具有高Wi-Fi抑制功能的全频段41滤波器：设计和制造挑战

Full band 41 filter with high Wi-Fi rejection – design and manufacturing challenges

Susanne Kreuzer、Alexandre Volatier、Gernot Fattinger、Fabien Dumont，BAW R&D，Qorvo公司

摘要：本文介绍使用先进的BAW（体声波）技术的全频段41滤波器。由于其带宽要求极大（分数带宽为7.8%），因此用于窄带宽的典型设计策略无法维持通带中的低插入损耗。我们将从设计角度和制造角度探讨如何处理滤波器宽带宽和Wi-Fi共存要求带来的挑战。滤波器下沿的陡度对实现Wi-Fi频段的严格抑制要求起关键作用，因此必须使用高质量的BAW技术。实现所需精度、确保滤波器选择性及其在全频段41上的低损耗性能会带来其他制造挑战。

关键词：全频段41；高Wi-Fi抑制；LTE-TDD

过去五年中，4G LTE的最新标准已在全世界范围内建立，供应商已建立并稳步扩展网络覆盖范围，支持多种不同的FDD和TDD频段[参考文献1]。频段41是最重要的LTE频段之一，这得益于它在亚洲市场的巨大需求，该地区的所有主要服务供应商均拥有自己的特定通道[2,3]，此外，美国的需求也很旺盛，最近被Softbank收购的Sprint推出了使用频段41的新型LTE网络，而频段41包含日本的XGP频段[4]。频段41是194MHz宽的TD-LTE频段，工作范围为2496MHz到2690MHz，横跨全频段7 Tx和Rx频段。因此，它涵盖大量的频谱，可满足新兴智能手机和平板电脑行业对更高下载/上传速率日益增长的需求。市场上现有的滤波器仅可涵盖整个B41频谱的几部分[5]，我们介绍的是单个全频段高性能BAW滤波器，其封装尺寸只有2 x 2 x 0.83 mm，在大部分通带上的典型插入损耗仅为2.1dB。因此，手机中支持全频段41所需的RF组件数量减少了。由于频段41工作频率区域与Wi-Fi的有效频谱接近，因此很明显需要高度选择性的滤波器来满足严格的共存要求，而我们的滤波器具有43dB（典型值）的绝佳Wi-Fi抑制能力，最高可达通道11。

B41滤波器设计：考虑因素和挑战

梯式滤波器架构与各种接地电感相结合（如图1a所示），是设计BAW滤波器的一种常见方法[6]。对于这种配置，通带主要由电路中的串联和并联谐振器的谐振频率(fs)和反谐振频率(fp)决定（图1b）。宽频段响应——超出主声频区域——对在芯片上与谐振器共同形成振荡电路的电感十分敏感。运用相同的策略为全B41频率区域建立滤波器，通带响应在频段中心显然受影响，如图2所示，因为并联和串联谐振器的谐振频率会大幅分离。因此，串联和并联谐振器的阻抗均超出所需的区域，无法在滤波器的中心频率附近实现阻断（并联谐振器）或通过（串联谐振器）功能，从而导致通带性能不良。

图1：(a)常见的梯式滤波器理念，使用并联（橙色）、串联（蓝色）谐振器和接地电感。(b)梯式滤波器的谐振器频率位置的示例。并联谐振器的反谐振fp与串联谐振器的谐振频率fs接近，从而实现平坦的通带。

图2：移动滤波器中的并联谐振器以降低频率（原始：橙色，偏移后：绿色）将导致通带的下沉（黑色），因为串联谐振器的谐振与并联谐振器的反谐振过度分离。

可使用不同的策略改善通带的性能。比如，其中一种方法是为谐振器使用某种压电材料，该材料与用于AlN的材料（有效耦合约为6.4%）相比，所呈现的内在有效耦合更高。提高有效耦合后，由串联和并联谐振器的频率分离所导致的通带中部的高损耗会消失，将得到类似图1b所示的阻抗行为，但是通带更宽（图3）。应对通带中部的高插入损耗的另一种方法是在滤波器设计中添加匹配组件。通过放置与谐振器并联或串联的电容或电感组件可以减少或增加谐振器的耦合。对于全频段41滤波器，增加并联谐振器的有效耦合是一种显而易见的方法，因为这将创建更宽的通带，且不会造成通带中部的大量插入损耗（图3）。

图3：在设计中添加电感可增加并联谐振器的耦合（原始：绿色，增加后的耦合：红色）。所以此设计的通带（黑色）响应有所改善，通带中部没有下沉，如同纯梯式滤波器设计（灰色）。

为了在全频段范围内创建平坦的通带，所需的并联电感相对较大，必须从外部集成。由于尺寸约束，无法为使用先进的层压技术的每个并联谐振器并联一个电感。因此更好的策略是在滤波器芯片的输入和输出端口添加并联电感。为了更好地匹配50 Ohm的端口，也可对这些电感的值进行优化。其他电感级可以连接到滤波器的中心节点以改善插入损耗和回波损耗性能并创建通带之外的陷波以实现所需的宽带抑制。此外，给出的全频段41滤波器的关键规格之一是在Wi-Fi频段的主要通道内具有高抑制等级。在频段上实现此类抑制的最简单方法是降低部分并联谐振器的频率的整体电气响应，以在落入Wi-Fi频段的谐振频率下创建额外的抑制级。考虑到同时实现通带中的低插入损耗和Wi-Fi频段中的出色抑制所需的滤波器陡度，显然必须使用高质量的BAW技术。此外，根据观察，滤波器频段下沿的陡度对并联谐振器的谐振频率的完全分离非常敏感。为了提高坡度陡度，可以为并联谐振器并联电容，如参考文献[7]中所示。共存区域的滤波器陡度也对所有规格随温度的变化起到关键作用。图4显示优化模块的最终滤波器性能，分别是使用上述方法的仿真和测量结果。模块在通带上具有2.1dB的典型损耗，在Wi-Fi频段的通道1到通道11中具有43dB的抑制作用。

图4：全频段41滤波器的平坦通带响应，典型损耗2.1dB，典型Wi-Fi抑制43dB，最高可达通道11：仿真——黑色，测量——橙色

B41滤波器的制造挑战

频段41模块可通过2 x 2 mm²的封装制造，整个模块高度仅为0.83mm。所需的外部电感嵌入使用接合线连接到BAW芯片的叠层上。谐振器的工作频率对频段的相应堆栈中所有单层的厚度均十分敏感。因此，所有不同工艺步骤中的变化通常需要在完成最后层沉积后调整谐振器，从而调整谐振器频率以获得最佳的电响应。因此，分布在晶圆上的测试结构（例如谐振器）的电气响应将以s参数测量的形式获得。根据产品的关键规格，调整步骤和相应计算也可使用滤波器芯片的在片测量。对于大多数调整策略，在晶圆上探测时，滤波器必须具有明显的通带响应，从而为调整计算提供具有代表性的输入数据。对于频段41，在晶圆上探测时，滤波器的响应明显无法满足此要求，因为在没有外部电感的情况下，并联和串联谐振器的谐振频率分离会导致通带的大幅下沉。因此仅使用滤波器响应无法直接执行调整。如上文所述，Wi-Fi抑制要求为制造增加了额外的约束。因此，并联谐振器的频率位置仅可在很窄的频率窗口中调整以使滤波器的频段下沿以最佳方式定位在抑制和通带限值之间。这同样也会受并联谐振器频率分离的影响，因为如上文所述，它会影响滤波器的陡度。对随温度变化的滤波器工作性能，滤波器的陡度尤其关键。对于较高的工作温度，滤波器频率方面的性能会有所下降，如果滤波器未以最佳方式定位或频段下沿的坡度不够陡，则可能造成上部Wi-Fi通道中发生问题。可以应用不同的策略实现晶圆上滤波器芯片的高合格率。第一种可用的方法是分别调整各谐振器类型的频率，即并联和串联谐振器、基线频率和附加频移，并使用晶圆上与实际滤波器芯片接近的谐振器测试结构来调整晶圆上的堆栈变化。此策略不需要在调整前进行滤波器探测，因此与使用滤波器响应作为输入以计算调整步骤的传统调整策略相比，探测时间相对不那么密集。但是，使用此方法时，只能通过外推的谐振器测量间接确定关键的滤波器参数，而测量结构的密度远低于滤波器芯片的密度。因此，可能出现一个问题，即如果在流程期间发生短距离变化，将难以准确预测滤波器参数。另一种方法是仅根据纯滤波器响应执行调整计算和步骤。但是如上文所述，此方法可能需要较长的探测时间来调整各个滤波器以实现最佳的性能和合格率。此外，相对于其他窄频段来说，晶圆上频段41滤波器的形状将导致调整计算更加复杂。组合使用这些先进的调整策略，我们可以实现晶圆上的高合格率，不管宽带宽导致的调整策略多么复杂。

结果

以下部分将总结全频段41滤波器的性能。图5显示典型通带抑制行为随温度的变化，如预期一样，对于低温运行，临界点在频段下沿的2496MHz处。零件经过优化可在194MHz全频段实现-3.5dB的最大插入损耗等级。但是，频段中部的典型损耗等级明显降低，典型等级仅为-2.1dB，如图5所示。

图5：全频段41通带中典型插入损耗性能随温度的变化。全频段中最大的插入损耗指定为-3.5dB，通常可以观察到损耗在频段中部明显下降。

RX模块的典型回波损耗性能约为-10dB（图6a/b），其中具有较窄带宽的RX滤波器通常也能实现类似的等级。对于零件的输入和输出阻抗，可以从史密斯图表（图6b）看出，滤波器集中在50Ω左右，而与具有较窄带宽的滤波器相比，此宽带模块具有稍高的变化。这不需要外部匹配组件即可实现，有利于手机级别的集成。宽带抑制如图6c所示。

图6：(a)全频段41滤波器的典型回波损耗性能——S11和S22分别为黑色曲线和蓝色曲线。(b)S11（左）和S22（右）各自的端口阻抗变化。零件集中在50Ω左右，可观察到与具有较窄带宽的滤波器相比，由于带宽较大而导致较高的变化。(c)模块的典型宽带行为。

全频段41是一款高度选择性的LTE-TDD滤波器，满足严格的Wi-Fi共存要求。整个工作温度范围内的性能变化主要影响高Wi-Fi通道12-13（2456-2483MHz）的抑制等级，而在整个指定的温度限值内，对于用于常见WLAN应用、关联更紧密的低Wi-Fi通道1-11（2400-2473MHz）均可实现出色的选择性（见图7）。室温下，测量的典型抑制为43dB，表明具有满足频段41和Wi-Fi的严格共存要求的出色滤波器性能。对频段41模块进行了ESD强壮性测试，模块通过了两种标准——人体模型（HBM）和机器模型（MM）标准，这是最高等级的要求。

图7：频段41在整个工作温度范围内的极佳Wi-Fi抑制。对于Wi-Fi通道1-11（2400-2473MHz）的典型室温（绿色）抑制为43dB。

总结

由于梯式滤波器配置中并联和串联谐振器的大幅频率分离，设计全194MHz宽的频段41滤波器将同时面临设计和工艺挑战。本文介绍了使用先进的BAW技术的全频段41滤波器解决方案，其在全通带区域内均具有低损耗，且具有43dB（典型值）的绝佳Wi-Fi共存性能，最高可达Wi-Fi通道11。使用常见梯式滤波器方法产生的通带中部损失可通过在设计中添加电感组件以增加并联谐振器有效耦合来克服。使用高质量的BAW并联谐振器和附加的电容可消除特定谐振器的耦合，实现极佳的Wi-Fi抑制等级以及从频段41到Wi-Fi频段的急剧转换。

致谢

作者在此感谢Stacy Dudley提供的杰出技术支持和配合工作，因此才能成功向客户推出此产品。

参考文献

[1]     Rohde&Schwarz, “LTE-Advanced (3GPP Rel.12) Technology Introduction White Paper”, Application Note, 2015

[2]     GTI Global TD-LTE Initiative, “ TDD Sprectrum White Paper”, 2013

[3]     Qualcomm, “LTE Advanced – Evolving and expanding in to new frontiers”, 2014

[4]     Federal Communications Commission, “FCC White Paper – The Mobile Broadband Spectrum Challenge:International Comparison”, 2013

[5]     ETSI European Telecommunications Standard Institute, “LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception (3GPP TS 36.104 version 10.5.0 Release 10)”, 2012

[6]     K. Hashimoto, “RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications”, Artech House, 2009

[7]     A. Volatier, “Technology enhancements for high performance BAW duplexer”,  Ultrasonics Symposium (IUS), 2013 IEEE International, vol., no., pp.761-764, 21-25 July 2013