基于IPD和BAW異構集成N77全頻段濾波器設計

高速通信需要超大的帶寬支持，例如Wi-Fi 6E/7全頻段為6.17 - 7.125 GHz，N77和N79的全頻段分別達到了900 MHz 和600 MHz。體聲波（BAW）濾波器具有較高的Q值，但其帶寬受限于壓電材料機電耦合系數，難以實現大的帶寬。無源電感和電容等器件搭建的濾波器，可以實現較大的帶寬，但其Q值較低，導致濾波器的邊帶特性較差。因此，如何實現濾波器的大帶寬及高陡降特性成為亟需突破的難題。

據麥姆斯咨詢報道，針對上述問題，來自杭州樹芯科技和浙江大學、杭州電子科技大學的研究人員提出了基于帶阻理論的全新網絡架構的IPD（Integrated Passive Device）與BAW器件異構集成的濾波器設計思路，設計并制備出了N77全波段緊湊型寬帶BAW濾波器，相關研究成果近期以“Compact and High Steep Skirts Hybrid Heterogeneous Integrated N77 Full band BAW Filter Based on Band-stop Theory”為題發表在IEEE Electron Device Letters期刊上。新的設計思路克服了諧振器kt2對濾波器帶寬帶來的限制，為設計更高頻帶的寬帶濾波器開辟了道路。

如圖1所示，交換原梯形濾波器的串聯諧振器和并聯諧振器的頻率，原來的通帶變成了阻帶，原來的阻帶變成了通帶。因此，通帶的帶寬不再受諧振器kt2的限制，可以擴展到阻帶的兩側。研究者利用阻帶左側的通帶構建了異構集成BAW濾波器。研究者分別制造了Al0.8Sc0.2N作為壓電層的BAW和基于SiN的IPD器件，隨后使用倒裝鍵合將它們連接起來。這種三維堆疊結構形成了一個高度緊湊的芯片，所制造的異構集成濾波器具有900 MHz的帶寬，通帶覆蓋3.3 GHz到4.2 GHz。該濾波器的平均插入損耗為-2 dB，帶外抑制為-28 dB，平均滾降為250 MHz，有效面積僅為1 mm × 0.85 mm，如圖1所示。

圖1 異構集成濾波器：（a）異構集成濾波器結構示意圖；（b）異構集成濾波器BAW與IPD顯微圖；（c）濾波器傳輸特性曲線

此外，通過操作串聯電感器和調整相應并聯諧振器的面積，還可以調整濾波器左頻帶的零極點。因此，可以基于固定頻率的諧振器，只調節電感值，即可調整BAW濾波器的帶寬。這種靈活性使得在同一晶圓上制造具有多種帶寬的濾波器成為可能。圖2展示了濾波器從400 MHz到2 GHz的帶寬變化能力，這是傳統梯形或格狀濾波器無法實現的。

圖2 濾波器可實現從400 MHz - 2 GHz的帶寬變化

這種異構集成濾波器克服了諧振器kt2帶來的限制，為設計更高頻帶的寬帶濾波器的設計提供了新的思路。面向未來無線通信帶寬的增加，通帶右側的抑制逐漸減弱，實現具有靈活多變的帶寬切換調節的異構集成濾波器，在諸多應用場景有重要的應用潛力。有關濾波器技術已經用在樹芯公司的寬帶濾波器產品上，獲得用戶的廣泛認可。

論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10478580

審核編輯：劉清