濾波器在系統(tǒng)中發(fā)揮著濾除其他頻段和干擾信號(hào)的關(guān)鍵作用，主要包括聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器。SAW濾波器主要由壓電襯底材料上的兩個(gè)叉指換能器組成，SAW信號(hào)沿壓電材料的表面?zhèn)鞑?，而B(niǎo)AW濾波器通過(guò)調(diào)整薄膜的厚度來(lái)調(diào)控頻率，能夠應(yīng)用于更高頻率的范圍。其核心指標(biāo)包括通帶插損、阻帶抑制、頻帶、功率、頻率溫度系數(shù)和尺寸等。為保證通信質(zhì)量，手機(jī)中的每個(gè)頻段都需要使用濾波器。頻譜的擁擠和濾波器數(shù)量的增加，對(duì)濾波器的綜合性能提出了新的要求：更高的Q值、更小的頻率溫度系數(shù)和更小的體積。更高的Q值能夠確保濾波器具有更窄的過(guò)渡帶，從而實(shí)現(xiàn)更好的濾波效果；更小的頻率溫度系數(shù)能夠減少干擾信號(hào)的影響；更小的體積則有助于實(shí)現(xiàn)手機(jī)的小型化和輕量化，提供更多的電池空間。隨著射頻技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻器件的復(fù)雜度和集成度不斷提高，單一物理場(chǎng)的分析已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)和優(yōu)化的需求。因此，射頻器件的多物理場(chǎng)仿真顯得尤為重要。射頻器件的多物理場(chǎng)仿真能夠全面分析其工作特性。

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）、毫米波雷達(dá)探測(cè)以及太赫茲通信等無(wú)線技術(shù)的迅猛進(jìn)步，加上無(wú)人駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)展，對(duì)無(wú)線射頻系統(tǒng)在集成度、小型化、輕量化、低功耗和低成本等方面的要求日益提高。對(duì)射頻（RF）晶體管技術(shù)的性能要求也在不斷提高。這些要求包括更高的功率、更高的頻率和更高的效率，同時(shí)還需兼顧低成本和小體積的需求。

微波無(wú)線通信技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、全球定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，大幅提升了生活便利性，并成為社會(huì)進(jìn)步的重要推動(dòng)力之一。5G技術(shù)的普及更是顯著提高了通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和數(shù)據(jù)承載能力。傳統(tǒng)的射頻系統(tǒng)方案，如分立模塊和平面集成技術(shù)，已經(jīng)無(wú)法滿足日益提升的集成需求。因此，射頻系統(tǒng)正逐步朝著更高系統(tǒng)集成度的方向發(fā)展，目前采用的集成方案包括片上系統(tǒng)（SoC）、多芯片模塊（MCM）、系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和封裝系統(tǒng)（SoP）等。

在射頻前端系統(tǒng)中，濾波器作為核心組件，在接收鏈路和發(fā)射鏈路中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響通信質(zhì)量。從2G到5G，射頻前端中的濾波器數(shù)量不斷增加。例如，在現(xiàn)代手機(jī)的前端系統(tǒng)中，濾波器的數(shù)量已經(jīng)從個(gè)位數(shù)增加到超過(guò)100個(gè)。濾波器數(shù)量的激增主要有兩個(gè)原因：其一，移動(dòng)終端需要支持越來(lái)越多的功能，如GPS、藍(lán)牙、WiFi以及3G、4G、5G等，不同功能使用不同的頻譜，通常每種功能需要至少兩個(gè)濾波器或一個(gè)雙工器；其二，單個(gè)濾波器的帶寬有限，通常無(wú)法覆蓋整個(gè)通信頻段，因此射頻前端需要疊加多個(gè)不同頻率的濾波器以滿足寬頻段需求。

2濾波器技術(shù)原理

為了在單位時(shí)間內(nèi)傳輸更多的信息，必須提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。增加通信帶寬是提高數(shù)據(jù)傳輸速率的最有效手段之一。5G的數(shù)據(jù)傳輸速率（1 Gbps）相比于4G提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這主要得益于頻段數(shù)量的增加（從4G的十幾個(gè)增加到30個(gè)以上），以及多輸入多輸出、載波聚合和分集接收等技術(shù)的應(yīng)用，這些技術(shù)有效整合了多個(gè)頻段，使得系統(tǒng)的瞬時(shí)通信帶寬從十MHz級(jí)別提升到百M(fèi)Hz級(jí)別。在手機(jī)中，除了通信頻段的快速增加外，還有WiFi、藍(lán)牙和導(dǎo)航等應(yīng)用頻段的增加，使得頻譜變得愈發(fā)擁擠，頻段間的信號(hào)干擾成為通信系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

然而，由于低頻資源（600 MHz ~ 3 GHz）幾乎被完全占用，通信頻段的擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向高頻區(qū)域。目前，5G的sub-6 GHz頻段已經(jīng)擴(kuò)展到6 GHz，其中新增的N77和N78頻段的帶寬分別為900 MHz和500 MHz。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)頻率和帶寬的需求也在不斷增加，這對(duì)通信設(shè)備的多功能性和集成化提出了新的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步加大了射頻器件的設(shè)計(jì)難度。

濾波器在系統(tǒng)中發(fā)揮著濾除其他頻段和干擾信號(hào)的關(guān)鍵作用。其核心指標(biāo)包括通帶插損、阻帶抑制、頻帶、功率、頻率溫度系數(shù)和尺寸等。目前，濾波器不僅廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，也在電臺(tái)、制導(dǎo)、遙測(cè)遙控、相控陣?yán)走_(dá)以及電子對(duì)抗等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。為保證通信質(zhì)量，手機(jī)中的每個(gè)頻段都需要使用濾波器。頻譜的擁擠和濾波器數(shù)量的增加，對(duì)濾波器的綜合性能提出了新的要求：更高的Q值、更小的頻率溫度系數(shù)和更小的體積。更高的Q值能夠確保濾波器具有更窄的過(guò)渡帶，從而實(shí)現(xiàn)更好的濾波效果；更小的頻率溫度系數(shù)能夠減少干擾信號(hào)的影響；更小的體積則有助于實(shí)現(xiàn)手機(jī)的小型化和輕量化，提供更多的電池空間。

聲學(xué)濾波器通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，在聲學(xué)域完成信號(hào)處理后，再將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的濾波功能。與傳統(tǒng)的LC、介質(zhì)和腔體濾波器相比，微聲濾波器由于在傳輸方程中引入了多個(gè)傳輸零點(diǎn)，具有更高的Q值和更好的濾波性能。同時(shí)，由于聲波的波長(zhǎng)僅為電信號(hào)的十萬(wàn)分之一，微聲濾波器的體積比電學(xué)濾波器小得多，因此能夠兼顧高性能和小體積。從2G時(shí)代（如諾基亞手機(jī)）開(kāi)始，微聲濾波器已經(jīng)在手機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，年出貨量超過(guò)300億只。

微聲濾波器主要包括聲表面波（SAW）濾波器和體聲波（BAW）濾波器兩種類型。SAW濾波器主要由壓電襯底材料上的兩個(gè)叉指換能器組成，SAW信號(hào)沿壓電材料的表面?zhèn)鞑?，而B(niǎo)AW濾波器通過(guò)調(diào)整薄膜的厚度來(lái)調(diào)控頻率，能夠應(yīng)用于更高頻率的范圍，如K波段的18 GHz。BAW濾波器不僅能滿足低頻和高頻需求，還因其連續(xù)電極結(jié)構(gòu)能夠承載更高的功率，在民用和軍事領(lǐng)域均具有廣泛的發(fā)展前景。

大帶寬濾波器能夠覆蓋更多的頻段，顯著減少射頻前端系統(tǒng)中所需的濾波器數(shù)量，對(duì)精簡(jiǎn)射頻前端系統(tǒng)尺寸具有重要作用。因此，提高BAW濾波器帶寬一直是濾波器產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。在5G時(shí)代，射頻前端系統(tǒng)對(duì)高頻、大帶寬和小尺寸的BAW濾波器需求尤為迫切。然而，由于BAW濾波器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于SAW濾波器，其技術(shù)難度也更大。加之我國(guó)對(duì)BAW濾波器的相關(guān)研究起步較晚，國(guó)內(nèi)BAW濾波器產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)力不足，市場(chǎng)份額基本被美國(guó)的博通、Qorvo和日本的太陽(yáng)誘電等美日企業(yè)壟斷。在國(guó)內(nèi)開(kāi)始關(guān)注BAW濾波器時(shí)，國(guó)外廠商早已完成了BAW濾波器的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并構(gòu)建了完整的專利壁壘。幾十年的差距已經(jīng)導(dǎo)致BAW濾波器產(chǎn)業(yè)形成了較高的技術(shù)壁壘。近年來(lái)，美國(guó)對(duì)華芯片領(lǐng)域的技術(shù)封鎖愈加嚴(yán)密，我國(guó)5G發(fā)展受到嚴(yán)重制約，發(fā)展自主可控的寬帶BAW濾波器已成當(dāng)務(wù)之急。無(wú)論從技術(shù)發(fā)展還是市場(chǎng)導(dǎo)向出發(fā)，都需要研發(fā)寬帶BAW濾波器，以助力我國(guó)通訊設(shè)備更新?lián)Q代，推動(dòng)BAW濾波器芯片的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

BAW濾波器主要包括固態(tài)反射型諧振器和空腔型體聲波諧振器兩種。這兩種濾波器的核心都是由兩個(gè)金屬電極夾著壓電薄膜形成的三明治結(jié)構(gòu)換能器。其工作原理是：當(dāng)電信號(hào)施加到換能器上后，由于壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)，電信號(hào)被轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)，聲信號(hào)分別朝換能器的上下方向傳播，由空氣或其他結(jié)構(gòu)形成的反射界面對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行反射。換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定了只有滿足駐波振蕩條件的聲信號(hào)可以不斷增強(qiáng)，而其他信號(hào)在多次反射過(guò)程中由于相位不同而相互抵消，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特定聲信號(hào)的選擇。最后，通過(guò)壓電薄膜的壓電效應(yīng)，將形成駐波的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)的濾波。SMR結(jié)構(gòu)和FBAR結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。

SMR（懸浮膜聲波共振器）和 FBAR（薄膜體聲波共振器）結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致了它們?cè)谛阅苌系牟煌?。SMR 結(jié)構(gòu)的上反射層為空氣，下反射層由多層低阻抗層和高阻抗層交替構(gòu)成，每層薄膜的厚度均為聲波波長(zhǎng)的四分之一，基于布拉格諧振腔原理工作。由于 SMR 結(jié)構(gòu)的下反射層中各層薄膜對(duì)聲波的反射效率較低，聲波能量部分會(huì)沿反射層和襯底泄露，因此采用該結(jié)構(gòu)的器件損耗較大。然而，SMR 的優(yōu)勢(shì)在于其散熱通道為固體介質(zhì)，因此能夠承受較高功率。相比之下，F(xiàn)BAR 結(jié)構(gòu)的上下反射層都是空氣，幾乎實(shí)現(xiàn)了全反射，因此器件損耗較小，但其散熱通道為空氣介質(zhì)，功率承受能力相對(duì)較弱?；谶@些特點(diǎn)，SMR 濾波器主要應(yīng)用于對(duì)高功率有較高要求的基站類場(chǎng)合，而 FBAR 濾波器則更適用于對(duì)低損耗有較高要求的手機(jī)終端和武器裝備等領(lǐng)域。

SAW濾波器和BAW濾波器各自的工作原理及類型已有簡(jiǎn)要介紹。SAW濾波器在低頻和成本方面更具優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于2G、3G和4G移動(dòng)通信。相比之下，BAW濾波器具有更高的Q值、工作頻率、矩形度和功率耐受力，以及更低的頻率溫度系數(shù)，還更易于集成，因而主要用于高頻且對(duì)矩形度要求較高的頻段。

隨著通信系統(tǒng)和武器裝備的發(fā)展，對(duì)BAW濾波器提出了高頻化、小型化和高溫度穩(wěn)定性的要求。FBAR濾波器作為BAW濾波器的一種，因其在高頻化和小型化方面的顯著優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)通信和武器裝備中占據(jù)重要地位。然而，F(xiàn)BAR濾波器的頻率溫度系數(shù)較大（-25~-30 ppm/℃），對(duì)窄帶濾波器在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用可能導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)帶寬增加，帶外抑制能力減弱，進(jìn)而增大進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號(hào)，降低設(shè)備的整體靈敏度，難以滿足通信設(shè)備和武器裝備在惡劣環(huán)境下對(duì)濾波器高靈敏度的要求。因此，為降低頻率溫度系數(shù)需通過(guò)增加溫度補(bǔ)償層將其控制在較低范圍內(nèi)。

隨著系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷進(jìn)步，小型化、低功耗、高集成度的無(wú)線通信系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了最大限度地利用空間資源并減少饋線過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的能量損耗，芯片、硅通孔、集成電路和天線等各種有源和無(wú)源器件常常需要集成在有限尺寸的封裝體內(nèi)。這種情況下，盡管系統(tǒng)的總輸入功率可能有所降低，但由于整體尺寸的進(jìn)一步縮小，單位體積內(nèi)的熱功率反而增加，容易導(dǎo)致器件性能下降，甚至可能引發(fā)系統(tǒng)故障或嚴(yán)重?fù)p壞。

特別是在高溫環(huán)境下，芯片性能會(huì)顯著退化，主要表現(xiàn)為兩方面問(wèn)題：一方面，高溫會(huì)導(dǎo)致熱熔斷、熱應(yīng)力擊穿和電遷移失效，嚴(yán)重影響芯片的可靠性和使用壽命；另一方面，高溫產(chǎn)生的隨機(jī)電壓噪聲和時(shí)鐘偏移也會(huì)大幅降低系統(tǒng)性能。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須綜合考慮系統(tǒng)的散熱性能，為了有效散發(fā)多余熱量，通常會(huì)引入額外的散熱結(jié)構(gòu)。散熱結(jié)構(gòu)通常采用導(dǎo)熱性能良好的金屬材料，鰭片式金屬散熱片便是常見(jiàn)的選擇。然而在實(shí)際應(yīng)用中，金屬散熱片往往緊鄰集成電路，容易與裸露的互連線、天線等射頻器件發(fā)生電磁耦合，導(dǎo)致電磁兼容性問(wèn)題，進(jìn)而引起能量損耗或額外噪聲。尤其對(duì)于集成天線的系統(tǒng)，金屬散熱片的寄生輻射可能會(huì)惡化天線性能，嚴(yán)重干擾無(wú)線系統(tǒng)的正常工作。

03

濾波器芯片的電磁-力-阻尼-熱仿真

射頻濾波器芯片是通信系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的器件芯片，具有選擇信號(hào)工作頻率的作用，針對(duì)在5G商用已逐步鋪開(kāi)而6G技術(shù)正加速定型的當(dāng)下，人工智能（AI）、無(wú)人駕駛等新興應(yīng)用不斷取得突破，各行各業(yè)對(duì)無(wú)線通信以及射頻濾波器技術(shù)的高速率、大帶寬、高抑制、低插損等性能指標(biāo)提出更高要求。安徽大學(xué)陳士濤團(tuán)隊(duì)開(kāi)展射頻MEMS濾波器芯片多物理場(chǎng)建模仿真技術(shù)研究。圖1給出射頻前端電路組成和射頻濾波器芯片樣品。

一、光學(xué)MEMS微鏡芯片多物理場(chǎng)力-電磁-阻尼耦合效應(yīng)分析

光MEMS微鏡是利用微納加工技術(shù)將微型光學(xué)元件和MEMS執(zhí)行器進(jìn)行集成制造，與傳統(tǒng)光學(xué)元件相比具有體積小、成本低、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，MEMS微鏡的出現(xiàn)開(kāi)啟了一些列高價(jià)值的技術(shù)應(yīng)用，如車載MEMS激光雷達(dá)、激光投影顯示、AR/VR、可調(diào)諧智能光通信器件等。光MEMS微鏡芯片結(jié)構(gòu)版圖及多物理場(chǎng)力-電磁-阻尼-熱耦合仿真結(jié)果。

二、基于FDTD方法的多物理場(chǎng)力-電磁耦合算法開(kāi)發(fā)

圍繞壓電材料的本構(gòu)關(guān)系、靜電場(chǎng)方程和固體力學(xué)方程的強(qiáng)相互耦合作用，陳士濤老師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)一套三維的FBAR諧振器及一階BAW濾波器的仿真工具。如下圖所示：

04

總結(jié)

射頻器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在現(xiàn)代通信系統(tǒng)、雷達(dá)、醫(yī)療設(shè)備和電子戰(zhàn)等領(lǐng)域中具有關(guān)鍵意義。隨著5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)朝著輕薄化和小型化方向演進(jìn)。在4G/5G手機(jī)的射頻模塊中包含有數(shù)十個(gè)射頻濾波器，因此濾波器的體積成為決定手機(jī)尺寸的關(guān)鍵因素之一。目前，SAW濾波器和BAW濾波器已經(jīng)從最初的表貼陶瓷封裝逐步發(fā)展為芯片級(jí)封裝，甚至達(dá)到晶圓級(jí)封裝。為了滿足多輸入多輸出技術(shù)和載波聚合技術(shù)的需求，濾波器的體積必須進(jìn)一步縮小，以便手機(jī)能夠容納更多的濾波器。標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝與BAW射頻濾波器使用的襯底、電極等材料和工藝完全兼容，因此BAW射頻濾波器能夠與混頻器和放大器等射頻集成電路集成。這使得BAW濾波器的制造需要大量資金投入和高度復(fù)雜的技術(shù)。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和綜合性能對(duì)比來(lái)看，國(guó)外的技術(shù)水平顯著領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，尤其是在高端器件方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。然而，由于國(guó)外對(duì)中國(guó)高端器件實(shí)施禁運(yùn)，許多企業(yè)只能將目光轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)。因此，為了解決“卡脖子”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“自主可控”，自主研發(fā)高性能的FBAR濾波器已成為當(dāng)務(wù)之急。小型化且具有高溫度穩(wěn)定性的FBAR濾波器是新一代電子系統(tǒng)提升性能、減小體積和重量的關(guān)鍵基礎(chǔ)元件，將在我國(guó)新一代通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗和識(shí)別等移動(dòng)通信和電子武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

隨著射頻技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻器件的復(fù)雜度和集成度不斷提高，單一物理場(chǎng)的分析已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)和優(yōu)化的需求。因此，射頻器件的多物理場(chǎng)仿真顯得尤為重要。射頻器件的多物理場(chǎng)仿真能夠全面分析其工作特性。射頻器件在工作時(shí)，會(huì)涉及到電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的耦合作用。例如，射頻功率放大器在高功率工作狀態(tài)下，電磁場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合會(huì)導(dǎo)致溫度上升，而溫度的變化又會(huì)影響材料的電性能，從而進(jìn)一步影響器件的射頻性能。單一的電磁場(chǎng)仿真無(wú)法準(zhǔn)確捕捉溫度變化對(duì)器件性能的影響，因此需要引入熱場(chǎng)仿真。

通過(guò)多物理場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)師可以在仿真環(huán)境中全面考慮這些物理場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)射頻器件的實(shí)際工作性能。射頻器件在長(zhǎng)期工作中，熱效應(yīng)、機(jī)械應(yīng)力等因素可能導(dǎo)致材料老化、器件失效。通過(guò)多物理場(chǎng)仿真，設(shè)計(jì)師可以提前識(shí)別潛在的失效模式。例如，熱應(yīng)力可能導(dǎo)致器件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，影響電流分布和電磁場(chǎng)分布，從而降低器件的性能和壽命。通過(guò)在仿真中引入材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、熱傳導(dǎo)模型等，可以預(yù)測(cè)這些問(wèn)題的發(fā)生，并采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，如改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)、選擇更耐高溫的材料等，以提高器件的可靠性和使用壽命。此外，多物理場(chǎng)仿真還可以加速射頻器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程。

總之，射頻器件的多物理場(chǎng)仿真不僅能夠提高器件性能的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可靠性，還可以大幅縮短設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。因此，在現(xiàn)代射頻器件設(shè)計(jì)中，多物理場(chǎng)仿真已成為不可或缺的重要工具，為射頻技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。

銘華商銷售團(tuán)隊(duì)深耕濾波器行業(yè)二十余年，提供各種應(yīng)用場(chǎng)景的解決方案。Rose13417386540

審核編輯 黃宇