基于IPD和BAW异构集成N77全频段滤波器设计

高速通信需要超大的带宽支持，例如Wi-Fi 6E/7全频段为6.17 - 7.125 GHz，N77和N79的全频段分别达到了900 MHz 和600 MHz。体声波（BAW）滤波器具有较高的Q值，但其带宽受限于压电材料机电耦合系数，难以实现大的带宽。无源电感和电容等器件搭建的滤波器，可以实现较大的带宽，但其Q值较低，导致滤波器的边带特性较差。因此，如何实现滤波器的大带宽及高陡降特性成为亟需突破的难题。

据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，来自杭州树芯科技和浙江大学、杭州电子科技大学的研究人员提出了基于带阻理论的全新网络架构的IPD（Integrated Passive Device）与BAW器件异构集成的滤波器设计思路，设计并制备出了N77全波段紧凑型宽带BAW滤波器，相关研究成果近期以“Compact and High Steep Skirts Hybrid Heterogeneous Integrated N77 Full band BAW Filter Based on Band-stop Theory”为题发表在IEEE Electron Device Letters期刊上。新的设计思路克服了谐振器kt²对滤波器带宽带来的限制，为设计更高频带的宽带滤波器开辟了道路。

如图1所示，交换原梯形滤波器的串联谐振器和并联谐振器的频率，原来的通带变成了阻带，原来的阻带变成了通带。因此，通带的带宽不再受谐振器kt2的限制，可以扩展到阻带的两侧。研究者利用阻带左侧的通带构建了异构集成BAW滤波器。研究者分别制造了Al0.8Sc0.2N作为压电层的BAW和基于SiN的IPD器件，随后使用倒装键合将它们连接起来。这种三维堆叠结构形成了一个高度紧凑的芯片，所制造的异构集成滤波器具有900 MHz的带宽，通带覆盖3.3 GHz到4.2 GHz。该滤波器的平均插入损耗为-2 dB，带外抑制为-28 dB，平均滚降为250 MHz，有效面积仅为1 mm × 0.85 mm，如图1所示。

图1 异构集成滤波器：（a）异构集成滤波器结构示意图；（b）异构集成滤波器BAW与IPD显微图；（c）滤波器传输特性曲线

此外，通过操作串联电感器和调整相应并联谐振器的面积，还可以调整滤波器左频带的零极点。因此，可以基于固定频率的谐振器，只调节电感值，即可调整BAW滤波器的带宽。这种灵活性使得在同一晶圆上制造具有多种带宽的滤波器成为可能。图2展示了滤波器从400 MHz到2 GHz的带宽变化能力，这是传统梯形或格状滤波器无法实现的。

图2 滤波器可实现从400 MHz - 2 GHz的带宽变化

这种异构集成滤波器克服了谐振器kt2带来的限制，为设计更高频带的宽带滤波器的设计提供了新的思路。面向未来无线通信带宽的增加，通带右侧的抑制逐渐减弱，实现具有灵活多变的带宽切换调节的异构集成滤波器，在诸多应用场景有重要的应用潜力。有关滤波器技术已经用在树芯公司的宽带滤波器产品上，获得用户的广泛认可。

论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10478580

审核编辑：刘清