混合結構聲表面波濾波器的設計

陳曉陽,王永安,葉 志,高黃杰,曹 玉

(1.北京無線電測量研究所,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、電子對抗等系統的不斷發展,頻譜資源日益緊張。為了避免各種電子設備間的干擾,對濾波器的矩形系數提出了更高要求。聲表面波(SAW)濾波器以其損耗小、矩形系數高、一致性好等優勢,被廣泛應用于各種軍民電子系統中。相對于其他結構的聲表面波濾波器,縱向耦合諧振濾波器(LCRF)具有體積小、帶寬設計靈活、群時延小及群時延波動小等特點,是設計低損耗聲表面波濾波器的常用結構。

縱向耦合聲表面波濾波器因不同激發模式的強度不同,在濾波器的高端過渡帶上容易引起寄生諧振峰,進而影響矩形系數。聲表面波單端對諧振器在反諧振頻率上有較深的陷波深度。將縱向耦合結構與諧振器相結合[1],設計混合結構的聲表面波濾波器,使諧振器的反諧振點位于縱向耦合結構的高端過渡帶上,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。

1 混合結構的SAW濾波器

混合結構的SAW濾波器主要以縱向耦合結構為基礎,結合單個諧振器或多個諧振器構成。圖1為其中一種典型結構。

圖1 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構的SAW濾波器

圖1中的縱向耦合+單個諧振器的混合結構常用于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強度較大,級聯單個諧振器不僅難以改善較大頻率范圍內的阻抗特性,且難以大幅度優化濾波器的矩形系數。在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等壓電材料上,縱向耦合結構級聯單個諧振器可以減小通帶波動,改善器件的通帶特性。為了優化濾波器的矩形系數,在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等壓電材料的縱向耦合結構中可以級聯多個諧振器的阻抗元結構[2],設計阻抗元結構的低、高端陷波點分別位于縱向耦合結構的低端和高端過渡帶上。阻抗元結構有較深的陷波深度,且在阻帶頻率較大范圍內有較好的抑制度,能有效提高縱向耦合結構過渡帶頻率和阻帶頻率的抑制,改善濾波器的矩形系數。圖2為單級縱向耦合+阻抗元的典型結構。

圖2 單級縱向耦合+阻抗元結構的SAW濾波器

圖2中,LCRF是單級縱向耦合結構,ZS1和ZS2是兩個串聯諧振器,ZP是一個并聯諧振器。阻抗元結構主要作用是對縱向耦合結構的過渡帶和阻帶進行抑制,其陷波點通常位于縱向耦合結構過渡帶的諧振峰上。圖3是兩種結構的幅頻特性仿真曲線對比。

圖3 縱向耦合和阻抗元的仿真曲線對比

2 器件設計

2.1 器件仿真

混合結構濾波器的仿真通常采用COM模型,計算周期結構的導納,提取COM參數[3-5]。根據COM模型可以得到關于單級縱向耦合結構和各諧振器的Y參數矩陣:

(1)

根據Y參數矩陣可計算出相應的ABCD參數矩陣:

(2)

采用縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構設計SAW濾波器,通過輸入、輸出端口互換,由第一級縱向耦合結構的Y參數Ya,得到第二級縱向耦合結構的Y參數Yc,Y參數矩陣存在如下關系:

(3)

根據濾波器的設計結構,按順序級聯各ABCD參數矩陣,得到整個濾波器的ABCD參數[6],轉化成S參數,完成整個濾波器的性能仿真。

2.2 結構參數優化

采用非線性算法進行濾波器結構的優化[7],設置濾波器結構中各換能器和反射器的指根數、周期長度、孔徑作為優化變量。為了減少變量個數,縱向耦合結構采用對稱設計。混合結構中,濾波器性能不是縱向耦合結構和諧振器性能的簡單疊加,優化時應將縱向耦合結構和諧振器作為一個整體,它們的結構參數作為自變量的同時進行優化。

設置優化變量的上限、下限、初始值和目標函數。在目標函數中對損耗、帶寬、帶外抑制等指標賦予不同的權重,進行濾波器結構參數的優化,同時輸出每次優化的結構參數。

根據圖1的縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構,按照濾波器帶寬的要求,采用機電耦合系數相對較大的36°Y-XLiTaO3,經過設計優化,確定了濾波器的結構參數。優化后的縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構濾波器的結構參數如表1所示,其中電極金屬厚度為0.699 μm。

表1 縱向耦合+諧振器濾波器的結構參數

采用Al電極,結合實際工藝情況,提取36°Y-XLiTaO3的COM參數。以級聯的諧振器為例,相對膜厚(h/l,其中h為金屬膜厚度,l為聲波波長)為9.3%,金屬化比0.5,5個COM參數:波速v、耦合系數κ、換能系數α、衰減系數γ、靜態電容C數值如表2所示。計算時,一般用歸一化參數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為電周期長度;ε0為真空中的介電常數。

表2 諧振器結構下36°Y-X LiTaO3的COM參數

根據COM模型和結構參數得到濾波器的仿真曲線如圖4所示。

圖4 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構濾波器的仿真曲線

根據圖2的單級縱向耦合+阻抗元結構設計SAW濾波器,按照濾波器帶寬的要求,采用41°Y-XLiNbO3壓電材料,經過設計優化,確定了濾波器的結構參數。優化后的縱向耦合+阻抗元結構濾波器的結構參數如表3所示,其中電極金屬厚度為0.307 μm。

表3 縱向耦合+阻抗元濾波器的結構參數

采用Al電極,結合實際工藝情況,提取41°Y-XLiNbO3的COM參數。以級聯的串聯諧振器為例,相對膜厚為5.4%,金屬化比0.5,COM參數數值如表4所示。

表4 諧振器結構下41°Y-X LiNbO3的COM參數

根據COM模型和結構參數得到濾波器的仿真曲線如圖5所示。

圖5 單級縱向耦合+阻抗元結構濾波器的仿真曲線

3 測試結果與分析

根據優化后得到的結構參數,在36°Y-XLiTaO3基片上,采用縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構制作了濾波器。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為濾波器的實測曲線。由圖可見,器件標稱頻率512.6 MHz,插入損耗為2.35 dB,-1 dB帶寬為20.51 MHz,矩形系數(B-40/B-3)為1.74。對比濾波器的仿真參數與實測參數,兩者基本吻合。

圖6 縱向耦合+諧振器+縱向耦合結構濾波器的實測曲線

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

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

4 結束語

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

本文對混合型聲表面波濾波器的設計技術進行了研究,針對兩種常用的混合結構:縱向耦合+諧振器和縱向耦合+阻抗元進行了分析,研制出兩款低損耗、高矩形系數的聲表面波濾波器,實測結果與仿真結果接近,證明了設計方法有效。