结构作为整体,采用B EM理论计算层状结构的格林函数,电极部分同样采用F EM理论计算,二者结合最终得到向下多层的二维层状F EM/B EM仿真模型。图2 T C-S AW上温补层结构图3 T C-S AW下温补层结构通过设置无限周期边界条件及有限结构周期边界条件,分别可以得到基于无限周期的层状F EM/B EM模型及有限长层状F EM/B EM模型。通过建立上述模型可以计算出整个结构的电端口导纳特性。在此基础上增加了计算复合材料的温度系数、高功率复合电极结构、描述工艺特性的电极角度、多温补层结构、表面钝化层及场分布等功能。3 层状结构C OM模型原理C OM模型的基本思想是设想换能器内同时存165 第4期陈晓阳等:T C-S AW滤波器仿真与设计技术在右向和左向平面波,它们通过换能器内的指间反射相互耦合,且换能器的换能作用又同时激发右向和左向的平面波7。假设这些作用限于线性范围,各个作用可互相线性迭加,则这两平面波之间应满足一定的关系。设R代表右向平面波,S代表左向平面波,则一般性的耦合模式方程可写为dRdx=-j R+j S+j u(1)dSdx=-j*R+j S-j*u(2)didx=-2 j*R-2 j S+j C u(3)其中:=k-k0(4)k0=2 p(5)式中:p为电周期;k为频率下在栅格中忽略指间多次反射时的平均传播常数。当存在传播损耗时,引入传播损耗,传播常数变为复数k=2 fv+j;为耦合系数;为激发系数;C为静态电容;v为声速;为表征传播损耗的衰减系数。由式(1)可以看出,C OM方程包含、C、v、5个基本参量。只要得到这些C OM参数,就能准确地描述器件的性能。对于1 2 8 -铌酸锂材料上的T C-S AW存在无衰减的瑞利波模式,C OM参量退化为4个参量即可描述T C-S AW中的瑞利波。若采用随频率变化的色散C OM参量8,仿真精度可进一步提升。4 F EM/B EM与C OM模型的结果对比通过无限周期层状F EM/B EM软件计算了相应的C OM参量提取结构,提取不同温补层S i O2厚度、不同金属膜厚、不同金属化比下的三维C OM参量库,形成了T C-S AW的仿真软件。与实验提取C OM参量不同,该软件可仿真任意频率、任意S i O2厚度、任意金属膜厚、任意金属化比下的滤波器性能。在提取C OM参量前,需要对多层F EM/B EM软件进行实验修正才能保证C OM仿真结果与实验结果吻合良好,同时保证了优化设计的有效性。利用层状F EM/B EM理论对C OM仿真结果进行验证,结果对比如图4所示。由图可见,C OM仿真结果与F EM/B EM结果在通带和近阻带抑制频率相吻合,当频率到达慢切变体声波截止频率位置时,性能略有差异;同时C OM模型取10 0 0个频率点的仿真时间在1s内。因此,无论仿真精度还是速度都完全能够满足优化设计的需要,这充分证明了目前C OM模型的有效性。图4 T C-S AW滤波器C OM与层状F EM/B EM对比结果5 T C-S AW材料选取及模态分析5.1 1 2 8 -铌酸锂表面溅射S i O2的T C-S AW结构1 2 8 -铌酸锂单晶材料上的瑞利波温度系数达到-9 01 0-6/,而机电耦合系数通常仅约4%,并且由于反射系数较低,基本无法设计出高性能、小体积且满足高、低温使用的低损耗滤波器。在1 2 8 -铌酸锂单晶材料上溅射具有正温度系数的S i O2材料,可以将温度系数补偿到(-4 00)1 0-6/。图5为溅射S i O2的基本结构示意图。图5 T C-S AW上温补层结构5.2 模态分析图6为T C-S AW上温补层结构在不同欧拉角下随S i O2、C u电极厚度变化的关系9。由图可见,当S i O2的厚度(hS i O2)分别为0、0.2,0.3,0.4(其中为波长)时,S i O2/C u/L N结构激发的是瑞利波模式。当hS i O2=0.3,C u电极厚度(hC u)=0.0 5,欧拉角达到(0,3 8,0)时,此时即是通常的1 2 8 -铌酸锂,瑞利波的机电耦合系数达到最大,该条件下的机电耦合系数达到8%,理论上可实现4%左右相对带宽的低损耗T C-S AW滤波器。当hS i O2=0.3,hC u=0.0 5,欧拉角 达到(0,9 0,0)时,漏表面波(L S AW)被激发,此时的L S AW机电耦合系数达到1 6%,利用此切型及厚度,理论上可实现相对带宽约8%低损耗T C-S AW。265压 电 与 声 光2 0 2 3年 图6 T C-S AW上温补层结构随欧拉角的变化规律对于要求相对带宽在4%内的T C-S AW滤波器,可以采用1 2 8 -铌酸锂上溅射S i O2结构实现要求的性能指标。利用F EM/B EM计算了S i O2/C u/1 2 8 L N结 构 在hS i O2=0.3、hC u=0.0 5;hS i O2=0.3 5、hC u=0.0 5时的温度系数,得出其温度系数为(-1 5-1 0)1 0-6/,该条件下可实现温度系数约为-1 01 0-6/的T C-S AW滤波器。为保证该条件下具有良好的性能,设计了性能良好的低损耗滤波器,分别计算该条件下的机电耦合系数、品质因数(Q)值的变化规律,如图7、8所示。图8中,Qr为谐振系数,Qa为反谐振系数。图7 T C-S AW随温补层厚度变化机电耦合系数规律图8 T C-S AW随温补层厚度变化Q值规律由图7、8可见,随着S i O2相对厚度的增加,机电耦合系数逐渐降低,同时Qr、Qa值也逐步降低。5.3 横向模式抑制多层材料复合结构因存在横向模式将造成谐振频率和反谐振频率之间的杂波干扰,降低了谐振器的Q值,进而造成滤波器通带波纹变大1 0,如图9所示。图9 T C-S AW谐振器横向模式为了降低横向模式干扰,并进一步提高Q值,需要设计P i s t o n的边界条件1 1,将能量控制在有效的振动区域(见图1 0)。图中,A为振幅,Wg为波导孔径,Ws为边界宽度。图1 0 T C-S AW谐振器横向模式场分布图1 1、1 2分别为抑制横向模式后的谐振器导纳特性及B o d e-Q。图中,f/f0为归一化频率。由图1 1、1 2可以看出,横向模式基本消除,且Q值提升了1倍。365 第4期陈晓阳等:T C-S AW滤波器仿真与设计技术图1 1 T C-S AW谐振器横向模式抑制后的导纳图1 2 T C-S AW谐振器横向模式抑制后的B o d e-Q6 优化过程及验证结果综合考虑温度系数和性能需求,在给定的S i O2厚度、金属电极厚度下,利用C OM软件进行优化设计。采用非线性全局优化设计,其中指条的周期、数量、占空比、孔径作为待优化变量,通过不断更改待优化参量取值,从而逼近目标要求结果。6.1 优化过程优化开始前,首先根据目标值完善目标函数的要求,然后确定给出待优化参量的初始结果,绘制电磁版图,通过H F S S软件计算所有电磁效应S参数。通过C OM仿真设计平台软件中全波仿真功能中的声电协同仿真接口代入电磁效 应S参数,可以计 算 包 含 叉 指 声 学 响 应、版 图、基 板、封装、测试版等总的电磁效应在内的声电协同全波仿真结果。使用优化设计功能可得到所能到达的最好仿真曲线。最后通过多层F EM/B EM精确声学验证及H F S S得到电磁仿真参数,最终得到准确的仿真结果。为保证窄带特性,采用基于M推演的阻抗元结构1 2。当声学初始值已满足性能要求时,需要绘制电磁版图。通过H F S S软件建模,模拟芯片中电性能影响及压焊封装,并计算所有 电磁效应S参数,H F S S建模如图1 3所示。图1 3 T C-S AW滤波器HF S S建模图6.2 优化设计结果及性能分析优化中采用多参量离散变量模拟退火全局优化算法,给出优化变量的初始值及优化步进,从初始温度开始退火,经过3次退火即可得到一轮稳定的结果,整个过程的时间约为2h。针对窄带高矩形度T C-S AW滤波器的需求,优化了 一 款T C-S AW滤 波 器。图1 4、1 5分 别 为F EM/B EM仿真验证结果与实测结果的对比图。图1 4 窄带T C-S AW滤波器仿真实测对比图(近阻带)图1 5 窄带T C-S AW滤波器仿真实测对比图(远带)由图1 4、1 5可见,仿真结果在较宽的范围内与实测结果吻合良好。同时在12 5 0 MH z处有一个465压 电 与 声 光2 0 2 3年 杂波,为快切变体波截止频率,F EM/B EM也可准确地仿真出来,这是C OM模型做不到的。图1 6为该T C-S AW滤波器在-5 5+8 5 的实测曲线。通过对不同温度下的实测曲线计算,得到通带内的温度系数约为-51 0-6/。图1 6 窄带T C-S AW滤波器三温性能7 结束语本文给出了一种T C-S AW滤波器的详细设计方法,通过研究不同温补层厚度、电极厚度变化下,随欧拉角变化的下瑞利波、漏表面波的机电耦合系数变化,给出了最佳的欧拉角及结构设计参数。在此基础上,为了抑制横向模式,通过设置P i s t o n边界条件,有效提升了谐振器Q值;提取三维C OM参量库,并形成仿真及优化设计软件,最终设计出满足要求的T C-S AW滤波器。实验结果充分证明了仿真及设计方法的有效性。参考文献:1 NAKAOT,KA D OT A M,N I S H I YAMA K.S m a l l 32.5mm2s i z e ds u r f a c ea c o u s t i cw a v ed u p l e x e rf o rU S-P C Sw i t hE x c e l l e n t t e m p e r a t u r ea n df r e q u e n c yc h a r a c-t e r i s t i c sC/N e w Y o r k,NY,U S A:I E E E U l t r a s o nS y m pP r o c,2 0 0 7:1 6 8 1-1 6 8 4.2 NAKA IY,NAKAO T,N I S H I YAMA K.S u r f a c ea-c o u s t i cw a v ed u p l e x e r c o m p o s e do f S i O2f i l mw i t hc o n-v e xa n dc o n c a v eo n C u-e l e c t r o d e s/L i N b O3s t r u c t u r eC/B e i j i n g,C h i n a:I E E EU l t r a s o nS y m pP r o c,2 0 0 8:1 5 8 0-1 5 8 3.3 HA S H I MO TOK,A S ANO H,OMO R IT.U l t r aw i d e-b a n dL o v ew a v ed e v i c e se m p l o y i n gC u-g r a t i n g/r o t a t e dY X L i N b O3-s u b s t r a t e s t r u c t u r eC/C h i b a-s h i,J a p a n:P r o c e e d i n g so ft h eI E E EU l t r a s o n i c sS y m p o s i u m2 0 0 4:9 1 7-9 2 0.4 NAKAO T,KA D O TA M.S m a l l e rs u r f a c ea c o u s t i cw a v ed u p l e x e rf o rU Sp e r s o n a lc o mm u n i c a t i o ns e r v i c eh a v i n gg o o dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sJ.J p nJA p p lP h y s,2 0 0 7,4 6(7 B):4 7 6 0-4 7 6 3.5 NAKAMUR A H,NAKAN I S H I H.A S m a l l-s i z e dS AW d u p l e x e ro naS i O2/I D T/L i N b O3s t r u c t u r ef o rw i d e b a n d C DMA a p p l i c a t i o nC/N e w Y o r k,NY,U S A:I E E EU l t r a s o nS y m pP r o c,2 0 0 7:4 8 8-4 9 1.6 V E N TUR A P,HO D E J H,L O P E S B.R i g o r o u sa n a l y s i so f f i n i t eS AW D e v i c e sw i t ha r b i t r a r ye l e c t r o d eg e o m e t r i e sC/S e a t t l e,WA,U S A:I E E E U l t r a s o nS y m p,1 9 9 5:2 5 7-2 6 2.7 水永安.声表面波与声表面波器件M.南京:南京大学声学所,1 9 9 8.8 WANG H a o,S H IX i a n g l o n g.T h ed i s p e r s i v ec h a r a c t e r-i s t i c s o fC OMp a r a m e t e r s f o r s u r f a c e a c o u s t i cw a v eu n-d e rs h o r t-c i r c u i t e dg r a t i n g sJ.P r o c e s so f2 0 1 0J o i n tC h i n a-J a p a nI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o po nA c o u s t i cW a c eD e v i c e s,2 0 1 0:7 1-7 6.9 KA D O TA M,NAKAOT,N I S H I Y AMAK.S m a l l(32.5mm2)s u r f a c ea c o u s t i cw a v ed u p l e x e rf o rW-C DMAw i t hg o o d t e m p e r a t u r ea n d f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sC/N e w Y o r k,NY,U S A:I E E E U l t r a s o n S y m p,2 0 0 7:1 6 7 7-1 6 8 0.1 0OMOR IT,MA T S UD A K,S UG AMA Y,e ta l.S u p-p r e s s i o no fs p u r i o u sr e s p o n s e sf o ru l t r a-w i d e b a n da n dl o w-l o s sS AW l a d d e rf i l t e ro naC u-g r a t i n g/1 5 Y X-L i N b O3s t r u c t u r eC/V a n c o u v e r,B C,C a n a d a:I E E EU l t r a s o nS y m p,2 0 0 6:1 8 7 4-1 8 7 7.1 1KA D O TA M,K I MUR A T,T AMA S AK ID.H i g hf r e-q u e n c yr e s o n a t o r sw i t he x c e l l e n tt e m p e r a t u r ec h a r a c-t e r i s t i cu s i n ge d g er e f l f l e c t i o nC/V a n c o u v e r,B C,C a n a d a:I E E EU l t r a s o nS y m p,2 0 0 6:1 8 7 8-1 8 8 2.1 2KOMA T S U T,T ANAKA Y,HA S H I MO T O K.D e s i g no fn a r r o w b a n d w i d t hl a d d e r-t y p ef i l t e r s w i t hs h a r pt r a n s i t i o nb a n d su s i n g m u t u a l l yc o n n e c t e dr e-s o n a t o re l e m e n t sC/B e i j i n g,C h i n a:I E E E U l t r a s o nS y m p,2 0 0 8:1 5 7 6-1 5 7 9.565 第4期陈晓阳等:T C-S AW滤波器仿真与设计技术