基于36°Y-X鉭酸鋰的扇形聲表濾波器設(shè)計(jì)與研究

蔣道軍,吳 燕,張顯洪,肖 強(qiáng),董加和,蔣國(guó)宇

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

隨著電子對(duì)抗與通訊技術(shù)的發(fā)展,信號(hào)頻段越來(lái)越多,噪聲信號(hào)影響愈發(fā)嚴(yán)重,為了提高電子設(shè)備的可靠性和抗干擾能力,必須采用各類型的濾波器。聲表面波(SAW)濾波器因具有矩形度高、封裝尺寸小、質(zhì)量小、穩(wěn)定性好、可靠性高和批量生產(chǎn)一致性好等特點(diǎn),被廣泛用于雷達(dá)、數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和移動(dòng)通訊等領(lǐng)域[1]。其中扇形SAW濾波器通常被用于電子系統(tǒng)的中頻信號(hào)處理中,其主要作用是濾除噪聲信號(hào),提高系統(tǒng)信噪比,保證載波信號(hào)傳輸流暢,不失真,同時(shí)因扇形濾波器的插損小,可以減小整機(jī)功耗。

在相對(duì)帶寬5%～10%范圍的扇形SAW濾波器設(shè)計(jì)中,基片材料常采用YZ鋰酸鋰(YZ-LN),其機(jī)電耦合系數(shù)(ΔV/V)為2.4,但頻率溫度系數(shù)(TCF)較大(為-94×10-6/℃),因此溫度特性差,且YZ-LN材料有很強(qiáng)的體波效應(yīng),若是帶通濾波器,則會(huì)在上阻帶產(chǎn)生無(wú)用信號(hào),惡化高端帶外抑制,使用上受限。基于此,本文對(duì)基片材料展開(kāi)了研究[2],研究發(fā)現(xiàn)鉭酸鋰在36°Y-X切向時(shí),其機(jī)電耦合系數(shù)(ΔV/V)為2.4%(與YZ-LN相當(dāng))、TCF為-32×10-6/℃。因此,36°Y-X鉭酸鋰(36°-LT)具有較強(qiáng)的壓電耦合性和適中的溫度穩(wěn)定性,但36°Y-X鉭酸鋰屬漏波材料,叉指換能器(IDT)激發(fā)的是漏波,其聲學(xué)特性與表面波(瑞利波)存有一定的差異。

1 漏波特性分析

漏波是指在一些特殊切型的壓電材料上,聲波在傳播過(guò)程中有部分能量將不再集中于介質(zhì)表面附近,即它的能量在傳播過(guò)程中有部分泄露到介質(zhì)內(nèi)部。基于COMSOL有限元軟件計(jì)算了鋁/36°鉭酸鋰(Al/36°-LT)材料在不同相對(duì)電極厚度(1%～9%)條件下的聲波能量分布情況,如圖1所示。

圖1 Al/36°-LT不同電極厚度(1%～9%)能量分布情況

由圖1可見(jiàn),聲波能量集中在2個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)(深度為-2λ),且越靠近表面,能量越強(qiáng);隨著膜厚的增加,能量呈逐漸朝表面集中的規(guī)律;當(dāng)膜厚達(dá)到9%時(shí)發(fā)現(xiàn),大部分能量集中在1個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)。

漏波與瑞利波的特性雖有不同,但漏波同樣可由叉指換能器激勵(lì),被反射柵反射。采用分析表面波器件常用的方法來(lái)近似分析漏波器件,但需對(duì)特性參數(shù)進(jìn)行修改,通常使用的方法是COM理論[3]。漏波的壓電耦合系數(shù)比表面波高,但這取決于IDT膜厚度;漏波的溫度穩(wěn)定性與表面波穩(wěn)定性類似,或者更好。鉭酸鋰漏波材料的壓電耦合性和溫度特性較好,常被用于“射頻濾波器”設(shè)計(jì)中,因此,本文的扇形濾波器設(shè)計(jì)也采用鉭酸鋰漏波材料。

2 器件設(shè)計(jì)與分析

本文設(shè)計(jì)了中心頻率為187.5 MHz,帶寬為8 MHz,矩形系數(shù)(Bw30/Bw1)≤2的濾波器。考慮到制作誤差和溫度漂移,將1 dB帶寬算到9.4 MHz。

2.1 基片材料

本文濾波器相對(duì)帶寬約為5.8%,基片材料選用36°Y-X鉭酸鋰,其材料主要特性如表1所示。由表可見(jiàn),該材料的機(jī)電耦合系數(shù)與YZ-LiNbO3相當(dāng),但溫度穩(wěn)定性更好,適用于5%～10%的相對(duì)帶寬。

表1 基片材料主要特性參數(shù)

2.2 芯片結(jié)構(gòu)

扇形濾波器的相對(duì)帶寬≤20%,一般采用電極寬度控制(EWC)單元結(jié)構(gòu)[4]。根據(jù)本文濾波器的相對(duì)帶寬,濾波器設(shè)計(jì)采用EWC單元結(jié)構(gòu),IDT采用5-3-5分節(jié)的電容加權(quán)結(jié)構(gòu),換能器(IDT)中間的屏蔽條采用空心扇形結(jié)構(gòu),可以獲得較好的相位線性度。濾波器芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示,掩膜版圖如圖2所示,器件圖形長(zhǎng)度4.1 mm×2.4 mm,芯片劃片尺寸5.2 mm×2.6 mm,采用SMD7×5外殼封裝,符合小型化趨勢(shì)。

表2 濾波器芯片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

圖2 芯片設(shè)計(jì)版圖

2.3 濾波器仿真

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件仿真,濾波器的理論仿真數(shù)據(jù)如表3所示,仿真的頻響曲線如圖3所示。

表3 濾波器理論仿真數(shù)據(jù)

圖3 理想仿真頻響曲線

IDT電極為金屬鋁,膜厚300 nm,其中聲反射總量控制在約-1.024j,模擬頻響(不帶匹配)的情況如圖4所示。

圖4 模擬頻響(不帶匹配)

2.4 濾波器實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

圖5給出了上述設(shè)計(jì)方案的實(shí)測(cè)結(jié)果。由圖可見(jiàn),實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果在通帶形狀、過(guò)渡帶趨勢(shì),以及近端帶外抑制基本一致,這說(shuō)明用漏波材料設(shè)計(jì)扇形SAW濾波器是可行的,但是也存在差異:

圖5 實(shí)測(cè)頻響(不帶匹配)

1) 計(jì)算不匹配狀態(tài)下的波紋為1.33 dB,而實(shí)際測(cè)試結(jié)果約為1.73 dB。

2) 近端帶外惡化了約8 dB。

3) 不匹配狀態(tài)損耗計(jì)算值為13.7 dB,實(shí)測(cè)值為11.4 dB。

差異的存在說(shuō)明了材料參量的取值與實(shí)際有所偏差,后續(xù)將通過(guò)參數(shù)擬合得到更準(zhǔn)確的材料參數(shù),并繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì),如孔徑的取值、IDT端面反射的抑制等,這將使濾波器獲得更好的指標(biāo)。

3 濾波器匹配

扇形SAW濾波器一般需要外加匹配,如果不加匹配,則其插損和通帶波紋很大,端口駐波特性也較差。扇形SAW濾波器的匹配具有以下幾個(gè)作用:

1) 取得小的駐波系數(shù)。低損耗SAW濾波器通過(guò)匹配可使其駐波系數(shù)為1.2～2.0。

2) 取得小的損耗。中頻低損耗SAW濾波器要求必須匹配才能得到小的損耗。

3) 取得平坦的通帶特性。大帶寬SAW濾波器、中頻低損耗結(jié)構(gòu)濾波器若不匹配,則通帶波紋很大,匹配后不但可降低損耗,而且可以得到平坦的通帶特性。

4) LC匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得當(dāng),將起到LC濾波器的作用,可提高遠(yuǎn)端帶外抑制。

表4為濾波器外匹配后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。圖6為實(shí)測(cè)頻響(外帶匹配網(wǎng)絡(luò))。

表4 濾波器外匹配后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 實(shí)測(cè)頻響(外帶匹配網(wǎng)絡(luò))

在電路應(yīng)用中,為了抑制高端寄生響應(yīng)(主要是SAW濾波器的二次、三次諧波響應(yīng)),扇形SAW濾波器一般情況下需要添加1個(gè)低通濾波器,而本文濾波器的高端帶外如圖7所示。由圖可見(jiàn),濾波器高端帶外抑制好,可省去一級(jí)低通濾波器。

圖7 濾波器高端帶外抑制(外匹配下)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用36°Y-X切鉭酸鋰較強(qiáng)的壓電耦合性和適中的溫度穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了一款中心頻率187.5 MHz,帶寬8 MHz的聲表面波濾波器,其插入損耗達(dá)到-7.6 dB。濾波器測(cè)試結(jié)果與仿真吻合,說(shuō)明采用36°Y-X切鉭酸鋰漏波材料來(lái)設(shè)計(jì)扇形濾波器可行,且所設(shè)計(jì)的相對(duì)帶寬5%～10%的濾波器可以實(shí)現(xiàn)較小的插入損耗和適中的溫度穩(wěn)定性。