混合結(jié)構(gòu)聲表面波濾波器的設(shè)計(jì)

陳曉陽(yáng),王永安,葉 志,高黃杰,曹 玉

(1.北京無線電測(cè)量研究所,北京100854;2.北京航天微電科技有限公司,北京 100854)

0 引言

近年來,隨著通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)的不斷發(fā)展,頻譜資源日益緊張。為了避免各種電子設(shè)備間的干擾,對(duì)濾波器的矩形系數(shù)提出了更高要求。聲表面波(SAW)濾波器以其損耗小、矩形系數(shù)高、一致性好等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于各種軍民電子系統(tǒng)中。相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的聲表面波濾波器,縱向耦合諧振濾波器(LCRF)具有體積小、帶寬設(shè)計(jì)靈活、群時(shí)延小及群時(shí)延波動(dòng)小等特點(diǎn),是設(shè)計(jì)低損耗聲表面波濾波器的常用結(jié)構(gòu)。

縱向耦合聲表面波濾波器因不同激發(fā)模式的強(qiáng)度不同,在濾波器的高端過渡帶上容易引起寄生諧振峰,進(jìn)而影響矩形系數(shù)。聲表面波單端對(duì)諧振器在反諧振頻率上有較深的陷波深度。將縱向耦合結(jié)構(gòu)與諧振器相結(jié)合[1],設(shè)計(jì)混合結(jié)構(gòu)的聲表面波濾波器,使諧振器的反諧振點(diǎn)位于縱向耦合結(jié)構(gòu)的高端過渡帶上,可以提高高端過渡帶頻率的抑制度,改善濾波器的矩形系數(shù)。

1 混合結(jié)構(gòu)的SAW濾波器

混合結(jié)構(gòu)的SAW濾波器主要以縱向耦合結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),結(jié)合單個(gè)諧振器或多個(gè)諧振器構(gòu)成。圖1為其中一種典型結(jié)構(gòu)。

圖1 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)的SAW濾波器

圖1中的縱向耦合+單個(gè)諧振器的混合結(jié)構(gòu)常用于36°Y-XLiTaO3/42°Y-XLiTaO3等壓電材料中,而41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等壓電材料在漏波模式下,傳播損耗隨頻率變化較快,高端過渡帶寄生諧振峰的寬度和激發(fā)強(qiáng)度較大,級(jí)聯(lián)單個(gè)諧振器不僅難以改善較大頻率范圍內(nèi)的阻抗特性,且難以大幅度優(yōu)化濾波器的矩形系數(shù)。在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等壓電材料上,縱向耦合結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)單個(gè)諧振器可以減小通帶波動(dòng),改善器件的通帶特性。為了優(yōu)化濾波器的矩形系數(shù),在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等壓電材料的縱向耦合結(jié)構(gòu)中可以級(jí)聯(lián)多個(gè)諧振器的阻抗元結(jié)構(gòu)[2],設(shè)計(jì)阻抗元結(jié)構(gòu)的低、高端陷波點(diǎn)分別位于縱向耦合結(jié)構(gòu)的低端和高端過渡帶上。阻抗元結(jié)構(gòu)有較深的陷波深度,且在阻帶頻率較大范圍內(nèi)有較好的抑制度,能有效提高縱向耦合結(jié)構(gòu)過渡帶頻率和阻帶頻率的抑制,改善濾波器的矩形系數(shù)。圖2為單級(jí)縱向耦合+阻抗元的典型結(jié)構(gòu)。

圖2 單級(jí)縱向耦合+阻抗元結(jié)構(gòu)的SAW濾波器

圖2中,LCRF是單級(jí)縱向耦合結(jié)構(gòu),ZS1和ZS2是兩個(gè)串聯(lián)諧振器,ZP是一個(gè)并聯(lián)諧振器。阻抗元結(jié)構(gòu)主要作用是對(duì)縱向耦合結(jié)構(gòu)的過渡帶和阻帶進(jìn)行抑制,其陷波點(diǎn)通常位于縱向耦合結(jié)構(gòu)過渡帶的諧振峰上。圖3是兩種結(jié)構(gòu)的幅頻特性仿真曲線對(duì)比。

圖3 縱向耦合和阻抗元的仿真曲線對(duì)比

2 器件設(shè)計(jì)

2.1 器件仿真

混合結(jié)構(gòu)濾波器的仿真通常采用COM模型,計(jì)算周期結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納,提取COM參數(shù)[3-5]。根據(jù)COM模型可以得到關(guān)于單級(jí)縱向耦合結(jié)構(gòu)和各諧振器的Y參數(shù)矩陣:

(1)

根據(jù)Y參數(shù)矩陣可計(jì)算出相應(yīng)的ABCD參數(shù)矩陣:

(2)

采用縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SAW濾波器,通過輸入、輸出端口互換,由第一級(jí)縱向耦合結(jié)構(gòu)的Y參數(shù)Ya,得到第二級(jí)縱向耦合結(jié)構(gòu)的Y參數(shù)Yc,Y參數(shù)矩陣存在如下關(guān)系:

(3)

根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),按順序級(jí)聯(lián)各ABCD參數(shù)矩陣,得到整個(gè)濾波器的ABCD參數(shù)[6],轉(zhuǎn)化成S參數(shù),完成整個(gè)濾波器的性能仿真。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

采用非線性算法進(jìn)行濾波器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[7],設(shè)置濾波器結(jié)構(gòu)中各換能器和反射器的指根數(shù)、周期長(zhǎng)度、孔徑作為優(yōu)化變量。為了減少變量個(gè)數(shù),縱向耦合結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱設(shè)計(jì)?；旌辖Y(jié)構(gòu)中,濾波器性能不是縱向耦合結(jié)構(gòu)和諧振器性能的簡(jiǎn)單疊加,優(yōu)化時(shí)應(yīng)將縱向耦合結(jié)構(gòu)和諧振器作為一個(gè)整體,它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)作為自變量的同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

設(shè)置優(yōu)化變量的上限、下限、初始值和目標(biāo)函數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)中對(duì)損耗、帶寬、帶外抑制等指標(biāo)賦予不同的權(quán)重,進(jìn)行濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,同時(shí)輸出每次優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)圖1的縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu),按照濾波器帶寬的要求,采用機(jī)電耦合系數(shù)相對(duì)較大的36°Y-XLiTaO3,經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化,確定了濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化后的縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,其中電極金屬厚度為0.699 μm。

表1 縱向耦合+諧振器濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用Al電極,結(jié)合實(shí)際工藝情況,提取36°Y-XLiTaO3的COM參數(shù)。以級(jí)聯(lián)的諧振器為例,相對(duì)膜厚(h/l,其中h為金屬膜厚度,l為聲波波長(zhǎng))為9.3%,金屬化比0.5,5個(gè)COM參數(shù):波速v、耦合系數(shù)κ、換能系數(shù)α、衰減系數(shù)γ、靜態(tài)電容C數(shù)值如表2所示。計(jì)算時(shí),一般用歸一化參數(shù)αn來表示α,有

(4)

用Cn表示C,有

Cn=pC/ε0

(5)

式中:ω為角頻率;p為電周期長(zhǎng)度;ε0為真空中的介電常數(shù)。

表2 諧振器結(jié)構(gòu)下36°Y-X LiTaO3的COM參數(shù)

根據(jù)COM模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)得到濾波器的仿真曲線如圖4所示。

圖4 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)濾波器的仿真曲線

根據(jù)圖2的單級(jí)縱向耦合+阻抗元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SAW濾波器,按照濾波器帶寬的要求,采用41°Y-XLiNbO3壓電材料,經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化,確定了濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化后的縱向耦合+阻抗元結(jié)構(gòu)濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示,其中電極金屬厚度為0.307 μm。

表3 縱向耦合+阻抗元濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用Al電極,結(jié)合實(shí)際工藝情況,提取41°Y-XLiNbO3的COM參數(shù)。以級(jí)聯(lián)的串聯(lián)諧振器為例,相對(duì)膜厚為5.4%,金屬化比0.5,COM參數(shù)數(shù)值如表4所示。

表4 諧振器結(jié)構(gòu)下41°Y-X LiNbO3的COM參數(shù)

根據(jù)COM模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)得到濾波器的仿真曲線如圖5所示。

圖5 單級(jí)縱向耦合+阻抗元結(jié)構(gòu)濾波器的仿真曲線

3 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)優(yōu)化后得到的結(jié)構(gòu)參數(shù),在36°Y-XLiTaO3基片上,采用縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)制作了濾波器。電極材料為Al,為了增加Al和基底之間的附著力[8-9],在基片上制作了一層150A的Ti作為緩沖層。圖6為濾波器的實(shí)測(cè)曲線。由圖可見,器件標(biāo)稱頻率512.6 MHz,插入損耗為2.35 dB,-1 dB帶寬為20.51 MHz,矩形系數(shù)(B-40/B-3)為1.74。對(duì)比濾波器的仿真參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù),兩者基本吻合。

圖6 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結(jié)構(gòu)濾波器的實(shí)測(cè)曲線

在41°Y-XLiNbO3基片上,采用縱向耦合+阻抗元結(jié)構(gòu)制作了濾波器。圖7為濾波器的實(shí)測(cè)曲線。由圖可見,器件標(biāo)稱頻率720 MHz,插入損耗為3.32 dB,-1 dB帶寬為44.48 MHz,矩形系數(shù)(B-40/B-3)為2。

對(duì)比濾波器的仿真與實(shí)測(cè)參數(shù),插入損耗、通帶帶寬等參數(shù)基本吻合,-40 dB帶寬的實(shí)測(cè)值較仿真值有一定的惡化。其原因可能是41°Y-XLiNbO3的導(dǎo)納曲線存在較多的寄生雜波,提取的COM參數(shù)不夠精確。

4 結(jié)束語

混合結(jié)構(gòu)聲表面波濾波器,利用諧振器在特定頻率上深的陷波深度,消除縱向耦合結(jié)構(gòu)過渡帶上的寄生諧振峰,有效改善濾波器的矩形系數(shù)。

本文對(duì)混合型聲表面波濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究,針對(duì)兩種常用的混合結(jié)構(gòu):縱向耦合+諧振器和縱向耦合+阻抗元進(jìn)行了分析,研制出兩款低損耗、高矩形系數(shù)的聲表面波濾波器,實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果接近,證明了設(shè)計(jì)方法有效。