19 GHz Single-Ended-to-Balanced Modified Ladder-Lattice Filters Realized Using Periodically Polarized AlScN BAW Resonators

本文介绍了两种 19 GHz 单端转平衡改进型梯形晶格滤波器，这些滤波器采用周期极化 AlScN BAW 谐振器实现，在消除对外部平衡器需求的同时，实现了低插入损耗、高带外抑制以及适用于无线通信应用的竞争性性能。

要点

想象一下，你正试图向一座繁忙的城市发送一条秘密信息。你只有一个麦克风（“单端”信号），需要将信息传达给站在街道两相对立面的两个人，他们需要完美地和谐听到这条信息，但其中一个人听到的声音与另一个人相比是颠倒的（即“平衡”或“差分”信号）。

通常情况下，为了实现这一目标，你需要一个笨重且昂贵的转换器（称为“巴伦”，balun）以及许多额外的线缆和组件来处理信号。这篇论文介绍了一种全新的、微小的设备，它无需任何这些额外部件即可独立完成所有工作。

以下是研究人员所构建的内容及其工作原理的详细拆解，我们使用了简单的类比：

1. 问题所在：“高频交通拥堵”

多年来，工程师们一直使用微小的声学滤波器（就像是清理无线电信号的“声音交警”）来优化手机中的无线电信号。这些滤波器在处理标准频率时表现出色。但随着我们向更快速、更新的技术（如先进雷达或人工智能驱动的通信）迈进，信号变得越来越快（大约达到 19 GHz，这已经极其迅速了）。

在这些超高速度下，旧的滤波器开始失效。它们会变得“堵塞”、损失过多的信号强度，或者让过多的“噪声”通过。这就像穿着沉重的靴子跑马拉松；旧材料根本跟不上这种速度。

2. 解决方案：由特殊石材构成的“智能桥梁”

团队使用一种名为铝镧氮化铝 (AlScN) 的特殊材料构建了一种新型滤波器。你可以将这种材料想象成一种超弹性、高科技的石头，它能非常高效地产生振动。

他们并没有随机堆叠这些“石头”。他们使用了一种被称为周期性极化 (P3F) 的巧妙技巧。想象一下一叠砖块，其中每隔一块砖就会被翻转过来。这种特定的排列方式使材料能够产生更强的振动，并能在不损坏的情况下处理更高频率。

3. 设计方案：“改进型梯形晶格”

研究人员为这种滤波器设计了一个特定的形状，称之为改进型梯形晶格 (mLL) 滤波器。

• “梯子”部分： 想象一个梯子，其横档是由声学滤波器组成的。这个部分有助于选择正确的频率（你想听到的“声音”）并阻挡其他频率。
• “晶格”部分： 这是神奇的成分。它就像一座智能桥梁，能瞬间将输入的单个信号拆分为两个互为完美相反的信号（一个正向，一个负向）。

重大优势： 在过去，为了实现这种“拆分”效果，你需要一个外部转换器（巴伦）和额外的组件。而这种新设计直接将“桥梁”功能内置到了滤波器本身之中。这就像盖房子时，前门和后门是同一面墙的一部分，而不是为了连接它们而专门建造一条走廊。这节省了空间并减少了信号损耗。

4. 工作原理：“交通灯”类比

该滤波器通过像复杂的交通灯系统一样处理声波来发挥作用：

• 在“通带”内（绿灯）： 当信号处于正确频率时，滤波器让其轻松通过。“桥梁”部分确保两个输出信号完美同步但方向相反，准备好被先进的天线使用。
• 在“通带”外（红灯）： 当不需要的噪声或其他频率试图进入时，滤波器会创造“死区”（称为传输零点）。这就像交通灯变红，物理性地阻挡车辆通过，从而确保只有纯净的信号能够通过。

5. 结果：微小、快速且强大

团队制造了两个版本的这种滤波器，并在 19 GHz 下进行了测试。以下是他们的发现：

• 极小的占地面积： 这些滤波器是微观级别的，可以安装在比米粒还小的芯片上（大约只有针尖大小）。
• 低损耗： 信号通过时的损耗非常小。这就像一条没有收费站或交通拥堵的高速公路；汽车（信号）到达时的速度几乎与出发时一样快。
• 高抑制能力： 它们在阻挡噪声方面表现卓越。如果你想象一个嘈ire的房间，这个滤波器就像一堵隔音墙，只允许特定的对话通过，同时屏蔽掉其他一切声音。
• 无需额外部件： 因为滤波器本身就承担了“拆分”的任务，所以你不需要再连接任何笨重的额外组件。

总结

简而言之，这篇论文展示了一种由特殊振动材料制成的微型“声音闸门”。它通过将两个任务（过滤噪声和拆分信号）合二为一，解决了一个高频无线通信中的重大问题。这使得构建更小、更快、更高效的无线系统成为可能，用于未来的技术，且无需堆积大量的额外零件。

技术摘要

技术摘要：基于周期极化 AlScN BAW 声波谐振器的 19 GHz 单端至平衡改进型梯形-晶格滤波器

问题陈述
虽然铝氮化物 (AlN) 体声波 (BAW) 谐振器在移动无线电双工器中取得了成功，但其约 7% 的机电耦合系数 ($k_t^2$) 对于新兴的宽带技术（如主动电子扫描阵列 (AESA) 天线和需要更大带宽的高速数据处理）而言仍显不足。尽管通过在 AlN 中掺杂镧 (Sc) 或使用铌酸锂等材料可以提高 $k_t^2$，但这些方法通常会以牺牲品质因数 ($Q$) 或 CMOS 兼容性为代价。此外，随着工作频率进入微波波段（例如 19 GHz），声学滤波器面临着由于品质因数 (FoM) 降低、锚点损耗 (anchor losses) 和 Akhiezer 阻尼导致的性能退化问题。此外，传统的梯形拓扑结构在高频下往往难以平衡插损与带外抑制，且标准滤波器设计通常需要外部平衡器 (baluns) 来实现单端组件（如功率放大器或低噪声放大器）与差分系统（如天线）之间的接口，从而增加了体积和复杂性。

方法论
作者提出了一种新型滤波器拓扑结构和制造工艺来应对这些挑战：

• 拓扑结构： 提出了一种单端至平衡的“改进型梯形-晶格” (mLL) 滤波器。与传统的平衡梯形-晶格滤波器不同，该设计利用了一个终端单端梯形段和一个执行单端至差分转换的改进型晶格段。这消除了对外部平衡器或无源组件的需求。
• 材料体系： 滤波器采用周期极化 (P3F) 铝镧氮化铝 (AlScN) 谐振器实现。P3F 结构由三层堆叠组成（两层多晶 Al$_{0.7}$Sc$_{0.3}$N 层和一层单晶 Al$_{0.8}$Sc$_{0.2}$N 层），具有交替的极性。这种结构增加了有效压电厚度，以稳定高频下的谐振器阻抗。
• 设计策略： 使用 AWR 设计环境及来自 Akoustis, Inc. 的工艺设计套件 (PDK) 对两种滤波器设计进行了优化。
  • 设计类型-1： 包含一个一点五阶梯形单元和一个四阶改进型晶格单元。
  • 设计类型-2： 特征是增加了一个梯形单元以增强带外抑制。
  • 该设计利用了 AlScN 高 $k_t^2$ (>8%) 的特性，并结合了梯形段（高选择性）和晶格段（高带外抑制）的互补滤波特性。改进型晶格段通过在通带内使输出端口产生 180° 相位差，同时在带外保持同相（导致抵消），从而起到平衡器 (balun) 的功能。

核心贡献

1. 首次展示 19 GHz 下的 mLL 滤波器： 本研究报告了首次使用三层 P3F AlScN 技术实现的、工作在 18.8 GHz 和 19 GHz 的改进型梯形-晶格滤波器。
2. 集成的单端至差分转换： 该拓扑结构能够固有地将单端输入转换为平衡输出，无需外部平衡器，从而实现单端放大器与差分天线或数据转换器之间的直接接口。
3. 性能优化： 作者通过减少滤波器级数和优化谐振器尺寸以最大化 $Q$ 因子，成功地最小化了插损，同时通过晶格结构保持了高带外抑制。

实验结果
使用四端口矢量网络分析仪 (VNA) 对两个制造的滤波器进行了表征：

• 滤波器类型-1 (19.03 GHz 中心频率)：
  • 最小插损 (IL)：1.29 dB。
  • 分数 3-dB 带宽 (FBW)：6.26% (1.91 GHz)。
  • 平均带外 (OoB) 抑制：~30 dB。
  • 封装尺寸：348 μm × 476 μm。
• 滤波器类型-2 (18.82 GHz 中心频率)：
  • 最小插损 (IL)：1.58 dB。
  • 分数 3-dB 带宽 (FBW)：5.11% (961 MHz)。
  • 平均带外 (OoB) 抑制：~33 dB。
  • 封装尺寸：392 μm × 476 μm。
• 线性度：
  • 类型-1 的输入三阶截点 (IIP3) 为 43.52 dBm，输出三阶截点 (OIP3) 为 41.62 dBm。
  • 类型-2 的 IIP3 为 43.06 dBm，OIP3 为 40.52 dBm。
  • 功率处理测量最高达到 +28.6 dBm 输入功率。
• 相位行为： 测量证实，输出端口在通带内呈 180° 反相，而在带外为同相（导致信号抵消），验证了单端至平衡转换机制。

意义与主张
论文声称这些滤波器在 19 GHz 工作环境下“对于无线通信滤波器具有高度竞争力”。通过将结果与 5 GHz 以上的最先进滤波器进行对比（如论文图 1 所示），作者证明了 mLL 拓扑结构成功缓解了高频声学滤波器中常见的插损与带外抑制之间的权衡。这项工作强调，P3F AlScN 工艺结合 mLL 拓扑结构，可以有效补偿与高频操作相关的阻抗挑战和品质因数 (FoM) 退化。作者将该技术定位为紧凑型射频收发路径解决方案，特别适用于单端放大器与差分天线或数据转换器之间的接口，从而消除了对笨重外部组件的需求。