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無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)對射頻前端設備提出了更高數據傳輸速率和更大帶寬等需求，除了繼續開(kāi)發(fā)日益擁擠的Sub-6GHz頻譜，基于異質(zhì)集成襯底探索面向6 GHz及以上更高頻段的高性能聲表面波濾波器也是重要的解決方案之一。近日，上海微系統與信息技術(shù)研究所歐欣研究員帶領(lǐng)異質(zhì)集成XOI課題組，基于自主研制的高性能LiTaO₃/SiC異質(zhì)集成襯底，研制出工作頻率跨越4-10 GHz的高頻、低損耗和無(wú)雜散模式的聲表面波諧振器和濾波器，初步探索并實(shí)現了X波段的SAW濾波器。相關(guān)研究工作以“High-Performance Surface Acoustic Wave Filters for X-Band Applications”為題發(fā)表于國際微波與射頻領(lǐng)域權威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。論文共同第一作者為上海微系統所的博士研究生張麗萍和張師斌研究員，論文通訊作者為上海微系統所張師斌研究員和歐欣研究員。

壓電聲學(xué)濾波器技術(shù)主要分為兩大類(lèi)，體聲波(BAW)濾波器和聲表面波(SAW)濾波器，二者在商用射頻前端領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而，它們的工作頻率均被限制在6 GHz以下：BAW器件工作頻率的提升依賴(lài)于A(yíng)lN或Sc-AlN壓電薄膜厚度的減薄，X頻段對應的壓電薄膜厚度在200 nm以下，這對薄膜質(zhì)量和厚度均勻性提出了非常嚴格的要求。此外，工作在不同頻段的多個(gè)濾波器需要不同厚度的AlN薄膜，單片集成多頻段BAW濾波器需要較為復雜的制造工藝和高昂的成本。SAW器件的工作頻率通常取決于叉指換能器(IDT)的線(xiàn)寬，具有靈活的頻率調節特性，但聲波模式聲速有限與光刻工藝極限的問(wèn)題阻礙了高頻SAW器件的發(fā)展，高聲速高性能異質(zhì)集成襯底的引入可以使SAW器件在相同的特征尺寸下激發(fā)更高聲速的聲學(xué)模式。目前已經(jīng)報道的中心頻率(f_c)高達5.1 GHz的SH-SAW濾波器和fc高達4.8-5.9 GHz的LL-SAW濾波器將SAW濾波器的應用擴展到了5G NR頻段^[1-3]。然而，迄今為止，工作頻率超過(guò)6 GHz的高性能SAW濾波器及對其溫度穩定性、頻率溫度系數(TCF)和功率耐久性方面的研究還鮮有報道。

在這項工作中，異質(zhì)集成XOI課題組基于高速、低損耗和高溫穩定性的LiTaO₃/SiC異質(zhì)集成襯底，設計并制備了具有良好溫度穩定性的超高頻(4-10 GHz)、低損耗和無(wú)雜散模式的SAW諧振器與濾波器，并對器件的TCF與峰值功率容量進(jìn)行了表征，實(shí)現了X波段SAW濾波器的初步探索。

首先，基于LiTaO₃/SiC異質(zhì)襯底設計并制備了一組高頻X-band SH-SAW諧振器，器件性能如圖1所示表征。X-band SH-SAW諧振器的工作頻率覆蓋8~10 GHz，機電耦合系數(k_t²)約為7.4 %~9.6 %，Q值為350~1270，在較寬的頻率范圍內無(wú)雜散響應，表現出較為優(yōu)越的綜合性能。

圖1 基于LiTaO₃/SiC的X-band SH-SAW諧振器的性能表征

(a) 導納曲線(xiàn)；(b) Bode-Q曲線(xiàn)

在上述高性能諧振器的基礎上，進(jìn)一步設計并制備了由16個(gè)單頻SH-SAW梯型濾波器組成的濾波器陣列，其工作頻率覆蓋4-10 GHz，最小插入損耗(IL_min)低至0.78-1.92 dB， 3-dB帶寬為203-424 MHz，帶外抑制(OoB Rejection)超過(guò)27 dB。此濾波器陣列的優(yōu)良性能展示出LiTaO₃/SiC異質(zhì)襯底的高頻高性能優(yōu)勢，有望基于此襯底實(shí)現高頻SAW濾波器的工程化制備。

圖2 基于LiTaO₃/SiC的X-band與C-band SH-SAW濾波器的S₂₁測試結果

(a) F1~F4：f_c為8~10 GHz；(b) F5~F8：f_c為6~8 GHz；(c) F9~F16：f_c為4~6 GHz

為了表征所設計器件的溫度穩定性，在298~358 K溫度范圍內測量了3個(gè)濾波器F1，F3和F5的帶內頻率響應。圖3詳細展示了濾波器F1的變溫響應，濾波器F1的8-dB帶寬左邊沿(TCF_L)與右邊沿(TCF_R)分別為+18.0和-22.6 ppm/K，約為L(cháng)iTaO₃單晶的一半左右，表現出SiC支撐襯底對SAW器件的頻率溫度性能的有效補償，因此，基于LiTaO₃/SiC異質(zhì)襯底的SAW諧振器與濾波器具有較為出色的溫度穩定性。

圖3 濾波器F1在不同溫度下(298~358 K)的(a) S₂₁測試結果, (b) 8-dB帶寬左邊沿頻率隨溫度的變化和(c) 8-dB帶寬右邊沿頻率隨溫度的變化

本工作首次對X-band SAW濾波器的峰值功率處理能力進(jìn)行了表征，圖4結果顯示峰值功率容量為21.5 dBm，與工作在較低頻率上的濾波器性能相比，基于LiTaO₃/SiC異質(zhì)襯底的高性能X-band濾波器的功率處理能力已經(jīng)超出了預期。未來(lái)將繼續優(yōu)化設計以進(jìn)一步提升功率容量。

圖4 X-band SH-SAW濾波器在不同輸入功率下的S₂₁測試結果

本工作基于LiTaO₃/SiC異質(zhì)集成襯底設計了工作頻率在X-band和C-band的SAW諧振器與濾波器，這些聲表面波器件具備高頻、低損耗、無(wú)雜散模式、高溫度穩定性與大功率容量等特性，出色的綜合器件性能表明LiTaO₃/SiC異質(zhì)集成襯底和X-band和C-band的SAW濾波器有望成為未來(lái)通信系統的關(guān)鍵構件。后續本團隊將進(jìn)一步提升材料、器件的性能，推動(dòng)LiTaO₃/SiC異質(zhì)襯底在未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信平臺中的應用！

[1] L. Zhang et al., “Spurious-free and low-loss surface acoustic wave filter beyond 5 GHz,” in Proc. IEEE Int. Ultrason. Symp. (IUS), Sep. 2023, pp. 1–4.

[2] R. Su et al., “5.9 GHz longitudinal leaky SAW filter with FBW of 9.2% and IL of 1.8 dB using LN/Quartz structure,” IEEE Microw. Wireless Technol. Lett., vol. 33, no. 10, pp. 1434–1437, Oct. 2023.

[3] P. Zheng et al., “Near 5-GHz longitudinal leaky surface acoustic wave devices on LiNbO₃/SiC substrates,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 72, no. 3, pp. 1480–1488, Mar. 2024.