基于一種改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)的極窄帶SAW濾波器

趙雪梅，鄭澤漁，董加和，伍 平，陳彥光，陳正林，2(. 中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶400060;2. 模擬集成電路重點實驗室，重慶 400060)

0 引言

極窄帶濾波器在電臺中應(yīng)用較廣。在L波段，能夠滿足點頻或極窄帶信號濾波需求的濾波器種類極少。特別是在小于1‰相對帶寬級別，極窄帶聲表面波(SAW)濾波器具有較大優(yōu)勢。實現(xiàn)極窄帶SAW濾波器的結(jié)構(gòu)有橫向耦合諧振型(TCRF)結(jié)構(gòu)[1-2]、雙模聲表面波(DMS)結(jié)構(gòu)[3]及常規(guī)單/雙端口結(jié)構(gòu)[4]等。L波段濾波器設(shè)計主要采用TCRF結(jié)構(gòu)和DMS結(jié)構(gòu)。本文采用DMS結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)L波段極窄帶SAW濾波器的研制，與文獻(xiàn)[3]的報道相比有以下兩點不同：

1) 本文采用36°Y-90°X石英晶體材料及使用聲速為5 100 m/s的聲表面橫波(STW)模式降低工藝難度。

2) 本文采用改進(jìn)型的DMS結(jié)構(gòu)。

1 DMS結(jié)構(gòu)基本原理

最基本的DMS濾波器由端頭兩反射器及中間輸入、輸出兩個叉指換能器(IDT)組成，兩個IDT在柵狀反射器間串聯(lián)排列，如圖1所示。

圖1 兩IDT結(jié)構(gòu)的DMS濾波器示意圖

這種結(jié)構(gòu)的主要聲學(xué)諧振模式為零階和一階諧振模式，與對稱模式和反對稱模式產(chǎn)生的方式相似(見圖2)。通常高階諧振模式的諧振頻率比低階模式的諧振頻率低。這兩種模式的頻率差主要由IDT周期和指條數(shù)量多少及能量捕獲大小來決定。

2 改進(jìn)型的DMS結(jié)構(gòu)

雖然DMS結(jié)構(gòu)的主要工作模式為零階和一階諧振模式，但是其他高階模式仍會影響濾波器的阻帶抑制，同時對帶寬調(diào)整靈活性偏低。為了進(jìn)一步提升DMS型極窄帶SAW濾波器的電性能指標(biāo)，本文對DMS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，主要采取以下幾個措施：

1) 兩邊反射器改為分布式多反射器結(jié)構(gòu)。聲通道的左、右端反射器對阻帶抑制影響顯著。傳統(tǒng)設(shè)計采用的對稱反射器設(shè)計方案是導(dǎo)致阻帶抑制差的主要原因，如圖3(a)所示。傳統(tǒng)設(shè)計方案只有兩個可優(yōu)化變量，優(yōu)化效果明顯不好。為此，本文采用分布式多反射器加權(quán)方案,如圖3(b)所示，這種方案可將變量優(yōu)化成原來的幾倍，通過精細(xì)化的參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，能夠抑制阻帶雜波，從而提高阻帶抑制。圖3中,P1～P5為1～5反射器對應(yīng)的半周期，N1～N5為1～5反射器對應(yīng)的指條數(shù)。

圖3 對稱反射器及分布式多反射器方案示意圖

圖4 分布式多反射器與普通反射器仿真對比

圖4為分布式多反射器與普通反射器的仿真對比。由圖可知，與普通反射器仿真相比，分布式多反射器結(jié)構(gòu)對近端阻帶抑制的改進(jìn)較明顯。

2) 在輸入和輸出IDT之間增加反射器。通過在輸入和輸出IDT之間增加中間反射器可以實現(xiàn)對通帶帶寬的靈活設(shè)計。圖5為中間反射器對響應(yīng)影響仿真曲線。

圖5 中間反射器對響應(yīng)影響仿真曲線

3) 采用雙聲通道結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提升阻帶抑制。用戶一般要求阻帶抑制需大于40 dB，普通的單通道無法滿足，本文采用雙聲通道結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了阻帶抑制。最終的改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 雙通道改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)

通過仿真，阻帶抑制完全滿足大于40 dB的需求。圖7為改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)單雙通道仿真對比。

圖7 改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)單雙通道仿真對比

3 極窄帶SAW濾波器設(shè)計實現(xiàn)

本文采用雙通道改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款標(biāo)稱頻率為1 500 MHz的極窄帶SAW濾波器，該濾波器需要外匹配。該設(shè)計采用36°Y-90°X石英晶體材料，使用聲速為5 100 m/s的STW波模式來降低工藝難度。實測匹配后極窄帶SAW濾波器中心頻率為1 499.995 MHz，帶寬為878.75 kHz(1 dB相對帶寬為0.585 8‰)，插入損耗為5.8 dB，阻帶抑制達(dá)到45 dB。實測曲線如圖8所示。

圖8 雙通道改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)實測曲線

4 結(jié)束語

本文采用雙通帶改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)獲得極窄帶和高阻帶抑制的SAW濾波器。通過仿真分析，該新結(jié)構(gòu)指標(biāo)明顯提高。同時研制了一款1.5 GHz的相對帶寬約0.6‰及阻帶抑制約45 dB的極窄帶SAW濾波器，其仿真與實測的吻合性較好，驗證了該改進(jìn)型DMS結(jié)構(gòu)的有效性。相關(guān)設(shè)計可滿足類似極窄帶SAW濾波器的設(shè)計需求。