高 楊，韓 超，袁 靖

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，體聲波(BAW)濾波器持續(xù)向小型化發(fā)展的同時(shí)，也已呈現(xiàn)出高功率的發(fā)展趨勢(shì)。一方面，5G通信技術(shù)將促使微基站廣泛應(yīng)用，提高微基站中BAW濾波器的功率容量已成為必須考慮的問題[1-3]。另一方面，在手機(jī)射頻前端模塊中，雙工器中的發(fā)射濾波器(Tx)需處理來自功率放大器的輸出信號(hào)，這要求Tx濾波器必須處理更高的功率水平(如30 dBm[4]，即1 W)，以提供更高的可靠性[5-6]。在高功率作用下，BAW濾波器中的功率密度將增加。高功率密度會(huì)通過自熱效應(yīng)的形式導(dǎo)致器件溫度升高，從而引發(fā)性能指標(biāo)超標(biāo)、壽命縮短、故障率上升等問題[6-7]。其中，性能指標(biāo)超標(biāo)是高功率BAW濾波器最根本的一種失效模式。如果只能通過實(shí)際器件的首次測(cè)量來確認(rèn)這種設(shè)計(jì)缺陷，則會(huì)浪費(fèi)大量的資源和時(shí)間。換言之，如果能夠?qū)υ缙陔A段的仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行功率容量的評(píng)估，從而為高功率BAW濾波器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，這將會(huì)大幅縮短設(shè)計(jì)周期、減少樣品的迭代測(cè)試，從而提高產(chǎn)品的上市速度[7]。評(píng)估BAW濾波器功率容量的基礎(chǔ)是熱仿真。文獻(xiàn)[8-11]報(bào)道的BAW器件熱仿真法存在仿真耗時(shí)高[8],耗散功率計(jì)算不準(zhǔn)[9-10],仿真維度太低導(dǎo)致無法觀測(cè)熱/冷點(diǎn)信息[11]等問題。此外，功率容量評(píng)估的具體方法也還有待完善，需將熱仿真結(jié)果同BAW濾波器的性能觀測(cè)聯(lián)系起來，以構(gòu)建一個(gè)閉環(huán)的評(píng)估流程。

針對(duì)上述問題，本文采用聲-電磁-熱(A-EM-T)多物理場(chǎng)仿真路線，提出一種閉環(huán)的BAW濾波器功率容量評(píng)估方法，可以在全溫度范圍內(nèi)快速、有效地評(píng)估所設(shè)計(jì)的BAW濾波器的功率容量。該方法也是高功率BAW濾波器的故障物理認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

1 原理

BAW濾波器的構(gòu)建單元是BAW諧振器(BAWR)，它是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝加工的微型電聲諧振器。當(dāng)對(duì)BAW濾波器輸入一定功率時(shí)，BAW濾波器中各BAWR會(huì)發(fā)生自熱效應(yīng)，由于BAWR的溫度特性，最終會(huì)導(dǎo)致BAW濾波器的電磁(EM)性能發(fā)生變化。當(dāng)輸入功率(Pin)較大時(shí)，BAWR聲學(xué)性能的自熱效應(yīng)將會(huì)變得更顯著。所以在BAW器件中存在著復(fù)雜的聲-電磁-熱多物理場(chǎng)耦合關(guān)系。即高功率的電磁輸入功率在器件中產(chǎn)生自熱，自熱作用于聲學(xué)(壓電)材料，壓電材料聲學(xué)特性的熱致變化引起器件電磁功能特性的變化。其中，自熱主要源于BAWR中的電流通過較薄的金屬導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱[12-13]；器件電磁功能特性的變化主要是由于BAWR中薄膜疊層材料屬性(主要是壓電層的彈性常數(shù))具有溫度相關(guān)性，從而導(dǎo)致BAWR中縱波聲速的改變，并最終影響B(tài)AWR的諧振頻率及濾波器的濾波性能[14]。

此外，BAW濾波器的濾波性能還會(huì)受到環(huán)境溫度(Ta)的影響[15-16]。為滿足電子產(chǎn)品的多場(chǎng)景應(yīng)用需求，BAW濾波器必須在特定Pin下保證全溫度范圍內(nèi)正常工作。總之，BAW濾波器的濾波性能是受Pin和Ta的共同影響。所以，功率容量的評(píng)估可采取以下判據(jù)：在Pin作用下，BAW濾波器的各項(xiàng)性能指標(biāo)在全溫度范圍內(nèi)均不超標(biāo)，即被認(rèn)為該BAW濾波器的功率容量可以達(dá)到Pin。

2 方法

對(duì)BAW濾波器進(jìn)行功率容量評(píng)估的方法如圖1所示。

圖1 BAW濾波器功率容量評(píng)估方法

BAW濾波器功率容量評(píng)估的第一步是由聲-電磁(A-EM)協(xié)同仿真[17]得到濾波器的耗散功率。其中，Pin的大小可在電磁仿真軟件HFSS中進(jìn)行設(shè)置(如設(shè)置為常規(guī)值23 dBm，即約為0.2 W)。然后采取從熱耦合到電磁的路線，通過數(shù)據(jù)鏈接，在熱仿真軟件ePhysics和電磁仿真軟件HFSS中共享相同的BAW濾波器的幾何結(jié)構(gòu)，為電磁-熱耦合仿真做準(zhǔn)備。接著，在ePhysics中分配材料和邊界條件，并設(shè)置耦合求解方式。其中，Ta是由熱仿真軟件ePhysics設(shè)置的。至此，聲-電磁-熱多物理仿真設(shè)置完畢，仿真求解出BAW濾波器的3D溫度分布、BAWR中各疊層的平均溫度數(shù)值。最后，將所得到的各單元諧振器的疊層平均溫度通過相應(yīng)的材料溫度系數(shù)[18]引入到Mason模型中，構(gòu)建含溫度參量的Mason模型(本文命名為“Mason(T)模型”)，采用該模型模擬出BAW濾波器在給定輸入功率和環(huán)境溫度下的傳輸曲線。通過觀測(cè)濾波器的指標(biāo)是否超標(biāo)來評(píng)估該設(shè)計(jì)的功率容量。只有當(dāng)濾波器在常溫環(huán)境(如30 ℃)、低溫環(huán)境(如-25 ℃)及高溫環(huán)境(如+85 ℃)下各項(xiàng)性能指標(biāo)均未超標(biāo)時(shí)，才能通過仿真評(píng)估。即該濾波器設(shè)計(jì)可在全溫度范圍內(nèi)保持正常工作，功率容量水平不小于Pin。

3 功率容量評(píng)估

以一款S波段窄帶帶通BAW濾波器設(shè)計(jì)[19]為例，沿用第2節(jié)功率容量評(píng)估方法的流程和細(xì)節(jié)。

本次評(píng)估中，低溫環(huán)境溫度取-25 ℃、室溫取30 ℃、高溫環(huán)境溫度取+85 ℃。該BAW濾波器中各BAWR的連接關(guān)系、濾波器版圖布局和指標(biāo)如圖2和表1所示。由圖2可知，該BAW濾波器有3只串聯(lián)諧振器S1、S2、S3(Sn為第n只串聯(lián)諧振器)和4只并聯(lián)諧振器P1、P2、P3、P4(Pn為第n只并聯(lián)諧振器)。BAWR的薄膜疊層為Mo-AlN-Mo-Si3N4-SiO25層復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖2 案例S波段BAW濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布局

表1 案例S波段BAW濾波器的性能指標(biāo)

對(duì)該案例實(shí)施聲-電磁-熱多物理場(chǎng)仿真，得到Pin為23 dBm、Ta為30 ℃下的3D溫度分布(見圖3)及各BAWR中各疊層的平均溫度(見表2)。然后，利用各BAWR的疊層平均溫度構(gòu)建Mason(T)模型。

圖3 S波段BAW濾波器的溫度分布

表2 各單元諧振器的平均溫度

1) 自熱溫度會(huì)改變各疊層材料的彈性常數(shù)[14]為

c33(T)=c33(Ta)·[1+TCc33(T-Ta)]

(1)

式中：T為自熱溫度；c33(T)，c33(Ta)分別為自熱溫度和環(huán)境溫度下的彈性常數(shù)；TCc33為彈性常數(shù)的溫度系數(shù)。

2) 彈性常數(shù)會(huì)改變聲速，則有[20]

(2)

(3)

式中：va_piezo(T)，va1(T)分別為壓電層和普通聲學(xué)層的縱波聲速；e33為壓電應(yīng)力常數(shù)；ε33為夾持介電常數(shù)；ρ為密度。

3) 聲速將直接影響B(tài)AWR的諧振頻率并最終影響B(tài)AW濾波器的濾波特性[20]，即

(4)

式中：fp為諧振器的并聯(lián)諧振頻率；va為縱波聲速；d為疊層厚度。

根據(jù)式(1)～(3)，在ADS軟件中，把Ta和BAWR的疊層平均溫度及其溫度系數(shù)[18]引入到Mason模型中，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和疊層溫度封裝，得到包含溫度參量的Mason(T)模型。在該模型中，Ta和各單元諧振器的自熱溫度可根據(jù)熱仿真的邊界條件和仿真結(jié)果來進(jìn)行設(shè)定。

需要說明的是，由于同一個(gè)BAWR內(nèi)部各疊層的溫度值非常接近，為簡(jiǎn)便起見，可在Mason(T)模型中忽略同一BAWR內(nèi)各疊層的微小溫差。

根據(jù)Mason(T)模型，可以模擬出該S波段窄帶帶通BAW濾波器在不同輸入功率(0.2 W和1 W)、不同環(huán)境溫度(-25 ℃、30 ℃和+85 ℃)下的濾波特性。圖4為0.2 W、30 ℃情況下的原理圖。其他的輸入功率與環(huán)境溫度組合條件下的原理圖，只需更改相應(yīng)的輸入?yún)?shù)。

圖4 電路原理圖及其仿真結(jié)果

由于該BAW濾波器通帶的上、下頻點(diǎn)分別為2.440 GHz和2.481 GHz，且2.385 GHz和2.506 GHz為該BAW濾波器帶外抑制指標(biāo)的重要臨界點(diǎn)，所以選擇這4個(gè)頻點(diǎn)為性能觀測(cè)點(diǎn)。此外，在2.416 GHz處，帶外抑制指標(biāo)存在明顯變化，故將其選為性能觀測(cè)點(diǎn)。這5個(gè)頻點(diǎn)處的性能如圖4所示。由圖4可知，該BAW濾波器在輸入功率為23 dBm下，全溫度范圍(-25～+85 ℃)內(nèi)的性能雖略有變動(dòng)，但各項(xiàng)指標(biāo)均未超標(biāo)，因此判定該BAW濾波器設(shè)計(jì)的功率容量可達(dá)到23 dBm。同時(shí)，該BAW濾波器在承受更高的輸入功率(30 dBm)時(shí)，其性能明顯退化。具體表現(xiàn)為：在-25 ℃和+85 ℃時(shí)，上頻帶插入損耗超標(biāo)(分別為-5.592 dB@2.481 GHz和-5.569 dB@2.481 GHz)；在常溫環(huán)境30 ℃時(shí)，帶外抑制(-35.836 dB@2.506 GHz、-27.460 dB@2.416 GHz)不滿足指標(biāo)(<-40 dB)。所以，該BAW濾波器無法達(dá)到30 dBm的較高功率容量。

4 結(jié)束語

基于聲-電磁(A-EM)協(xié)同仿真，提出了一種閉環(huán)的BAW濾波器功率容量評(píng)估方法，可在全溫度范圍內(nèi)快速、有效地評(píng)估BAW濾波器設(shè)計(jì)的功率容量水平。以一個(gè)S波段窄帶帶通BAW濾波器為例，展示了該評(píng)估方法的使用流程和細(xì)節(jié)。

對(duì)于該濾波器設(shè)計(jì)，功率容量可達(dá)到23 dBm；但在30 dBm時(shí)，插入損耗、帶外抑制等指標(biāo)超標(biāo)，無法達(dá)到30 dBm的較高功率容量。