高頻低溫漂TC-SAW濾波器的設(shè)計(jì)

王 巍,滕洪菠, 王 方,張 迎,袁 軍,宋小瑛

(重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院/國(guó)際半導(dǎo)體學(xué)院,重慶 400065)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器具有高性能和低成本的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域,成為射頻前端實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等信號(hào)交互的關(guān)鍵芯片[1]。隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展,SAW濾波器也面臨著新的挑戰(zhàn),如高頻、低插損、高帶寬和高溫度穩(wěn)定性等問(wèn)題[2]。

傳統(tǒng)的SAW濾波器由于壓電材料的負(fù)溫度系數(shù),使其在溫度上具有較大的頻率偏移。如使用128°YX-LiNbO3制作的傳統(tǒng)SAW濾波器,其頻率溫度系數(shù)(TCF)為-72×10-6/℃,在工作溫度為-30～85 ℃、工作頻率為2.5 GHz時(shí),頻率漂移高達(dá)20 MHz。為了減小SAW濾波器隨溫度的頻率漂移,開(kāi)發(fā)了溫度補(bǔ)償型聲表面波(TC-SAW)濾波器。通過(guò)在叉指換能器(IDT)和具有負(fù)TCF的128°YX-LiNbO3上沉積具有正TCF的SiO2溫度補(bǔ)償層,從而減小SAW濾波器的頻率溫度系數(shù)[3]。

梯形SAW濾波器由串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器級(jí)聯(lián)而成,諧振器的性能直接影響濾波器的性能。在沉積SiO2溫度補(bǔ)償層后,諧振器的反諧振頻率處出現(xiàn)雜散響應(yīng),進(jìn)而影響濾波器的帶內(nèi)插損和帶外抑制。

為了提高器件性能,降低雜散響應(yīng)對(duì)濾波器的干擾,本文通過(guò)增加電極厚度,使雜散響應(yīng)出現(xiàn)的頻率范圍遠(yuǎn)離諧振器的主響應(yīng),在抑制了雜散響應(yīng)對(duì)主響應(yīng)影響的同時(shí)削弱了主響應(yīng)對(duì)雜散響應(yīng)的影響,降低了雜散響應(yīng)的幅值,改善了濾波器的帶內(nèi)插損和帶外抑制。

為了模擬不同工作溫度下TC-SAW濾波器的性能變化,同時(shí)考慮材料的熱膨脹效應(yīng),本文建立了TC-SAW濾波器的二維等效模型及溫度模型,分析了SiO2及Cu電極厚度對(duì)諧振器頻率溫度系數(shù)的影響,并通過(guò)四階級(jí)聯(lián)提高了濾波器的帶外抑制。

1 建模與材料參數(shù)

1.1 模型建立

梯形TC-SAW濾波器由串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器級(jí)聯(lián)而成,其原理圖如圖1所示,其中S、P分別為串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器,W為換能器的孔徑。

圖1 TC-SAW濾波器原理圖

由于換能器孔徑遠(yuǎn)大于電極寬度,可認(rèn)為瑞利波聲場(chǎng)在y方向上分布不變[4]。因此,基于COMSOL建立了TC-SAW諧振器的二維等效模型如圖2所示。

圖2 諧振器二維等效模型

圖2中,λ=2(a+b)為叉指周期,a為叉指寬度,b為指間距,h為電極厚度,H為SiO2厚度,HL為壓電材料的厚度,壓電材料為128°YX-LiNbO3,電極材料為Cu的完美匹配層(PML)用以降低底面反射[5]。

1.2 溫度模型與材料參數(shù)

聲表面波諧振器的諧振頻率f由聲表面波相速度vp與波長(zhǎng)λ決定:

(1)

vp由楊氏模量E(T)和材料密度ρ(T)共同確定:

(2)

E(T)、ρ(T)與環(huán)境溫度的關(guān)系為

E(T)=E(T0)×(1+TCE1×ΔT+

TCE2×ΔT2)

(3)

ρ(T)=ρ(T0)×[1-(α11+α22+

α33)×ΔT]

(4)

式中:E(T0),ρ(T0)為彈性材料在室溫下的楊氏模量和材料密度;TCE1,TCE2為彈性材料楊氏模量E的一階、二階溫度系數(shù);ΔT=T-T0,T為環(huán)境溫度,T0為參考溫度,通常取25 ℃;α11、α22、α33表示彈性材料不同晶相上的熱膨脹系數(shù)。

此外,環(huán)境溫度的變化會(huì)引起壓電材料的材料常數(shù)發(fā)生變化,從而影響聲波波速的變化和頻率的偏移。壓電材料的材料常數(shù)與溫度的關(guān)系滿足以下方程[6-7]:

(5)

(6)

(7)

(8)

本文基于COMSOL有限元軟件建立了TC-SAW器件的二維等效模型,構(gòu)建內(nèi)置方程,對(duì)模型施加溫度場(chǎng),添加溫度方程,彈性材料與鈮酸鋰的材料參數(shù)如表1、2所示[8-9]。

表1 彈性材料參數(shù)

表2 鈮酸鋰材料參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 SiO2對(duì)頻率溫度系數(shù)的影響

基于所構(gòu)建的模型及材料參數(shù),建立諧振器的二維等效模型,并對(duì)諧振器進(jìn)行溫度特性分析。圖3、4分別為采用SiO2溫度補(bǔ)償層前后的頻率響應(yīng)曲線。其中叉指電極厚度h=0.03λ,溫度補(bǔ)償層SiO2的厚度H=0.3λ。

圖3 未采用SiO2補(bǔ)償層的頻率響應(yīng)

由圖3可知,未采用SiO2溫度補(bǔ)償層時(shí),諧振器在-30 ～ 85 ℃范圍內(nèi)有明顯的頻移。其中,諧振點(diǎn)處溫度為-30 ℃和85 ℃時(shí),頻率分別為2 514.7 MHz和2 494.2 MHz,頻移為20.5 MHz,|TCF|=71.16×10-6/℃;反諧振點(diǎn)處溫度為-30 ℃和85 ℃時(shí),頻率分別為2 595.7 MHz和2 575.8 MHz,頻移為19.9 MHz,|TCF|=66.91×10-6/℃。

由圖4可知,采用厚度為0.3λ的SiO2溫度補(bǔ)償層,諧振點(diǎn)處溫度為-30 ℃和85 ℃時(shí),其頻率分別為2 500.4 MHz和2 497.8 MHz,頻移為2.6 MHz,|TCF|=9.05×10-6/℃;反諧振點(diǎn)處溫度為-30 ℃和85 ℃時(shí),其頻率分別為2 576.6 MHz和2 577.3 MHz,頻移為0.7 MHz,|TCF|=2.36×10-6/℃。

圖4 采用SiO2補(bǔ)償層的頻率響應(yīng)(H=0.3λ)

對(duì)比圖3、4可以看出,通過(guò)在叉指換能器(IDT)和壓電材料LiNbO3上沉積SiO2層,諧振頻率和反諧振頻率的頻率溫度系數(shù)分別降低了87.28%和96.47%,有效地降低諧振器頻率隨溫度的偏移,提高了器件的溫度穩(wěn)定性。

圖5為不同厚度的SiO2補(bǔ)償層對(duì)頻率溫度系數(shù)的影響。

圖5 不同SiO2厚度的頻率溫度系數(shù)

由圖5可知,諧振器的頻率溫度系數(shù)隨著SiO2厚度的增加而增加,當(dāng)H=0.3λ時(shí),|TCF|≤10 ×10-6/℃;當(dāng)H<0.3λ或H>0.3λ時(shí),|TCF|>10×10-6/℃。為了使諧振器具有良好的溫度系數(shù),本文采用的SiO2厚度為0.3λ。

2.2 雜散響應(yīng)的抑制

當(dāng)在壓電基底上沉積一層慢剪切波波速材料時(shí),會(huì)激發(fā)出一種在壓電基底表面上的波導(dǎo)層中傳播的剪切波——Love波。當(dāng)采用SiO2進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí),SiO2溫度補(bǔ)償層成為了波導(dǎo)層,由于Love波是在波導(dǎo)層中傳播,因此,Love波的能量幾乎全部集中在波導(dǎo)層中,進(jìn)而對(duì)諧振器產(chǎn)生干擾。由圖4可知,當(dāng)采用SiO2進(jìn)行溫度補(bǔ)償后,諧振器的反諧振頻率處會(huì)產(chǎn)生雜散響應(yīng),而梯形濾波器是由串聯(lián)諧振器和并聯(lián)諧振器構(gòu)成,并通過(guò)電偶的方式級(jí)聯(lián)在一起[10]。因此,諧振器的雜散響應(yīng)會(huì)直接影響濾波器的性能,如圖6所示。

圖6 諧振器雜散響應(yīng)對(duì)濾波器的影響

由圖6可知,Love波對(duì)并聯(lián)諧振器的影響造成濾波器的帶內(nèi)插損急劇下降,并超過(guò)了-10 dB。Love波對(duì)串聯(lián)諧振器的影響使濾波器的帶外抑制只有3.95 dB。為了提高濾波器性能,減小Love波對(duì)帶內(nèi)插損和帶外抑制的影響,本文分析了Cu電極厚度對(duì)雜散響應(yīng)的影響。

圖7為電極厚度0.03λ～0.12λ的諧振器導(dǎo)納曲線,其中SiO2厚度為0.3λ。由圖可知,隨著電極厚度的增加,雜散響應(yīng)出現(xiàn)的頻率范圍逐漸遠(yuǎn)離諧振器的主響應(yīng),且幅值減小。其原因在于,當(dāng)電極厚度增加時(shí),瑞利波波速和Love波波速均隨著電極厚度的增加而降低,但瑞利波波速降低速率比Love波波速降低速率快,使Love波出現(xiàn)的頻率范圍遠(yuǎn)離瑞利波;同時(shí),隨著電極厚度的增加,Love波逐漸遠(yuǎn)離瑞利波,抑制了雜散響應(yīng)對(duì)主響應(yīng)影響,削弱了主響應(yīng)對(duì)雜散響應(yīng)的影響,雜散響應(yīng)的幅值也隨之減小。

圖7 電極厚度對(duì)雜散響應(yīng)的影響

通過(guò)增加電極厚度可抑制諧振器的雜散響應(yīng),但隨著電極厚度的增加,諧振器的頻率溫度系數(shù)也隨之增大,如圖8所示。

圖8 不同電極厚度的頻率溫度系數(shù)

為了權(quán)衡電極厚度對(duì)Love波的抑制和頻率溫度系數(shù)的影響,本文采用電極厚度為0.06λ,此時(shí)諧振器諧振頻率fr與反諧振頻率fa的差值Δf= 63 MHz,Love波產(chǎn)生的雜散響應(yīng)與反諧振頻率的頻率差值Δf′ = 70 MHz。一方面,適當(dāng)增加電極厚度,將并聯(lián)諧振器的雜散響應(yīng)移至濾波器通帶范圍外,使濾波器帶內(nèi)插損得到優(yōu)化;另一方面,電極厚度的增加,串聯(lián)諧振器的雜散響應(yīng)幅值降低,受串聯(lián)諧振器雜散響應(yīng)影響的帶外抑制得到改善,如圖9所示。優(yōu)化后的一階TC-SAW濾波器,帶內(nèi)插損從-10.10 dB降為-0.77 dB,降低了92.32%;帶外抑制從-3.95 dB提升至-4.97dB,提升了25.82%。

圖9 優(yōu)化后的頻響曲線

2.3 濾波器級(jí)聯(lián)及溫度特性

優(yōu)化后的一階濾波器通帶特性得到提升,通帶平坦。但一階濾波器通帶外的帶外抑制僅5 dB,其對(duì)帶外干擾信號(hào)的抑制和衰減能力不足,所以需要通過(guò)多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式增加帶外抑制。由于多級(jí)級(jí)聯(lián)會(huì)使通帶內(nèi)的插入損耗增加,因此,在對(duì)濾波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)的同時(shí),還需對(duì)帶內(nèi)插損進(jìn)行分析。梯形濾波器的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)分為“T”型和“p”型,本文通過(guò)“T+p”型的級(jí)聯(lián)方式[11],對(duì)濾波器進(jìn)行四階級(jí)聯(lián),如圖10所示。

圖10 “T+p”型級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

級(jí)聯(lián)后得到的四階梯形TC-SAW濾波器頻率響應(yīng)曲線如圖11所示。由圖可知,濾波器的中心頻率為2 497 MHz,3 dB帶寬大于97 MHz,插入損耗小于2 dB,帶外抑制大于30 dB。

圖11 四階梯形TC-SAW濾波器頻響曲線

圖12為不同工作溫度下,四階TC-SAW濾波器的溫度特性。

圖12 不同工作溫度下TC-SAW濾波器頻響曲線

由圖12可以看出,濾波器的頻率溫度系數(shù)值為-9.89×10-6/℃。在-30～85 ℃工作溫度內(nèi),四階濾波器的帶內(nèi)插損最大值為1.95 dB,帶外抑制均大于30 dB,實(shí)現(xiàn)了全溫度范圍內(nèi)的帶內(nèi)低插損和帶外高抑制。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了TC-SAW濾波器的二維等效模型及溫度模型。為了提高濾波器的頻率溫度特性,在壓電材料上沉積了一層SiO2薄膜,諧振頻率和反諧振頻率處的頻率溫度系數(shù)分別降低了87.28%和96.47%。針對(duì)在添加SiO2溫度補(bǔ)償層后,諧振器的反諧振頻率處會(huì)出現(xiàn)雜Love波引起的雜散響應(yīng)問(wèn)題,本文通過(guò)增加Cu電極厚度,使雜散響應(yīng)出現(xiàn)的頻率范圍遠(yuǎn)離諧振器的主響應(yīng),進(jìn)而減小了雜散響應(yīng)對(duì)濾波器帶內(nèi)插損和帶外抑制的影響,帶內(nèi)插損降低了92.32%。最后對(duì)濾波器進(jìn)行四階級(jí)聯(lián),提高濾波器的帶外抑制,增加其對(duì)帶外干擾信號(hào)的抑制和衰減效果。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的TC-SAW濾波器的頻率溫度系數(shù)為-9.89×10-6/℃,中心頻率為2 497 MHz,帶內(nèi)最大插損為1.95 dB,帶外抑制大于30 dB,-3 dB損耗帶寬大于97 MHz。