一种基于Mason模型的FBAR滤波器优化方法与流程

本发明属于薄膜体声波谐振器（FBAR）的优化技术领域，特别涉及一种应用ADS软件基于Mason模型的FBAR梯形滤波器的优化方法。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，越来越多的功能模块被要求挤入原本已不堪拥挤的无线终端中，迫使手机的射频收发信机(射频前端)向微型化、集成化方向发展。在射频前端结构中，双工器、滤波器亟待集成到芯片中。随着4G段智能手机的普及，滤波器的工作频率不断提高，以满足用户快速传输数据和高质量的音频、视频和图像的需求。作为目前唯一有望实现集成的射频滤波器技术， FBAR吸引了国内外研究机构的诸多关注。FBAR滤波器小体积，高性能的特点很好地满足了手持移动设备的需求，其优秀的滤波性能结合片上封装技术，50欧姆输入输出端匹配，为快速设计高性能手机，移动设备的芯片射频前端提供了绝佳的选择。

目前国内FBAR产业化、集成化面临几个难题：如何将FBAR器件模型整合到RFIC行业标准的EDA软件中，实现无缝连接、协同工作；如何精确地控制FBAR的谐振频率。因此建立一套行之有效、方便快捷的分析方法和器件模型，实现特定需求的滤波器的设计和优化方法是缩短产品周期、实现产业化的关键。

然而，目前应用各种EDA工具对指定频段FBAR滤波器的仿真只能手动更改压电层和电极层的物理参数或几何参数，以达到滤波器设计的的给定指标。一方面，单独谐振器的仿真电路模型已经足够复杂，整合到高阶滤波器电路中原理图将更加繁琐，因此这种手动修改参数的方法效率很低，修改各膜层参数的作用有限，常常不能保证同时满足带内插损低于-3 dB和带外抑制高于-30 dB的要求。

由此可见，对于FBAR的性能模拟和仿真工作，为实现器件的设计和制备提供了重要的理论依据。所以亟需一种可以自动调谐各膜层参数以改善滤波性能的设计和优化方法。因此，提出一种可行、便捷的FBAR的设计和优化方法成为了实现滤波器集成化的关键。

ADS（Advanced Design System）是Agilent公司专门为RF工程师及DSP工程师开发的EDA工具，是国内外各大学及研究所使用最多的射频微波电路和通信系统仿真软件。借助ADS强大的电路仿真功能，我们可以很方便快捷地对FBAR进行模拟。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种可行、便捷的应用ADS软件基于Mason模型的FBAR梯形滤波器的设计和优化方法，所设计的FBAR滤波器传输性能满足要求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于Mason模型的FBAR滤波器优化方法，包括以下步骤：

（1）构建原理图：根据Mason模型在ADS原理图中新增对应的电子元件和连线，构成电路图；

（2）修改元件参数值：选择压电层和电极层材料，根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值；

（3）定义各膜层的几何参数：根据工作频率设定压电层厚度、电极层厚度和谐振面积；

（4）添加端口：上、下电极层的其中一个声学端口与压电层的声学端口级联，另一个声学端口接地。压电层的电学端口定义为Port1、port2；

（5）封装成库文件：应用ADS软件的Symbol功能，将步骤（2）-步骤（4）制作的电路模型封装二端口元件，简化滤波器设计电路；

（6）新建仿真电路原理图：在ADS同一个Workspace文件中新建原理图，调用步骤（5）封装的库文件，连线完成滤波器电路图；

（7）添加仿真元件：在电路原理图中添加信号源Term1，Term2，分别接地，以及S参数仿真工具S-PARAMETERS，设定仿真起始频率、终止频率及步长；

（8）提取初步仿真结果：利用S参数控件仿真，Plot Trace中添加dB（S（2,1））作为仿真结果显示；

（9）添加目标和优化控件：应用ADS软件自带的目标值(GOAL)和优化功能(Optimize)两大控件对滤波器S参数进行优化，设定三个目标值。设定并联谐振器上电极、串联谐振面积、并联谐振面积为优化变量；

（10）开始自动优化，直到传输曲线达到目标值，或已优化到该滤波器结构的理论最优值；

（11）确定优化后的FBAR各膜层的几何参数和滤波器结构。

步骤（2）所述根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值，具体为：压电层的声速、声阻抗、机电耦合系数、夹持介电常数、衰减因子和电极层的声速、声阻抗、衰减因子。

步骤（6）所述调用步骤（5）封装的库文件包括若干个串联FBAR谐振器和并联FBAR谐振器，并以一定的拓扑结构进行电学级联。

步骤（9）所述应用ADS软件自带的目标值(GOAL)和优化功能(Optimize)两大控件对滤波器S参数进行优化，设定三个目标值。设定并联谐振器上电极、串联谐振面积、并联谐振面积为优化变量，具体为：

利用ADS软件的目标控件，设置带内插损大于-3 dB，即对应频带内S21大于-3 dB，同时带外抑制小于-30 dB，即带外两个频点处S21小于-30 dB，利用ADS软件的优化控件，设定并联谐振器上电极、串联谐振面积、并联谐振面积为优化变量，开启变量Optimization Status为Enabled，设置优化范围和步长，修改优化控件中对优化次数的设定。

步骤（11）所述优化后的FBAR各膜层的几何参数和滤波器结构，具体为：

经软件自动取点计算和调谐预先设定的优化次数后，在S21优化达到目标的条件下，更新各参数优化值。包括并联谐振器电极厚度、串联谐振面积、并联谐振面积。无法达到目标或优化方差很大的情况下，修改目标值或者更换滤波器拓扑结构重复步骤（9）-步骤（11）直到满足指标，最终完成滤波器的设计和优化。

本发明的有益效果：1.本发明综合运用软件，利用ADS软件实现FBAR谐振器的封装，封装后的二端口元件，极大简化了滤波器设计电路。

2. 本发明在建立的FBAR梯形滤波器模型的基础上，综合运用软件的目标和优化两大控件，实现了FBAR谐振面积和各膜层厚度的自动调谐，便于同时满足带内插损和带外抑制的指标要求。

3. 本发明避免了手动修改FBAR参数的低效做法，利用了计算机强大的运算能力，同时利用列出仿真方差作为参考来评价与目标值的偏差，模拟结果更为可靠。

4. 本发明可根据需要模拟各种材料制备的FBAR的谐振频率，优化各种拓扑结构FBAR滤波器的参数值，为调谐得到更优FBAR几何参数、探究各物理参数影响传输性能的深层机制提供了新思路。

附图说明

图1为基于Mason模型的FBAR滤波器优化方法的流程图。

图2为FBAR谐振器电路原理图。

图3为封装后的库文件示意图。

图4为梯形FBAR滤波器电路原理图。

图5为初步仿真结果图。

图6为优化前后传输曲线S21的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的基于Mason模型的FBAR滤波器优化方法，包括以下步骤：（1）构建原理图：根据Mason模型在ADS原理图中新增对应的电子元件和连线，构成如图2所示的电路图，电子元件包括阻抗，变压器，变量VAR。

（2）修改元件参数值：分别选择AlN和Mo为压电层材料和电极材料，根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值；

压电层AlN的纵波声速、特征声阻抗、机电耦合系数、夹持介电常数、衰减因子分别为11350 m/s、3.70e7 kg/m²s、6.0%、9.50e-11 F/m、800 dB/m；

电极层Mo的声速、声阻抗、衰减因子分别6213 m/s、6.39e7 kg/m²s、500 dB/m。

（3）定义各膜层的几何参数：本实施例中通带在2.3-2.4 GHz范围，计算得到串联谐振器的串并联谐振频率分别为2.35 GHz和2.40 GHz，并联谐振器的串并联谐振频率分别2.30 GHz和2.35GHz，由此设定串联FBAR的压电层厚度为1.35 μm、上下电极层厚度为0.18μm，谐振面积为19600 μm²；并联FBAR的压电层厚度为1.35 μm、上下电极层厚度分别为0.198 μm和0.18 μm，谐振面积为19600 μm²。

（4）添加端口：上电极层的右声学端口与压电层的左声学端口级联，上电极层的左声学端口接地，下电极层的左声学端口与压电层的右声学端口级联，下电极层的右声学端口接地。压电层的两个电学端口定义为Port1、port2。

（5）封装成库文件：应用ADS软件的Symbol功能，将步骤（2）-步骤（4）制作的电路模型在同一个Workspace文件中建立对应的Symbol，Symbol类型为Y参数，包括两个端口，对应原理图中的两个电学端口。封装完成为如图3所示的二端口元件。

（6）新建仿真电路原理图：在ADS同一个Cell文件中新建原理图，采用Component命令调用步骤（5）封装的库文件，连线完成如图4所示的五阶梯形滤波器的电路图；

本实施例中五阶梯形滤波器的拓扑结构是三个串联FBAR和两个并联FBAR采用T型级联，调用三次串联FBAR的symbol、两次并联FBAR的symbol，信号源。

（7）添加仿真元件：在电路原理图中添加信号源Term1，Term2，分别接地，Term的内阻设定为50欧姆，添加S参数仿真工具S-PARAMETERS，设定仿真起始频率为2 GHz、终止频率为3 GHz及步长为10 MHz，根据需要的数据点多少设定步长，但步长过小会导致计算耗时过长，点数至少要大于100个。

（8）提取初步仿真结果：利用S参数控件仿真，在Plot Trace中添加dB（S（2,1））作为仿真结果如图5显示。添加三个Marker标记，通带为2.30 GHz-2.38 GHz，带宽为80 MHz，带内插损最大为1.365 dB，传输极点外抑制最小为15.984 GHz。

（9）添加目标和优化控件：应用ADS软件自带的目标值(GOAL)和优化功能(Optimize)两大控件对滤波器S参数进行优化，设定三个目标值。设定并联谐振器上电极、串联谐振面积、并联谐振面积为优化变量；

本实施例中设定三个目标值，添加GOAL控件，设置2.25GHz处的S21小于-35dB，2.45GHz处的S21小于-35dB，以及2.32-2.38GHz内的S21大于-3dB，各目标权重均为1。添加OPTI控件，设置以下变量VAR：串联面积为优化变量a1，初值仍为1.96e-8，优化范围0.5e-8 ~ 4e-8，并联面积为优化变量a2，初值为1.96e-8，优化范围0.5e-8 ~ 4e-8。设置并联谐振器上电极厚度为优化变量a3，初值为1.98e-7，优化范围为1.90e-7 ~ 2.0e-7，优化类型为连续，优化次数为400次。

（10）利用ADS的Optimize功能开始自动优化，直到400次取点逼近目标值的优化过程完成，传输曲线已优化到该滤波器拓扑结构理论上的最优值。

本实施例中400次优化耗时50秒，最终结果方差为0.177386，结果可靠。

（11）确定优化后的FBAR各膜层的几何参数和滤波器结构。优化后结果如图6所示，带内插损小于2.222 dB，带外抑制大于35.204 dB，最终优化后得到的并联谐振器上电极厚度为0.196 μm，串联谐振器面积为8942 μm²，并联谐振器面积为25492 μm²。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。