《Microelectronics Journal》：Design of a compact and low-loss bulk acoustic wave filter for the BeiDou B1C band
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北斗三号B1C频段BAW梯形滤波器设计，采用增强Mason等效电路模型，优化电极/压电层厚度比（2.3–2.5）降低有效机电耦合系数（keff2=3.9%），实现1.16dB插入损耗、36.6dB带外抑制，0.82×0.62mm2紧凑面积。
Jie Tang|Weipeng Xuan|Rui Ding|Yiran Wei|Feng Gao|Jikui Luo|Shurong Dong
中国杭州电子科技大学电子与信息学院射频电路与系统重点实验室，杭州310061
摘要
本文介绍了一种用于北斗-3 B1C频段的紧凑型、低损耗窄带体声波（BAW）梯形滤波器。采用改进的Mason等效电路模型，实现了谐振器特性和滤波器响应的同步优化。为了满足32.736 MHz的带宽要求，通过设计电极与压电层的厚度比（t_e/t_p ≈ 2.3–2.5）来有意降低有效机电耦合系数（k_eff^2）。梯形拓扑结构中的谐振器面积经过单独调整，以平衡插入损耗、带外抑制、芯片面积和功率处理能力。制造的AlN BAW谐振器具有3.9%的有效k_eff^2、1.578 GHz时的最大品质因数（Q_max）以及约-31.75 ppm/°C的频率温度系数（TCF）。该滤波器实现了1.16 dB的最小带内插入损耗、超过36.6 dB的带外抑制效果，以及-30.5 ppm/°C的有效滤波器级TCF。其紧凑的尺寸为0.82 × 0.62 mm^2，为北斗-3 B1C应用提供了一种小型化、高性能的解决方案。
引言
随着无线服务的迅速扩展和多星座GNSS接收器的广泛部署，L波段的射频频谱变得越来越拥挤。在实际的导航接收器中，强相邻信道发射机和带内干扰源会显著降低射频前端的灵敏度，使得频谱兼容性和电磁兼容性（EMC）成为实现稳健GNSS运行的关键设计考虑因素[1,2]。北斗-3（BDS-3）开放服务B1C信号的中心频率为1575.42 MHz，在共享的L1/E1频谱内与GPS L1（包括L1C）和Galileo E1民用信号具有频谱互操作性[3,4]。虽然这种互操作性通过多星座操作提高了定位精度和可用性，但也增加了对干扰机制（如相邻信道阻塞和互调失真）的敏感性。因此，高度选择性和线性的射频前端滤波对于可靠的GNSS接收至关重要。
体声波（BAW）滤波器采用薄膜体声波谐振器（FBARs）或固体安装谐振器（SMRs）实现，由于其高工作频率、紧凑的占地面积以及通常比表面声波（SAW）器件更强的功率处理能力，已被广泛应用于现代射频前端[[5], [6], [7], [8]]。对于BAW滤波器而言，谐振器的品质因数Q是一个关键的性能指标，因为它反映了损耗机制，并在很大程度上决定了可实现的插入损耗和选择性。如先前综述所述，可获得的Q受到多种损耗机制的共同限制，包括声波泄漏（例如剪切波和侧向泄漏波）、与电极相关的欧姆/涡流损耗以及额外的材料/互连损耗。这些损耗在器件层面表现为能量耗散，并转化为滤波器层面的更高插入损耗和降低的抑制效果[9]。因此，要满足低损耗和高选择性的窄带滤波要求，通常需要跨材料/结构设计、工艺调整和紧凑建模进行协同优化。
准确的等效电路建模是将谐振器级特性可靠地转化为滤波器级响应的基础。MBVD模型已被广泛用于以集总形式表示主要的电气寄生参数和损耗项，从而能够从测量的阻抗响应中提取实际参数[10]。同时，Mason传输线模型非常适合捕捉压电谐振器的声学传输行为，并被广泛用于器件级仿真和物理分析[11]，已有改进的公式可以提高BAW谐振器的建模精度[12]。然而，对于像北斗B1C这样的窄带应用，纯集总形式的MBVD模型可能无法充分捕捉声学传输细节，而仅基于声学的Mason框架可能无法充分考虑关键的电气寄生参数和损耗。因此，将基于物理的Mason核心与MBVD类型的寄生/损耗表示相结合，有助于在统一框架内同时捕捉共振/反共振位置、阻抗斜率和主要损耗项，从而为滤波器合成和协同优化提供更可靠的建模基础。
基于这些考虑，本文设计、制造并实验验证了一种基于AlN的BAW梯形滤波器，覆盖了整个北斗B1C频段。采用改进的Mason等效电路模型进行精确的参数提取和系统的谐振器-滤波器协同设计。在该模型的指导下，通过设计电极与压电层的厚度比来有意调整有效机电耦合系数，以满足窄带B1C频段的规格要求。同时，在功率耗散约束下协同优化梯形拓扑结构和谐振器面积，以提高线性和功率处理能力，而不牺牲插入损耗或频谱选择性，从而为北斗-3 B1C接收器提供了一种紧凑且高性能的滤波解决方案。
部分摘录
FBAR结构和共振模型
图1展示了本文中使用的FBAR结构。该器件采用依次制造的多层堆叠结构，包括AlN种子层、底部电极（BE）、压电（PZ）层、顶部电极（TE）和钝化（PS）层。
在电极堆叠层下方沉积AlN种子层，以促进随后沉积的AlN压电层的晶体质量和c轴方向，这对于实现高机电耦合至关重要
BAW滤波器设计
为了满足B1C频段带通滤波器的严格要求——即低带内插入损耗、高带外抑制、紧凑的占地面积和足够的功率处理能力——采用了由四个串联谐振器和四个并联谐振器组成的梯形拓扑结构，如图4所示。这种拓扑结构在选择性、插入损耗、电路复杂性和芯片面积之间提供了良好的折中。
在较高的输入功率水平下，BAW谐振器中的射频损耗会部分
谐振器性能和分析
制造的谐振器使用Keysight E5080B矢量网络分析仪（VNA）和接地-信号-接地（GSG）探头进行了特性测试。相应的测量结果如图7所示。图7(a)展示了采用渐变几何形状的制造谐振器的光学显微照片，该形状用于抑制侧向杂散声波模式[16,21]。图7(b)展示了测量的阻抗和相位响应。图7(c)和(d)比较了测量值和模拟值
结论
本文介绍了基于AlN薄膜体声波谐振器（FBARs）的高性能体声波（BAW）梯形滤波器的设计、制造和实验验证，该滤波器覆盖了整个北斗-3 B1C频段（1559.052–1591.788 MHz）。采用了一种系统的协同设计方法，结合了改进的Mason-MBVD混合等效电路模型、基于厚度比的k_eff^2工程和梯形拓扑优化，以定制窄带B1C滤波器的响应。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2025YFF0520100）、国家自然科学基金（项目编号：U24A20222）、浙江省自然科学基金（项目编号：LR26F040002）、浙江省重点研发计划（项目编号：2024C01031、2025C01070、2026C02A1229）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：2025ZFJH01）的支持。作者感谢杭州电子科技大学超级计算中心提供的计算资源。
