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面向移动无线通信的体声波器件研究与实现

曹哲琰  
【摘要】:随着无线通信技术的飞快发展及5G时代的来临,集成化,小型化成为无线射频终端的发展趋势。微机电(MEMS)体声波谐振器作为目前唯一能实现射频前端频率器件高性能化、小型化、集成化需求的微机电系统器件,成为当今5G时代的研究热点。同时,与传统的介质滤波器和声表面波滤波器(SAW)相比,其高谐振频率、高Q值、高灵敏度的优势使得它在滤波器领域具有巨大的应用前景。论文研究依托薄膜体声波谐振器(FBAR)而展开,内容主要包括以下三点:1.开展体声波器件工作理论原理分析,利用Mason等效电路模型,对体声波谐振器的理论优化研究,建立有限元仿真模型精确模拟谐振器结构对性能影响,优化设计了一款谐振频率为1.9GHz,并联谐振点Q值达到1400的谐振器,谐振器送往加工后并测试,受加工精度影响谐振频率为1.8GHz,并联谐振点Q值900。2.提出声电磁协同仿真方法实现滤波器精确仿真,实现复阻抗与等效复介电常数转换,结合COMSOL声学仿真结果在HFSS中实现声电磁协同仿真,并完成版图封装等设计实现全波仿真,建立更完善精确的体声波滤波器全波仿真模型,基于该声电磁协同仿真方法完成了 Band3_Rx频段滤波器版图封装优化设计工作;面向滤波器高宽带应用,基于原理图仿真研究高宽带N78频带体声波滤波器;利用非谐振节点方法实现体声波滤波器的广义切比雪夫滤波器综合设计,实现对传输零点的控制,达到在特定频带满足更高的选择性,相邻频带的高抑制和低插入损耗的要求。3.体声波谐振器各膜层材料受温度变化影响,其杨氏模量发生改变,进而导致刚度矩阵变化,纵波声速变化,最终导致工作谐振频率变化。为了研究温度变化对谐振器性能的影响,通过给Mason模型添加温度参数,实现了体声波谐振器温度等效电路模型建模;通过添加温度补偿层对谐振器谐振温度偏移频率进行补偿得到零频率漂移谐振器;利用热量流动的线性分布特性可以对体声波滤波器热分布提取等效热阻电路模型,利用等效热阻替代谐振器,热阻间的节点电压差用以表示谐振器之间的温度差,从而更直观的表现出温度分布指导滤波器版图优化设计工作。


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