基于LiTaO3基片寬帶聲表面波濾波器設計方法

張 華,齊夢珂,潘虹芝,李孟輝,程一民,牟笑靜,陳建軍,曹 亮

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060；2.重慶大學 新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室，重慶 400044)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器因尺寸小和性能優異而被廣泛應用于通訊設備和移動終端中。對于射頻低損耗SAW濾波器，其帶寬受限于壓電材料的機電耦合系數K2，如何實現相對帶寬8%～20%是目前SAW濾波器的研究熱點。常用的LiNbO3基片溫度系數較高，在采用低切角Y0°～15°-XLiNbO3的基片時，存在雜散抑制難的問題[1-4]。基于Y42°～50°-XLiTaO3基片實現寬帶濾波器有其應用優勢。

1 增加外圍電感提高阻抗元SAW濾波器寬帶

壓電聲學換能器，如SAWR、BAWR具有高品質因數(Q)值諧振阻抗單元特性，利用該阻抗單元的串并聯結構設計的帶通濾波器如圖1所示。一般情況下，濾波器的帶寬主要由諧振器的諧振頻率fr和反諧振頻率fa的間隔決定。提高阻抗元濾波器的帶寬而不增加濾波器的損耗，其常用方法是在并聯臂諧振器上串聯或并聯一個電感，以此調整諧振頻率fr和反諧振頻率fa的間隔。此方法的優點在于可在外殼內設計所需的微帶電感，無須增加濾波器的體積和損耗。

圖1 阻抗元濾波器拓撲結構及合成原理

諧振器的fr和fa分別為

(1)

(2)

式中：fr1為初始諧振點頻率；fa1為初始反諧振點頻率；Lm為動生電感；Cm為動生電容；C0為靜態電容。

圖2 SAW諧振器串聯電感以增加諧振和反諧振距離

如圖2所示，在諧振器上串聯一個電感Ls，其fr將向低端移動，fa不變，這不僅會增加帶寬，同時也會產生一個新的串聯諧振fr2。如果阻抗元濾波器并聯臂上串聯一個電感Ls，則高端頻率fr2處的帶外抑制會得到改善[5]。

(3)

如圖3所示，在諧振器上并聯一個電感Lp，其fr位置不動，fa向高端移動，這不僅會增加帶寬，同時也會在高端產生一個新的并聯諧振fa2。如果阻抗元濾波器并聯臂上并聯一個電感Lp，則低端fa2處帶外抑制將有一定惡化。

(4)

圖3 SAW諧振器并聯電感以增加諧振和反諧振距離

所設計Band 41全帶寬濾波器的中心頻率為2 595 MHz，通帶寬度大于200 MHz，3 dB相對帶寬大于9%，遠超Y42°-XLT壓電材料的機電耦合系數，因此，采用在阻抗元濾波器單元的輸入端、輸出端和中間級聯端各并聯一個電感，以此增加諧振單元諧振頻率和反諧振頻率間隔，從而提高濾波器帶寬。圖4是實際拓撲結構。圖5是實際制作的濾波器測試頻率響應曲線。

圖4 Band 41全帶寬濾波器拓撲結構

圖5 Band 41實際測試曲線

2 利用MMS提高縱向耦合濾波器帶寬

圖6是SAW縱向耦合諧振濾波器2-IDT結構，以及基本的對稱和反對稱諧振頻率的位置分布，其要求對稱模式的導納Ye的極點與反對稱模式的導納Yo的零點重合。不同諧振模式的頻率構成了該濾波器的通帶，諧振頻率處的Q值決定了濾波器的通帶損耗和波紋。

圖6 SAW縱向耦合諧振濾波器結構及諧振頻率位置

由圖6可以看出，若要提高縱向耦合諧振濾波器的帶寬，則需在更寬的頻帶耦合出更多的諧振模式(Multi-Mode SAW, MMS)，同時要保證總的諧振頻率差更大。在多模諧振濾波器中如何耦合出更多的諧振模式是值得研究的問題。

圖7的2-IDT縱向耦合諧振濾波器結構，說明了原來的兩種諧振模式經過結構調整后產生了第3種諧振模式，并以此合成了濾波器更寬的通帶。其中兩種模式在反射柵之間共振(見圖7(a))，頻率的位置和間隔對應圖7(c)的兩條黑實線，其值主要由IDT長度LI和IDT間隙LT進行調節。第3種模式在IDT之間產生諧振(見圖7(b))，由于IDT在其諧振時充當反射柵，故諧振頻率的位置對應圖7(c)的紅虛線，其值幾乎不受LI影響，而主要由LT確定。為了設計3種諧振模式，合理選擇各電極周期、間距和電極厚度h非常重要[6]。

為了增加縱向耦合濾波器帶寬，一般從以下幾方面進行考慮：

1) 增加IDT個數，從而增加更多的諧振模式。

2) 降低IDT內反射，使MMS諧振頻率在IDT禁帶之外。

3) 使用更有效的寬帶IDT，例如采用變周期色散換能器或使用機電耦合系數更大的壓電基片。

圖7 MMS縱向耦合諧振濾波器結構及諧振模式分布

近年來，隨著壓電薄膜材料加工工藝的發展，在絕緣高阻襯底材料(如高阻硅、藍寶石、石英、SiC)上通過異質鍵合工藝加工1 μm以下厚度的壓電薄膜(POI)基片的工藝逐漸成熟。由于POI基材具有較大的機電耦合系數、較低的溫度系數及良好的散熱特性，因此，基于POI基片開發的SAW濾波器電性能指標已經達到或優于FBAR濾波器性能。

為了充分發揮POI基片的優良特性，實現寬帶低溫度系數的濾波器，本文基于Y42°-XLiTaO3POI基片，采用IEF和CRF混合結構設計了一款中心頻率785 MHz，3 dB帶寬65 MHz，相對帶寬8.2%，通帶60 MHz內損耗1.5 dB的寬帶低損耗濾波器。CRF結構包括9個IDT。圖8(a)是不考慮外部電磁EM匹配的有限元仿真的濾波器頻率響應。由圖可見，通帶由多個諧振模式構成，產生了6個以上的多模式諧振，構成了超寬帶SAW濾波器通帶。圖8(b)是考慮版圖和外殼EM影響，加了外圍匹配后的頻率響應，實際測試濾波器的溫度系數小于20×10-6/℃。具體性能參數如表1所示。表中NR為反射柵根數，PR為反射柵節距，NIDT為IDT根數，PIDT為叉指換能器節距。

表1 濾波器結構參數

圖8 POI寬帶濾波器頻率響應

3 利用雙通道合成實現寬帶SAW濾波器

利用多通道SAW濾波器電學并聯獲得大帶寬濾波器是中頻傾斜扇形(slant-IDT)濾波器的基本思想。為了避免通帶波紋，要求相鄰通帶搭接的頻率響應在2個通帶中是同相的。射頻slant-IDT中，SAW多次反射都無法保證2個通道的相位線性和相鄰通帶搭接的頻率響應同相，因此，slant-IDT結構不能用于寬帶射頻低損耗濾波器設計中。

Hao Xue等[7]將2個CRF濾波器并聯，在Y42°-XLiTaO3上實現了8.27%的寬帶濾波器。作者通過設計2個通帶濾波器并聯，仔細調整相鄰通帶搭接的頻率S21響應同相，實現了更大帶寬的濾波器。圖9是本設計的拓撲結構原理圖。圖10(a)是合成的濾波器響應及2個通道的濾波器頻率響應。圖10(b)是實際測試匹配的響應曲線，其中心頻率790 MHz，3 dB帶寬72 MHz, 相對帶寬9.1%，損耗1.7 dB。此外，Yang等[8]基于42°Y-LTOI襯底以及1.8 μm電極設計周期制備出機電耦合系數為10.8 %的壓電諧振器，這種新型的壓電薄膜異質疊層結構有望成為新一代大帶寬濾波器的解決方案。

圖9 合成濾波器拓撲結構原理圖

圖10 雙通道合成寬帶濾波器響應曲線

上述濾波器具體結構參數如表2所示。

表2 濾波器結構參數

4 結束語

本文介紹了3種增加聲表面波濾波器帶寬的方法。基于鉭酸鋰基片實現了帶寬大于8%的低損耗SAW濾波器，其包括外部電路調制阻抗元濾波器，多模諧振縱向耦合濾波器和多通道并聯濾波器。基于POI的LN或者LT壓電薄膜具有更大的機電耦合系數，可以實現比LT基片更大帶寬的SAW濾波器，這是今后研究的方向，但目前POI的LN及LT壓電薄膜制作難度還較大。