一種低損耗高抑制的聲表面波濾波器

陳彥光，董加和，陳清華，蔣世義，陳華志，李樺林，陳尚權，陸 川，趙雪梅

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.裝備發展部駐重慶地區軍事代表室，重慶 400060 )

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器因具有體積小、質量小等特點，在通信、雷達等系統中已得到了廣泛應用。隨著上述系統的不斷發展，要求在復雜的電磁環境中，尤其是在UHF頻段，除要求信號具備接收直采處理的功能外，還需要SAW濾波器同時具有低插入損耗及高阻帶抑制的性能。

能夠實現低損耗、高抑制SAW濾波器的設計結構很多，其中縱向耦合諧振(LCR)結構采用兩個聲通道級聯，且每個聲通道含3個換能器及2個反射器的方式實現[1]。在UHF頻段，傳統的LCR結構SAW濾波器的插入損耗約為3 dB。為了進一步降低插入損耗，需要對濾波器結構進行優化，通常是在相鄰兩個換能器間增加色散換能器結構，又稱為周期調制結構[2]。采用這種結構可以在一定程度上減小因換能器間的指條不連續引起的體波散射，從而達到進一步降低插入損耗的目的。在設計仿真過程中，發現周期調制換能器數量對SAW濾波器的帶外抑制影響較大，為了實現低損耗同時滿足高阻帶抑制SAW濾波器的研制，本文開展了對低損耗、高抑制SAW濾波器的研究。

本文首先分析了周期調制對降低插入損耗的原理，然后研究色散換能器對阻帶抑制的影響及不同聲通道設計對阻帶抑制的影響。在此基礎上設計出低損耗、高抑制的SAW濾波器。

1 體波散射原理及周期調制設計

諧振型低損耗SAW濾波器對表面邊界條件敏感。若金屬柵的周期不連續(見圖1)，散射的體聲波在柵邊界不能互相抵消，相應的能量以體聲波形式輻射到基片內部，同時由于柵模能量不能在兩個相鄰柵陣之間有效轉換，從而增加了插入損耗。

圖1 不連續金屬柵結構體聲波散射特性

設計模型時采用色散速度v及色散導納G來近似描述體波散射的影響，則有[3-4]

(1)

(2)

式中：v0為SAW速度；Vdisp為速度色散系數；f0為非色散頻率；f為頻率變量；g為電導色散系數；Fb和dF為與體波相關的頻率分量。

為了降低濾波器的插入損耗，在設計上改變原來的換能器間周期不連續拓撲結構(見圖2(a))，改用周期連續的周期調制結構(見圖2(b))，以減少體波散射帶來的能量損失，該技術稱為周期調制技術。

圖2 換能器間周期不連續與漸變周期調制結構示意圖

2 周期調制設計對阻帶抑制的影響

傳統LCR和周期調制LCR濾波器結構分別如圖3、4所示。傳統LCR濾波器一般由叉指換能器(IDT)、反射器、傳播間隙等組成。周期調制LCR濾波器結構將色散換能器代替間隙，由換能器、反射器、色散換能器等組成。

圖3 傳統LCR結構示意圖

圖4 調制LCR結構示意圖

圖5是色散換能器分別為2根和4根指條時的幅頻響應對比情況。通過仿真發現，周期調制LCR濾波器結構一方面可以減小體波散射帶來的能量損失，從而降低插入損耗；另一方面隨著色散換能器數量的增加，濾波器低端阻帶抑制會提高，但高端會惡化。因此，在設計過程中需要對色散換能器的指條數、周期及孔徑等參數進行綜合優化調整，以獲得最佳的濾波器高、低端阻帶抑制。

圖5 色散換能器不同指條數量的響應曲線對比

3 雙通道設計對阻帶抑制的影響

在設計過程中，如果兩個聲通道設計完全相同，那么兩個聲通道的阻帶抑制呈現“增加”的效果，這對阻帶抑制的提高不利。為了實現高阻帶抑制，本文采用對兩個聲通道進行分離設計的辦法，使兩個聲通道的阻帶抑制呈現“相消”的效果，如圖6所示。由圖可知，由不同設計的單通帶組成的濾波器1、2，通過不同的設計改變了頻率響應幅度變化位置。當將這兩種聲通道進行兩級級聯后，實現了阻帶“相消”，從而提高了級聯響應的阻帶抑制。

圖6 單個通道濾波器及級聯濾波器響應曲線對比

4 高阻帶抑制SAW濾波器研制

本文基于64°Y-XLiNbO3基片材料，采用三換能器周期調制LCR結構進行濾波器的設計。為了提高濾波器的阻帶抑制，采用兩級周期調制LCR濾波器結構的不同設計：一級濾波器色散換能器結構指條為2根，另一級色散換能器結構指條為4根。

通過設計軟件進行仿真，并考慮工藝的可實現性，同時對器件的膜厚、占空比及濾波器拓撲結構進行優化，使兩級濾波器阻帶波峰和波谷能互相抵消，進一步提高阻帶抑制，濾波器部分設計參數如表1所示。

表1 濾波器部分設計參數

為了對比，還設計了相同聲通道且色散換能器指條為4根的方案。通過將兩者幅頻響應對比可看出，采用色散換能器結構指條分別為2根和4根的優化組合設計，其高端阻帶抑制優于色散換能器結構指條均為4根的組合設計，阻帶抑制可提高8～10 dB，而插入損耗、相對帶寬等指標相當，如圖7所示。由圖可知，研制的濾波器1 dB帶寬為23.5 MHz，1 dB相對帶寬約4.9%，插入損耗約1.8 dB，阻帶抑制約為60 dB。

圖7 不同色散換能器指條數量的實測曲線對比

根據工程需要，采用本文方法制作的低損耗、高抑制SAW濾波器，頻率響應如圖8所示。由圖可知，該濾波器的中心頻率為475.78 MHz、插入損耗為1.92 dB、1 dB相對帶寬為4.86%及阻帶抑制超過了60 dB，滿足用戶的工程化需求。

圖8 高阻帶抑制的低損耗聲表面波濾波器實測曲線

5 結束語

基于64°Y-XLiNbO3材料，采用周期調制設計，通過不同色散換能器指條數量對濾波器阻帶影響的分析，對兩個通道孔徑、換能器、反射器的波長及指對數進行不同設計，實現了相對帶寬約5%，插入損耗約2 dB、阻帶抑制超過60 dB的高阻帶抑制SAW濾波器研制，該類設計方法也適用于其他不同切型材料的聲表面波濾波器設計。