中国机械工程第 1 6卷增刊 2 0 0 5年7月

基于 ME MS技术的微波( R F )滤波器的设计 乔东海中国科学院声学研究所，北京， 1 0 0 0 8 0 摘要： 微波 ME MS ( R F -ME MS )滤波器是一种基于硅微加工技术的新型器件。由于 R F -ME MS器件具

有体积小、承受功率大、性能优良、成本低以及易于与后续的电路集成等突出优. i,因此，由薄膜体声波谐振器 ( F B A R)构成的 R F -ME MS滤波器在微波通讯系统的射频前端将取代传统的声表面波( S A W)滤波器。从以 ME MS技术制作的薄膜体声波谐振器( ( F B A R )为基本单元构成梯子式( L a d d e r t y p e )射频滤波器的原理出发，对滤波器的性能和设计进行分析，并对实际滤波器中的问题进行了较详细的探讨。 关键词：射频滤波器； ME MS器件；薄膜体声波谐振器；滤波器设计中图分类号： T N 0 1 5; T N 4 5 4文章编号： 1 0 0 4 -1 3 2 X ( 2 0 0 5 ) S 1 -0 1 5 8 -0 3

D e s i g n o f R F B A W F i l t e r U s i n g S u r f a c e Mi c r o m a c h i n i n g T e c h n o l o g y D o n g h a i Q i a o I n s t i t u t e o f A c o u s t i c s, C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s, B e i j i n g, 1 0 0 0 8 0 A b s t r a c t: R F ME MS f i l t e r s u s i n g s u r f a c e m i c r o m a c h i n i n g t e c h n o l o g y a r e n e w d e v i c e s . T h e y c a n b e u s e d i n t h e f r o n t e n d o f mi c r o w a v e c o m m u n i c a t i o n s y s t e ms t o r e p l a c e t h e c o n v e n t i o n a l s u r f a c e a c o u s

t i c w a v e ( S A W) c o u n t e r p a r t s, d u e t o t h e i r a d v a n t a g e s o f s m a l l s i z e, h i g h一p o w e r h a n d l i n g, g o o d p e r f o r m a n c e, l o w一c o s t a n d e a s i l y i n t e g r a t e d w i t h o t h e r e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s o n t h e s a m e s i l i c o n w a f e r . I n t h i s t e x t, p r i n c i p l e a n d d e s i g n o f R F ME MS f i l t e r s b a s e d o n t h e f i l m b u l k a c o u s t i c一w a v e r e s o n a t o r s ( F B A R ) w e r e p r e s e n t e d . P e r f o r m a n c e a n d d e s i g n p a r a m e t e r s o f t h e f i l t e r s w i t h l a d d e r t y p e c o n f i g u r a t i o n s w e r e i n v e s t i g a t e d i n d e t a i l . K e y w o r d s: R F f i l t e r s; R F一ME MS; F B A R; F i l t e r d e s i g n

0引言 如果没有选择性很强的射频滤波器( R F -F i l t e r ),移动通讯用的手机几乎不能正常地工作。这些滤波器用来保护接收通路( R x )不受发射通路( T x )的干扰，并屏蔽来自别的射频源的噪声。手机能工作的最小接收信号强度可以比干扰信号的强度小 1 2 0 d B。在有强的干扰信号时，接收信号与其整个波段上信号进行混频，在这种情况下，没有任何前置放大器能保持足够的线性。只有在天线和前置放

滤波器( ( S A W)或陶瓷滤波器。而声表器件在性能、最高工作频率、鲁棒性、功率承受能力和静电敏感性等方面都受到一定的局限性，它不可能缩小体积，也不适合做在硅片上并与后续电路实现单芯片集成。陶瓷滤波器因其体积太大、价格太贵，不适合手机，不久将被新的技术淘汰。 近年来，薄膜体声波谐振器( ( F B A R )的研究取得了很大的进展并得到了广泛的应

用，它的最大优点是制作工艺和半导体集成电路兼容，可以用作高 Q的单芯片微波集成电路元件〔 1 - 3]。这种谐振器还可以构成带通滤波器，非常适合在 8 0 0 MH z频率以上移动通讯方面的应用，因为它们具有高的 Q值，能承受几瓦的功率，并且频率温度系数

大器之间的高选择性的射频滤波器( R F -F i l t e r )才能保证想要的接收信号得到放大。分配给移动通讯系统的频段 为0 . 8^ - 2 . 2 G H z。通信带宽一般为 2 5 -7 5 MH z。发射信号

T x频段比接收信号频段低，但中间只有 2 0 MH z频段间 隔。用于接收的 R x滤波器必须在 2 0 MH z的过渡带宽内对发射信号 T x的上沿频率有大于 1 5 d B的衰减，并对接收频段的下沿频率的插人损耗小于 3 d B。为了得到这样陡的过渡带宽的滤波器，所用的电抗元件必须有非常低的损耗。而发射通路 T x滤波器的高选择性也是非常必要的，因为规则禁止在指定带宽以外发射射频功率。C D MA和 W - C D MA通讯体制和欧洲用的 3 G ( U MT S )通讯体制

比声表滤波器( ( S A W)低得多[[ 4 . 5 7。本文的工作就是研究用 Z n O作压电薄膜的体声波谐振器，以及用这些体波谐振器构成的滤波器的设计和工艺制作。

1薄膜体声波谐振器 ( F B A R)和梯子式

( l a d d e r t y p e )滤波器的原理 基于 ME MS技术的薄膜体声波谐振器( F B A R )的原理和石英晶体谐振器的原理非常相似，只是工作频率比石英晶体谐振器的频率高得多，一般在 0 . 5 -2 0 G H z的频率

是全双工下工作的，这就是说，手机同时接收和发射信号。这种方式强迫使用所谓的天线双工器，此双工器包括高选择性的接收波段和发射波段的滤波器来保证发射功率放大器的信号尽量少地进人 R x接收通路，并且天线接收的 信号传输到前置放大器过程中的损耗尽量小。双工器用声表器件( ( S A W)来做的话，比较具有挑战性，因为它需要承受2 W的发射功率，并且可以在自身产生的高温下正常地工作。现在手机里用的射频滤波器( R F -F i l t e r )都是声表 收稿日期： 2 0 0 5 -0 4 -0 6 .1 5 8

范围[[ 6 1。谐振器的压电薄膜一般采用Z n O, A I N或 P Z T等 压电材料。压电薄膜的厚度一般在几个微米的量级。如图 1所示，压电层驱动产生谐振的驻波声场

,谐振声场的半波长即 x/ 2约等于上电极、压电层、下电极和支持层的厚度之和，因此，可以通过调节这个厚度的方法，在一定范围内改变薄膜体声波谐振器的谐振频率。 图 2给出了以 ME MS薄膜体声波谐振器为基元的梯子式微波滤波器的拓扑结构。对于给定中心频率 f .和通带宽度△ . f的滤波器，可以由两种不同频率的薄膜体声波