大家好，今天我們繼續(xù)學(xué)習(xí)《芯片濾波器設(shè)計(jì)》的相關(guān)知識(shí)——FBAR的理論與設(shè)計(jì)。 在之前的學(xué)習(xí)中，我們了解到FBAR的物理基礎(chǔ)來源于居里夫婦的發(fā)現(xiàn)，確切的說是居里夫人的老公和他的兄弟(鏈接)：皮埃爾·居里和雅克·居里。居里兄弟在1880年發(fā)現(xiàn)了神奇的壓電效應(yīng)：機(jī)械力和電之間相關(guān)轉(zhuǎn)換的一種物理現(xiàn)象。后來的科學(xué)家利用這種壓電效應(yīng)制作了聲波諧振器：表面聲波諧振器和體聲波諧振器。

那么我們今天重點(diǎn)學(xué)習(xí)的就是體聲波諧振器中的FBAR：薄膜體聲波諧振器，如下圖所示，壓電薄膜的上下面各有兩個(gè)金屬電極，完成電壓信號(hào)的傳輸，壓電薄膜的厚度和聲速?zèng)Q定了諧振器的諧振頻率f0。其工作過程：當(dāng)交流電壓施加到FBAR的上下電極上的時(shí)候，壓電薄膜由于逆壓電效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生形變;而壓電薄膜的形變又會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，會(huì)使壓電薄膜內(nèi)的電荷極性不再對(duì)稱，產(chǎn)生極化。當(dāng)輸入交流電壓信號(hào)的頻率等于壓電薄膜的機(jī)械變化頻率時(shí)，就會(huì)在電極表面形成機(jī)械波駐波，從而形成機(jī)械波諧振，也就是聲波諧振。

所以，正是利用了壓電薄膜的這個(gè)神奇的壓電效應(yīng)，F(xiàn)BAR完成了電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。諧振頻率可以有下面公式?jīng)Q定：

f0就是FBAR的諧振頻率，v是指壓電材料內(nèi)的體聲波聲速，L是指壓電薄膜和兩個(gè)電極共同決定的等效體聲波厚度。 類似于微波諧振器，F(xiàn)BAR的阻抗特性和相位特性如下圖所示，從阻抗特性曲線可以看出，F(xiàn)BAR具有兩個(gè)諧振頻率，較低的頻率為串聯(lián)諧振頻率 fs，該諧振點(diǎn)聲學(xué)阻抗最低，信號(hào)能夠完全通過;較高的頻率為并聯(lián)諧振頻率 fp，該諧振點(diǎn)聲學(xué)阻抗最高，信號(hào)則不能通過。觀察其相位特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)諧振頻率之間相位為+90°，呈現(xiàn)感性;而兩個(gè)諧振頻率之外相位為-90°，呈現(xiàn)容性。也就是說，對(duì)于工作在非諧振頻率的FBAR來說，相當(dāng)于平板電容器特性。

根據(jù)FBAR的阻抗特性分布，將多個(gè)FBAR的并聯(lián)諧振頻率和串聯(lián)諧振頻率按照一定規(guī)律級(jí)聯(lián)，就可以獲得性能優(yōu)良的帶通濾波器。 我們今天的學(xué)習(xí)主要基于電子科技大學(xué) 曾卓恒 的這篇畢業(yè)論文《FBAR 濾波器的設(shè)計(jì)與綜合研究 》，希望在這篇文章的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們對(duì)FBAR諧振器和濾波器設(shè)計(jì)有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，結(jié)合常規(guī)微波濾波器的設(shè)計(jì)方法，逐步去掌握這種芯片濾波器的設(shè)計(jì)方法。

審核編輯：湯梓紅