改進型3IDT-LCR結(jié)構(gòu)的低損耗小矩形系數(shù)SAW濾波器

陳華志,羅文汀,馬晉毅,陳彥光,伍 平,董加和

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

三換能器縱向耦合諧振結(jié)構(gòu)(3IDT-LCR)的聲表面波(SAW)濾波器具有插入損耗低、帶外抑制高、尺寸小、易裝配和二次集成等特點,被廣泛應用于軍民電子系統(tǒng)的信道化接收組件[1-2]。隨著接收組件的信道數(shù)量增加,信道頻段劃分更加密集,所以需要將配套的SAW濾波器通帶做得更陡直,以滿足相鄰密集頻段信號的提取需要[3]。通過矩形系數(shù)來描述SAW濾波器的通帶陡直程度,通常被定義為濾波器-40 dB帶寬與-3 dB帶寬(或-1 dB帶寬)的比值[4]。濾波器矩形系數(shù)越小,則器件通帶越陡直。

本文針對信道化接收組件對SAW濾波器-40 dB帶寬與-3 dB帶寬矩形系數(shù)≤1.4的指標要求,在傳統(tǒng)3IDT-LCR結(jié)構(gòu)的基礎上,通過理論仿真研究分析了反射柵及叉指換能器(IDT)指條多周期加權(quán)、在IDT間引入內(nèi)反射柵和在聲通道間引入諧振器等結(jié)構(gòu)改進設計帶來的指標改善效果,最終研制出具備低損耗、小矩形系數(shù)的SAW濾波器。

1 傳統(tǒng)3IDT-LCR結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由端面2個反射柵和中間3個IDT組成。各IDT和反射柵區(qū)域內(nèi)部的指條周期單一,聲通道整體結(jié)構(gòu)中心對稱。兩邊IDT與相鄰的反射柵各組成一個單相單向換能器(SPUDT),使產(chǎn)生的表面波能量向通道中心傳播。通過調(diào)節(jié)兩端SPUDT的距離、反射柵和IDT內(nèi)部的指條周期、數(shù)量,可在一定頻段內(nèi)實現(xiàn)平坦的通帶和低插入損耗。

圖1 傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)高的帶外抑制,SAW濾波器通常將上述兩個3IDT-LCR聲通道在無聲場耦合的情況下進行電聯(lián)接,形成的拓撲電路如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結(jié)構(gòu)SAW濾波器拓撲電路

圖3為對傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結(jié)構(gòu)的SAW濾波器典型頻響曲線。由圖可見,電極反射導致頻率漂移,使通帶中心頻率低于IDT布喇格頻率,而在更高頻率時,IDT為保持其響應,導致濾波器通帶高端出現(xiàn)“駝峰”,濾波器40/3矩形系數(shù)為3.87。

圖3 傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結(jié)構(gòu)SAW濾波器典型頻率響應

2 改進型3IDT-LCR結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)SAW濾波器具有小矩形系數(shù),本文從以下方面對傳統(tǒng)3IDT-LCR結(jié)構(gòu)進行了改進。

2.1 反射柵及IDT指條多周期加權(quán)

傳統(tǒng)縱向耦合聲通道設計在反射柵及IDT內(nèi)部指條周期單一,為使通帶在較寬頻率范圍內(nèi)獲得低的插入損耗,相鄰IDT及反射柵之間的指條周期跨度較大,引起通帶高端出現(xiàn)“駝峰”。本文首先對聲通道內(nèi)各反射柵及各IDT進行多周期加權(quán)設計,將各反射柵和IDT內(nèi)部分為ni(i=1～5)個漸變指條周期區(qū)域,如圖4所示,以減小相鄰IDT及反射柵之間的指條周期跨度,抑制通帶高端“駝峰”。

圖4 指條多周期加權(quán)結(jié)構(gòu)3IDT-LCR聲通道

圖5為利用指條多周期加權(quán)設計對傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結(jié)構(gòu)改進前后的仿真對比。由圖可見,濾波器通帶高端“駝峰”得到有效抑制,40/3矩形系數(shù)下降到2.03。

圖5 指條多周期加權(quán)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的濾波器頻響仿真對比

2.2 IDT間引入內(nèi)反射柵設計

盡管指條多周期加權(quán)能有效抑制“駝峰”,但圖5中濾波器高端過渡帶下降趨勢明顯比低端過渡帶緩慢,此問題可通過在左、右IDT與中心IDT之間加入內(nèi)反射柵進行改善,如圖6所示。

圖6 含內(nèi)反射柵的多周期加權(quán)結(jié)構(gòu)3IDT-LCR聲通道

圖7為兩端各引入9根內(nèi)反射柵前后的多周期加權(quán)3IDT-LCR聲通道結(jié)構(gòu)仿真對比。由圖可見,在引入內(nèi)反射柵后,器件高端過渡帶下降趨勢更迅速,濾波器40/3矩形系數(shù)下降到1.48。

圖7 引入內(nèi)反射柵前后的濾波器頻響仿真對比

2.3 聲通道間引入諧振器設計

通過采用上述聲通道改進結(jié)構(gòu)后,器件的高端過渡帶下半部分仍存在明顯拖尾,導致矩形系數(shù)偏大。針對信道化組件40/3矩形系數(shù)≤1.4的指標要求,為進一步降低器件矩形系數(shù),本文在濾波器拓撲電路的兩個聲通道間串聯(lián)一個諧振器,如圖8所示,利用諧振器的導納特性使高端過渡帶更陡直。

圖8 雙聲通道間引入諧振器的拓撲電路結(jié)構(gòu)

圖9為引入諧振器前后的器件通帶頻響特性仿真對比。由圖可見,引入諧振器后的器件高端過渡帶下端拖尾得到有效改善,40/3矩形系數(shù)達到1.34。

圖9 引入諧振器前后的濾波器頻響仿真對比

3 器件研制

本文采用上述改進型3IDT-LCR結(jié)構(gòu)研制了一款標稱頻率為253.75 MHz的低損耗、小矩形系數(shù)SAW濾波器。濾波器芯片采用42°Y-XLiTaO3壓電基片、Ti-Cu-Ti-Al復合膜IDT電極,芯片封裝于SMD0505表貼金屬陶瓷管殼中。

圖10為研制的SAW濾波器頻響特性仿真與實測對比。由圖可見,仿真與實測結(jié)果具有較好的吻合性。圖11為器件的實測頻率響應曲線。器件實測插入損耗為1.05 dB,低端帶外抑制近80 dB,高端帶外抑制近65 dB,-1 dB帶寬10.5 2MHz,-3 dB帶寬12.54 MHz,-40 dB帶寬16.68 MHz,矩形系數(shù)1.33,達到信道化接收組件應用的性能要求。

圖10 研制的SAW濾波器仿真與實測對比

圖11 研制的SAW濾波器實測頻率響應

4 結(jié)束語

本文通過反射柵及IDT指條多周期加權(quán)、在IDT間引入內(nèi)反射柵、在聲通道間引入諧振器,對傳統(tǒng)雙聲通道3IDT-LCR低損耗SAW濾波器結(jié)構(gòu)進行改進,研制出一款低損耗、小矩形系數(shù)SAW濾波器。改進型3IDT-LCR結(jié)構(gòu)可推廣應用于其他不同壓電基片材料的低損耗、小矩形系數(shù)濾波器設計中。