LGS聲表面波濾波器設(shè)計

【摘要】本文設(shè)計了LGS聲表面波濾波器（SAWF），介紹其結(jié)構(gòu)，計算了聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)特性，與石英進(jìn)行比較。發(fā)現(xiàn)LGS聲表面波濾波器比石英聲表面波濾波器的插入損耗要小很多，是應(yīng)用于小型化中頻帶寬濾波器的優(yōu)選材料之一。

【關(guān)鍵詞】LGS；表面波濾波器；插入損耗

Abstract：In this paper，we designed the LGS crystal surface acoustic wave filter（SAWF），introduced the structure，calculated the frequency response，and compared with quartz.We found the insert loss of LGS SAWF is smaller than that of quartz SAWF.They can be applied to fabricate miniaturized intermediate frequency band-pass filters.

Key words：LGS；crystal surface acoustic wave filter；insert loss

1.引言

壓電晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。壓電晶體作為基片制備出的聲表面器件因其優(yōu)良的電性能，易于實現(xiàn)器件小型化，被廣泛的應(yīng)用于通訊，雷達(dá)，導(dǎo)航等。近年來，新型壓電晶體材料A3BC3D2O14硅酸鎵鑭結(jié)構(gòu)晶體在聲表面波、體表面波濾波器以及傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。鎵鑭系列材料如La3Ga5.5Nb0.5O14[1]（LGN）、La3Ga5.5Ta0.5O14[2]（LGT）和La3Ga5SiO14[3]（LGS）具有聲表面波速度小，機(jī)電耦合系數(shù)大等特點，有利于制備器件的小型化。另外，這類晶體的熔點很高，在高溫下比較穩(wěn)定，可以用來制備高溫傳感器，濾波器。本文設(shè)計了LGS晶體濾波器，介紹其結(jié)構(gòu)，計算了聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)特性，與石英進(jìn)行比較，為聲表面波器件的制備打下理論基礎(chǔ)。

圖1 聲表面波基本結(jié)構(gòu)

2.聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)

2.1 聲表面波濾波器基本結(jié)構(gòu)

聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)[4]如圖1所示，它是在壓電基片上制備出輸入電聲換能器和輸出聲電換能器。

2.2 聲表面波傳輸原理

圖2 聲表面波濾波器的傳輸函數(shù)模型

輸入叉指換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，在基片表面上傳播，經(jīng)過一定的延遲后，輸出叉指換能器再將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。濾波的過程是在電轉(zhuǎn)聲和聲轉(zhuǎn)電的過程中實現(xiàn)的。所以我們可以將聲表面波濾波器等效的看作一個兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。圖中H1（ω）表示的是輸入叉指換能器的頻率響應(yīng)，H2（ω）表示的是輸出叉指換能器的頻率響應(yīng)，H3（ω）表示的是聲表面波在兩叉指換能器之間的傳輸特性。假設(shè)聲表面波的波速為Vs，由于Vs是非色散性的，所以H3（ω）可等效的看作一個有一定延時t0的時延網(wǎng)絡(luò)。輸入換能器和輸出叉指換能器中心間距離為L，則有：

t0=L/Vs

H3（ω）A3（-JωL/Vs）

式中A3為常數(shù)，一般情況下記為1。因此，聲表面波濾波器總的傳輸函數(shù)為：

H（ω）=H1（ω）H2（ω）H3（ω）

根據(jù)傅里葉變換特性，考慮到|H（ω）≈1，因此，不計入H（ω）。則聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為：

H（ω）=H1（ω）H2（ω）

對應(yīng)的脈沖響應(yīng)h（t）為：

h（t）=h1（t）*h2（t）

其中h1（t）和h2（t）分別表示輸入換能器和輸出叉指換能器的脈沖時間響應(yīng)。

3.結(jié)果與分析

我們選定叉指換能器的壓電基片是LGS晶體（0，138.5o，26.8o）[2]，其中自由表面相速度vs=2734m/s，k2=0.34%，PFA=0，γ=-1.17，TCF≈0，聲孔徑3mm，金屬電極寬度與IDT周期比2w/p=0.5，k2=0.34%，η=0.8472422，Cs=0.964F/m，h0=1.8883F/m。我們將其中輸入IDT設(shè)計為：指對為28（等間距），孔徑為45個波長。輸出IDT指對為40（等間距），孔徑為60個波長，兩者相隔20個波長的距離。依我們計算了IDT的頻率特性響應(yīng)曲線，并與石英制備的聲表面波濾波器的結(jié)果進(jìn)行對比，計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，LGS制備的SAWF比石英制備的SAWF的插入損耗要小很多，證明了LGS用于制備聲表面波器件方面占優(yōu)勢，易于器件的小型化。

4.結(jié)論

我們設(shè)計了LGS晶體聲表面波濾波器，計算了濾波器的頻率響應(yīng)特性，并與石英晶體濾波器的頻率特性響應(yīng)進(jìn)行了比較，得出了LGS的SAWF比石英SAWF的插入損耗要小很多，證明了LGS用于制作SAWF方面更具優(yōu)勢，是非常有誘惑力的SAW濾波器新材料。

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作者簡介：孫娜（1989—），女，河北保定人，大學(xué)?？疲F(xiàn)供職于青島杰瑞自動化有限公司，主要從事石油測井儀器研究。