一種新型聲表面波振蕩器系統的設計研究*

文常保，方吉善，巨永鋒

(長安大學電子與控制工程學院/微納電子研究所，西安710064)

一種新型聲表面波振蕩器系統的設計研究*

文常保*，方吉善，巨永鋒

(長安大學電子與控制工程學院/微納電子研究所，西安710064)

針對振蕩器中聲表面波器件存在的體聲波干擾、電極反射及旁瓣過大問題，提出了一種新型聲表面波振蕩器系統的設計方案。該方案將多條耦合器用于分離體聲波，分裂電極用于減弱電極反射問題，并采用了輸入、輸出換能器雙加權的措施來降低旁瓣信號。通過對一個中心頻率為50.8MHz聲表面波振蕩器的實現和測試，得到該新型聲表面波振蕩器系統的振蕩頻率為50.613 MHz，與系統的設計值誤差僅為3.6‰，并且具有良好的周期性和穩定性。

聲表面波器件;聲表面波振蕩器;體聲波;電極反射;旁瓣

振蕩器是一種無需外部激勵信號，就能將直流電源供給的功率轉換為具有一定頻率和振幅信號輸出的電子系統［1-2］。聲表面波振蕩器系統由于具有高的頻率穩定度和小的接入系數，因此在正弦波、方波等各種信號源，以及載波電路、傳感器等高頻及甚高頻領域得到了廣泛應用［3-5］。

聲表面波器件作為聲表面波振蕩器系統的核心元件，器件的設計參數不僅決定了振蕩信號的頻率，而且器件性能的優良將直接影響到整個系統的性能指標和穩定性。然而，傳統上使用的等叉指、雙換能器型聲表面波器件，由于器件結構上的不足，使器件在性能上存在體聲波干擾［6］、電極反射［7］及旁瓣信號干擾［8］等問題，因此，為了得到一個周期性好、性能穩定的聲表面波振蕩器系統就必須對其中的核心器件——聲表面波器件的性能進行優化設計。

本文針對這些問題，提出了一種可以分離體聲波、抑制電極反射和旁瓣的聲表面波器件結構，并將其用于振蕩器的設計，提出了一種新型聲表面波振蕩器系統。

1 聲表面波器件的性能優化方案

1.1 分離體聲波干擾

聲表面波器件的體聲波干擾問題，主要是由于器件中的叉指換能器在激發聲表面波信號的同時，還會激發出一種頻率遠大于聲表面波信號的體聲波信號［6，9］，這種聲波信號不僅會對接收換能器中所接收的聲表面波信號產生干擾，而且會使器件的頻譜特性曲線出現帶內波紋過大及右邊帶出現高于聲表面波同步頻率的假響應現象。

對于體聲波的抑制，盡管可以采用與體聲波耦合弱的壓電材料作為基片材料，但由于晶體材料的各向異向性，以及晶體對體聲波的抑制有晶向選擇性取向等問題，使其使用具有一定的不便性。另一種就是在聲表面波器件設計中通過器件結構設計的方法，來控制體聲波的傳播路徑，進而達到分離體聲波的目的，其中增加多條耦合器就是一個很好的解決方案。

多條耦合器理論是由英國學者 Marshall和Paige提出的［10］。多條耦合器一個最重要的特性，就是對體聲波的分離作用，這主要因為多條耦合器在對輸入換能器激發的混合聲波信號HAW中的聲表面波信號SAW進行轉移的過程中，并不改變聲波信號中體聲波信號BAW的傳播方向，所以可以對其中的體聲波信號進行分離，基本原理如圖1所示。另外，如果再在器件的兩端涂覆上吸聲材料，就可以吸收分離出來的體聲波信號，進而達到消除體聲波對器件性能影響的目的。

圖1 多條耦合器分離體聲波的示意圖

在文獻［10］中，Marshall等人通過大量的實驗證明:這種結構中的多條耦合器可以將BAW幾乎完全分離出來，并且在全耦合設計情況下，聲表面波的轉移率可以達到100%。由于該方法不改變聲表面波信號本身特性，且多條耦合器本身對聲波信號的衍射具有一定抑制作用，另外，它的實現方法與換能器制作工藝相同，因此，在振蕩器系統的聲表面波器件設計中采用多條耦合器來分離體聲波信號。

1.2 減弱電極反射

聲表面波振蕩器中聲表面波器件遇到的電極反射問題，主要是同一換能器內部電極之間的反射情況。這種反射信號不僅增大了聲表面波器件的插入損耗，而且使帶內波紋增加，惡化了器件的性能特性。

換能器內部電極之間的反射，主要是因為換能器所激發的聲表面波信號主要是依靠電極邊緣來實現的，所以是一種典型的邊緣場激發現象［7，11］。如果采用傳統單電極周期為λ0的叉指換能器，它的金屬叉指寬度與叉指間隙寬度相同，都等于λ0/4，所以換能器的叉指周期為λ0/2，此時，電極之間的反射問題可以用圖2表示。

圖2 單指叉指換能器指條邊緣反射示意圖

從圖2中可以看到，電極邊緣1處激發的聲波A在電極2處被反射回來，反射波A'所經過的路程為λ0;而聲波B在電極3處被反射回來，反射波B'所經過的路程為2λ0，這樣聲波B的反射波B'與聲波A的反射波A'之間的相位差為2π，同相位，所以聲波B的反射波B'一定程度上增強了聲波A的反射波A'。同理，電極邊緣4處的反射波C'盡管隨著距離的加大有所減弱，但是反射波的相位相同，所以仍在一定程度上加強了電極邊緣1處的反射問題。

為了消除單指叉指換能器存在的指條邊緣反射問題，在振蕩器系統聲表面波器件的設計中采用了圖3所示的分裂電極方案。這種換能器是在設計時將普通叉指換能器的每一根指條一分為二就可以構成分裂叉指換能器，即原來寬度為λ0/4的叉指電極，現在為λ0/8，減少為原來的一半。

在圖3中電極邊緣1處激發的聲波A在電極2處被反射回來，反射波A'所經過的路程為λ0/2，而聲波B在電極3處被反射回來，反射波B'所經過的路程為λ0，這樣聲波B的反射波B'與聲波A的反射波A'之間的相位差為π，相位相反，所以聲波B的反射波B'一定程度上減弱了聲波A的反射波A'。同理，聲波C的反射波C'與聲波B的反射波B'之間的相位差也為π，相位相反，也在一定程度上減弱了聲波B的反射波B'。依此類推，在這種結構中相鄰兩個電極的反射波之間是相互削弱的。

圖3 分裂指叉指換能器的電極反射示意圖

1.3 抑制旁瓣干擾

對于傳統等叉指結構的換能器，理論上在器件的頻率響應曲線中，第1旁瓣僅僅比主瓣的峰值低13.26 dB［9，12］，但如果考慮信號反射、體聲波干擾、假響應等問題，旁瓣與主瓣峰值的差值將遠小于這個值，因此，在測量中旁瓣信號很難與主瓣信號分離出來，將產生很大干擾。

在抑制旁瓣的設計中，可采用對輸入換能器進行加權的方法來實現［13］。同時，考慮到器件在分離體聲波信號設計中采用了多條耦合器，因此，可對輸入、輸出換能器同時進行加權，進一步達到減小旁瓣的目的。這是因為:多條耦合器在可以進行體聲波分離的同時，還有一個重要的特性——避免了傳統雙換能器結構中輸入和輸出不能同時加權的問題，因為傳統結構中輸入加權換能器激勵的聲表面波振幅在波陣面上不相等，如果對輸出換能器再加權，則會出現輸入與輸出傳遞函數之積不成立的情況［7-8］。而采用多條耦合器后的聲表面波器件則允許輸入、輸出換能器同時加權。因此，在振蕩器系統的聲表面波器件設計中將輸入、輸出都采用同樣加權設計，來提高器件的旁瓣信號抑制能力。

綜合上述聲表面波器件性能優化設計方案，在聲表面波振蕩器系統所用聲表面波器件的設計中采用了多條耦合器進行體聲波信號的分離，采用分裂電極設計來減弱換能器中電極反射問題，并采用對輸入、輸出換能器同時加權設計的方案來抑制旁瓣過大問題。

這3種技術措施中，多條耦合器用于分離體聲波信號，可以有效避免使器件的頻譜特性曲線出現帶內波紋過大及右邊帶出現高于聲表面波同步頻率的假響應現象;分裂電極設計技術可以減弱電極反射現象，減少帶內波紋，增加器件特性曲線的平滑性;輸入、輸出換能器雙加權的設計措施，則可以有效降低響應曲線的旁瓣響應，提高器件的旁瓣抑制能力。另外，這3種措施，在降低器件損耗方面都有積極的作用。

2 實驗

2.1 聲表面波器件的設計與測試

根據聲表面波振蕩器系統振蕩信號頻率的需要，聲表面波器件的中心頻率設計為50.8 MHz。同時，考慮到器件的損耗和體積問題，這里采用具有高機電耦合系數的128°YX-LiNbO3晶體作為器件的制作襯底材料，聲表面波的傳播波速為3 886 m/s。圖4是進行封裝綁定后的實際器件圖片。其中，T是聲表面波輸入換能器，M是多條耦合器，R是聲表面波輸出換能器。

圖5是使用LW-300MT芯片測試系統，其中T是采用分裂電極和加權設計方案的輸入換能器，M是用于分離體聲波的多條耦合器。

圖6是使用Agilent E5062A射頻網絡分析儀對所制作聲表面波器件進行測量得到實際頻率響應特性圖。可以測得器件中心頻率處的插入損耗為-8. 43 dB，體聲波及電極反射問題得到了很好的處理。另外，從圖6可以觀察到器件頻率響應特性曲線右側的旁瓣抑制大于50 dB，比傳統等叉指、雙換能器結構［9，12］高近40 dB。

圖4 封裝綁定后的聲表面波器件

圖5 聲表面波器件的內部結構

圖6 器件的頻率響應特性

2.2 聲表面波振蕩器系統的設計與測試

該聲表面波振蕩器主要由聲表面波器件SAW、晶體管放大器Q1、以及與聲表面波器件組成電容反饋式電路的電容C3、C4、和電感L2組成，系統電路原理如圖7所示。Vi為輸入電壓，Vo為輸出電壓。電容C1、C2、及電感L1組成直流干擾濾除電路，R1、R2為晶體管放大器Q1的偏置電阻，并且與晶體管放大器Q1及反饋電阻R3共同組成共集電極放大電路。

圖7 系統的電路原理圖

圖8為該聲表面波振蕩器的實際系統圖片，其中，晶體管放大器Q1選用具有高增益、低噪聲的硅NPN C3355型高頻三極管;電容C1=10 μF，C2=0.1 μF，C3=C4=27 pF;電感L1=800 mH，L2=760 nH;電阻R1=R2=75 kΩ，R3=100 Ω;輸入電壓Vi=12 V。

圖8 聲表面波振蕩器系統圖片

對振蕩器輸出信號使用Agilent 7032A示波器進行測量，測得系統的振蕩頻率為50.613 MHz，系統的振蕩波形如圖9所示。

從圖9可以看出，該聲表面波振蕩器系統，不僅成功輸出了振蕩信號，而且由于核心器件聲表面波器件性能的改進，使系統振蕩信號具有了更好的周期性和穩定性。

圖9 聲表面波振蕩器輸出波形

另外，實際聲表面波振蕩器系統的振蕩頻率50.613 MHz與聲表面波器件的中心頻率50.8 MHz之間存在0.187 MHz的頻率差。根據分析，造成這一誤差的原因主要來自于系統中電感元件L2，由于市場上沒有這一精確值的集成電感，制作中采用了手工繞制的電感，因而造成了振蕩頻率近3.6‰的誤差率。如果能夠制作更準確的電感，或者找到這一數值的集成電感，系統的這一頻率誤差將會大大降低。

3 結論

本文在對體聲波、電極反射、旁瓣等影響聲表面波器件性能的因素進行分析研究的基礎上，將多條耦合器、分裂電極和加權換能器等優化方案用于聲表面波振蕩器系統中聲表面波器件的設計。通過一個振蕩頻率為50.613 MHz聲表面波振蕩器系統的設計和實現，驗證了該優化設計方案的可行性。此外，該研究對其他類型的聲表面波器件設計和性能優化具有一定的參考價值。

致謝

感謝我的導師，已故西安交通大學朱長純教授生前對論文工作的指導，感謝中國兵器工業集團第206研究所劉清洪高級工程師及王植平、郜鵬、倪旭文、黨雙歡、崔婧等在器件及系統制作過程中給予的技術支持和幫助。

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文常保(1976- )，男，漢族，山西運城人，長安大學，副教授，博士/博士后。2012年到2013年在美國University of South Florida從事訪學研究工作。主要從事微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究，wchbdn@163.com。

Study on Design of Novel Surface Acoustic Wave Oscillator System*

WEN Changbao*，FANG Jishan，JU Yongfeng

(Institute of Micro-nanoelectronics/School of Electronics and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to solve the bulk acoustic wave(BAW)interference，the electrodes reflection and high side lobe in the acoustic surface wave(SAW)device of SAW oscillator system，the novel SAW oscillator system is proposed.In this design scheme，the BAW is separated by the multi-strip coupler，and the electrodes reflection and the side lobe are suppressed by the split electrode and weighted input and output input interdigital transducers，separately.The realization and measurement results of the novel SAW oscillator system with center frequency at 50.8 MHz conform that the frequency of the oscillator signal is 50.613 MHz，and the frequency error between the actual measurement and theoretical design is only 3.6‰.Furthermore，the SAW oscillator system has good periodicity and stability.

surface acoustic wave(SAW)device;SAW oscillator;bulk acoustic wave(BAW);electrodes reflection; side lobe

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.015

TN65;TN752

A

1005－9490(2014)02－0240－05

項目來源:國家自然科學基金項目(60806043);中央高校基本科研業務費專項資金項目(2013G3322010)

2013-06-11修改日期:2013-07-23

EEACC:2560Z