ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ АКУСТИКА
удк 548:53+534.22
ПОЛОСОВЫЕ СВЧ-ФИЛЬТРЫ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ. ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
© 2015 г. М. Ю. Двоешерстов, В. И. Чередник
ННГУим. Н.И. Лобачевского 603950 Н. Новгород, пр. Гагарина 23 E-mail: Dvoesh1@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.2015 г.
Представлены результаты теоретического и экспериментального анализа сверхвысокочастотных (СВЧ) тонкопленочных акустоэлектронных полосовых лестничных фильтров, построенных на базе тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ-резонаторов на основе нитрида алюминия AlN, работающих в диапазоне частот 4.6—5 ГГц. Изложена технология изготовления таких фильтров. Показано, что характеристики фильтров определяются, главным образом, характеристиками резонаторов, образующих фильтр. Показано, что оптимизация площадей верхних электродов последовательных и параллельных резонаторов, входящих в состав трехзвенного фильтра лестничного типа, существенно улучшает его характеристики.
Ключевые слова: акустоэлектроника, тонкопленочные СВЧ-резонаторы, фильтры, нитрид алюминия, объемные акустические волны, добротность, эффективный коэффициент электромеханической связи.
Б01: 10.7868/8032079191505007Х ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время основными тенденциями и перспективами развития рынка сверхвысокочастотных (СВЧ) акустоэлектронных компонентов (резонаторы, фильтры и т.д.) являются: снижение габаритных размеров, выпуск практически всей номенклатуры в чип-исполнении, расширение диапазона рабочих частот. В частности, для мобильных средств связи одним из важнейших требований является миниатюрность. В наибольшей степени этому требованию соответствуют устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однако предел рабочих частот устройств на ПАВ, изготовленных с помощью фотолитографии, ограничивается значением 2 ГГЦ, что связано с технологическими пределами применимости фотолитографических процессов при изготовлении встречно-штыревых преобразователей, являющихся основными элементами для приема и возбуждения ПАВ в пьезокристаллической подложке. Применение электронной литографии позволяет поднять частотный предел устройств на ПАВ до 6 ГГц [1]. Дальнейшее повышение рабочих частот (до 30 ГГц) связано с разработкой акустоэлектронных СВЧ-устройств нового поколения, работающих на объемных акустических волнах (ОАВ), распространяющихся в тонкопленочных пьезоэлектрических материалах (например, нитрид алюминия). На сегодняшний день разработаны технологии, позволяющие получить тонкую пленку нитрида алюминия АШ, имею-
щую свойства пьезоэлектрического кристалла [2—5]. Толщина этой пленки может быть реализована примерно до 0.1 мкм, что в сочетании с высокой скоростью ОАВ в AlN (порядка 11 км/с) обеспечивает возможность продвижения акустоэлектронных устройств (резонаторы, фильтры) на ОАВ до частот примерно 30 ГГц, а при использовании высших гармоник — еще выше. Английская аббревиатура тонкопленочных резонаторов на ОАВ — FBAR (Film Bulk Acoustic Resonator), для тонкопленочных фильтров на ОАВ — BAW-Filter (Bulk Acoustic Wave Filter). Обладающие уникальной возможностью продвижения в область сверхвысоких и крайне высоких частот резонаторы и фильтры FBAR интенсивно разрабатываются в последние примерно два десятилетия. При изготовлении FBAR-устройств применяются те же технологические приемы, что и при изготовлении интегральных схем. Магнетронное напыление и/или гетероэпитаксиальное выращивание тонких (доли микрон) слоев пьезоматериалов с различными физическими и электрическими свойствами, фотолитография, мокрое химическое и сухое плазмо-химическое травление и др. Именно поэтому FBAR-устройства прекрасно вписываются в планарную конструкцию интегральных схем.
Основные свойства и возможности FBAR рассмотрены, в частности, в работах [6—12]. При этом существует несколько видов конструкций тонкопленочных резонаторов на ОАВ. Тонкопле-
Z>
I
Ub,
Рис. 1. Простейший фильтр из двух резонаторов.
ночный резонатор мембранного типа включает в себя тонкую пьезопленку (например, AlN), на верхней и нижней поверхностях которой расположены металлические электроды. Акустическая изоляция резонатора от подложки может быть выполнена двумя различными способами. В первом из них используется микрообработка для создания воздушного слоя между нижним электродом резонатора и подложкой [6]. Другой способ заключается в использовании структуры, смонтированной на подложке, в которой между резонатором и подложкой помещается акустический отражатель, служащий для предотвращения акустического взаимодействия активной зоны резонатора с подложкой (SMR—BAW — Solidly Mounted Resonator—Bulk Acoustic Wave) [11—12].
В данной работе описываются способы представления, описания и расчета параметров СВЧ тонкопленочных полосовых чип-фильтров на базе SMR—BAW-резонаторов. Полосовой фильтр является одним из основных компонентов любого приемо-передающего устройства. Как правило, полосовой фильтр реализуется в виде лестничного фильтра, образованного последовательностью резонаторов, подключенных поочередно последовательно и параллельно.
СХЕМА, ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ФИЛЬТРОВ
Чтобы сформировать из резонаторов полосовой фильтр, требуется как минимум два резонатора, первый из которых подключен последовательно на пути от входа к выходу, второй — параллельно. Соответствующая схема показана на рис. 1. Здесь Д — импеданс последовательного резонатора, Др — импеданс параллельного резонатора. Типичная зависимость модуля и фазы импеданса БВАЯ резонатора Д от частоты, рассчитанная в соответствии с методикой, описанной ниже, показана на рис. 2.
Модуль импеданса резонатора Д имеет минимум на резонансной частоте /г (частоте последовательного резонанса, /г = 5 ГГц на рис. 2) и максимум на антирезонансной частоте /а (частоте параллельного резонанса, /а = 5.125 ГГц на рис. 2, /а>/г). Частотный отклик параллельного резона-
Фаза, рад 1.5 1.0 0.5 0
-0.5 -1.0 -1.5
4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.25 5.50 5.75 6.00
/, ГГц
Рис. 2. Зависимость модуля и фазы импеданса БВАЯ от частоты.
тора должен быть сдвинут относительно частотного отклика последовательного резонатора в сторону более низких частот таким образом, чтобы антирезонансная частота параллельного резонатора была примерно равна резонансной частоте последовательного резонатора. Эта частота будет равна центральной частоте полосы пропускания фильтра. На этой частоте входной сигнал будет почти беспрепятственно проходить через малый импеданс последовательного резонатора и почти не будет шунтироваться большим импедансом параллельного резонатора. При удалении от центральной частоты в сторону более высоких частот импеданс последовательного резонатора будет увеличиваться и при его антирезонансной частоте достигнет максимума. Входной сигнал почти совсем не будет проходить через этот резонатор, т.е. через фильтр. Эта частота будет определять высокочастотный полюс (в логарифмическом масштабе) полосы пропускания фильтра. При удалении от центральной частоты в сторону более низких частот импеданс параллельного резонатора будет уменьшаться и при его резонансной частоте достигнет минимума. Входной сигнал будет почти полностью зашунтирован этим резонатором, т.е. опять не будет проходить через фильтр. Эта частота определяет низкочастотный полюс полосы пропускания фильтра. Схема на рис. 1 представляет собой делитель напряжения, для которого можно записать очевидное соотношение между выходным и входным напряжениями, которое легко получить с помощью закона Ома:
Ub
jp__
1
Ub
Zr + Zp
1+^
(1)
В центре полосы Др — да, Д — 0, Д/Д ^ 0 и ивых/ивх — 1. В правом (высокочастотном) полюсе Д — да, Др — конечная величина, Д— да и ивых/ивх — 0. В левом (низкочастотном) полюсе Д — конечная величина, Др — 0, Д/Др — да и вновь
z.
Zs
Zs
Ubx YP
YP
YP
Um
Рис. 3. Типичная схема лестничного фильтра.
Рис. 4. Секции лестничного фильтра: (а) T-секция и (б) п-секция.
вх вых
ивх ивых
Рис. 5. Представление резонатора в виде четырехполюсника.
UBbix/UgX ^ 0. Вне полосы на некотором расстоянии от ее полюсов Zs — Zp, если резонаторы одинаковые, и ЦвЬ1Х/ивх = 0.5. Это подавление вне полосы, в децибелах равное 6 дБ в данном случае. Чтобы его увеличить, необходимо добавить еще одну пару последовательный—параллельный резонаторы, которая еще вдвое уменьшит отношение выходного напряжения к входному, т.е. еще на 6 дБ. Добавляя еще и еще такие пары резонаторов, получим лестничный фильтр из ns таких пар (или из 2ns резонаторов), обеспечивающий подавление вне полосы ns раз по 6 дБ, см. рис. 3. Здесь Yp — 1/Zp — проводимость параллельного резонатора. Первый и/или последний резонатор фильтра может быть как последовательным, так и параллельным. Кроме того, последовательные и параллельные резонаторы фильтра могут следовать друг за другом в произвольном порядке, не обязательно строго поочередно (как на рис. 3). Величины импедан-сов Zs и проводимостей Yp могут быть индивидуальными для каждого резонатора, не обязательно одинаковыми (как на рис. 3).
Применяется и другой способ представления лестничных фильтров — в виде набора симметричных секций, каждая из которых состоит из трех резонаторов — двух последовательных и одного параллельного (T-секция) или наоборот — двух параллельных и одного последовательного (п-секция). Оба варианта представлены на рис. 4.
Любой лестничный фильтр можно представлять в виде набора одиночных параллельных и последовательных резонаторов и/или же в виде набора Т-секций и/или п-секций и/или в виде набора того, другого и третьего в произвольной последовательности. В каждом конкретном случае могут применяться различные формулы для описания фильтра, результат от этого зависеть, разумеется, не будет.
Наиболее универсальное и достаточно простое описание лестничного фильтра можно получить, представляя каждый из резонаторов в виде четырехполюсника, см. рис. 5.
Для линейного четырехполюсника ток 1вх и напряжение ивх на входе могут быть представлены в виде линейной комбинации соответствующих величин /_ых и Цых на выходе:
ивх ив
11 ^вых
+ а121вых,
Лх — a21 ивых + а221вых. (2а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.