无线通信技术的不断演进对射频前端设备提出了更高数据传输速率和更大带宽等需求，除了继续开发日益拥挤的Sub-6GHz频谱，基于异质集成衬底探索面向6 GHz及以上更高频段的高性能声表面波滤波器也是重要的解决方案之一。近日，上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员带领异质集成XOI课题组，基于自主研制的高性能LiTaO₃/SiC异质集成衬底，研制出工作频率跨越4-10 GHz的高频、低损耗和无杂散模式的声表面波谐振器和滤波器，初步探索并实现了X波段的SAW滤波器。相关研究工作以“High-Performance Surface Acoustic Wave Filters for X-Band Applications”为题发表于国际微波与射频领域权威期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques (IEEE TMTT)。论文共同第一作者为上海微系统所的博士研究生张丽萍和张师斌研究员，论文通讯作者为上海微系统所张师斌研究员和欧欣研究员。

压电声学滤波器技术主要分为两大类，体声波(BAW)滤波器和声表面波(SAW)滤波器，二者在商用射频前端领域得到了广泛应用。然而，它们的工作频率均被限制在6 GHz以下：BAW器件工作频率的提升依赖于AlN或Sc-AlN压电薄膜厚度的减薄，X频段对应的压电薄膜厚度在200 nm以下，这对薄膜质量和厚度均匀性提出了非常严格的要求。此外，工作在不同频段的多个滤波器需要不同厚度的AlN薄膜，单片集成多频段BAW滤波器需要较为复杂的制造工艺和高昂的成本。SAW器件的工作频率通常取决于叉指换能器(IDT)的线宽，具有灵活的频率调节特性，但声波模式声速有限与光刻工艺极限的问题阻碍了高频SAW器件的发展，高声速高性能异质集成衬底的引入可以使SAW器件在相同的特征尺寸下激发更高声速的声学模式。目前已经报道的中心频率(f_c)高达5.1 GHz的SH-SAW滤波器和fc高达4.8-5.9 GHz的LL-SAW滤波器将SAW滤波器的应用扩展到了5G NR频段^[1-3]。然而，迄今为止，工作频率超过6 GHz的高性能SAW滤波器及对其温度稳定性、频率温度系数(TCF)和功率耐久性方面的研究还鲜有报道。

在这项工作中，异质集成XOI课题组基于高速、低损耗和高温稳定性的LiTaO₃/SiC异质集成衬底，设计并制备了具有良好温度稳定性的超高频(4-10 GHz)、低损耗和无杂散模式的SAW谐振器与滤波器，并对器件的TCF与峰值功率容量进行了表征，实现了X波段SAW滤波器的初步探索。

首先，基于LiTaO₃/SiC异质衬底设计并制备了一组高频X-band SH-SAW谐振器，器件性能如图1所示表征。X-band SH-SAW谐振器的工作频率覆盖8~10 GHz，机电耦合系数(k_t²)约为7.4 %~9.6 %，Q值为350~1270，在较宽的频率范围内无杂散响应，表现出较为优越的综合性能。

图1 基于LiTaO₃/SiC的X-band SH-SAW谐振器的性能表征

(a) 导纳曲线；(b) Bode-Q曲线

在上述高性能谐振器的基础上，进一步设计并制备了由16个单频SH-SAW梯型滤波器组成的滤波器阵列，其工作频率覆盖4-10 GHz，最小插入损耗(IL_min)低至0.78-1.92 dB， 3-dB带宽为203-424 MHz，带外抑制(OoB Rejection)超过27 dB。此滤波器阵列的优良性能展示出LiTaO₃/SiC异质衬底的高频高性能优势，有望基于此衬底实现高频SAW滤波器的工程化制备。

图2 基于LiTaO₃/SiC的X-band与C-band SH-SAW滤波器的S₂₁测试结果

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

为了表征所设计器件的温度稳定性，在298~358 K温度范围内测量了3个滤波器F1，F3和F5的带内频率响应。图3详细展示了滤波器F1的变温响应，滤波器F1的8-dB带宽左边沿(TCF_L)与右边沿(TCF_R)分别为+18.0和-22.6 ppm/K，约为LiTaO₃单晶的一半左右，表现出SiC支撑衬底对SAW器件的频率温度性能的有效补偿，因此，基于LiTaO₃/SiC异质衬底的SAW谐振器与滤波器具有较为出色的温度稳定性。

图3 滤波器F1在不同温度下(298~358 K)的(a) S₂₁测试结果, (b) 8-dB带宽左边沿频率随温度的变化和(c) 8-dB带宽右边沿频率随温度的变化

本工作首次对X-band SAW滤波器的峰值功率处理能力进行了表征，图4结果显示峰值功率容量为21.5 dBm，与工作在较低频率上的滤波器性能相比，基于LiTaO₃/SiC异质衬底的高性能X-band滤波器的功率处理能力已经超出了预期。未来将继续优化设计以进一步提升功率容量。

图4 X-band SH-SAW滤波器在不同输入功率下的S₂₁测试结果

本工作基于LiTaO₃/SiC异质集成衬底设计了工作频率在X-band和C-band的SAW谐振器与滤波器，这些声表面波器件具备高频、低损耗、无杂散模式、高温度稳定性与大功率容量等特性，出色的综合器件性能表明LiTaO₃/SiC异质集成衬底和X-band和C-band的SAW滤波器有望成为未来通信系统的关键构件。后续本团队将进一步提升材料、器件的性能，推动LiTaO₃/SiC异质衬底在未来无线通信平台中的应用！

[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.