聲表面波濾波器的叉指換能器技術(shù)演進(jìn)概述

摘 要：聲表面波（SAW）濾波器因具有帶外抑制性好、體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域。文章首先介紹了SAW濾波器的工作原理；然后從專利申請角度對國內(nèi)外SAW濾波器發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行梳理；隨后從SAW濾波器的叉指換能器電極結(jié)構(gòu)對SAW濾波器中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析；最后，對SAW濾波器的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：聲表面波；濾波器；叉指換能器

引言

聲表面波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ?SAW技術(shù)在雷達(dá)、廣播電視等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。然后隨著移動通信飛速發(fā)展，SAW器件的需求急劇增長，聲表面波技術(shù)越來越得到重視。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，SAW器件性能的優(yōu)越性越來越凸顯，因其頻率響應(yīng)平坦、體積小等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用[2]，隨著SAW濾波器的廣泛應(yīng)用，對其性能要求也越來越高，由此使SAW濾波器技術(shù)迅猛發(fā)展。

1 SAW濾波器國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

作者對歷年來SAW濾波器的國內(nèi)外專利申請進(jìn)行了梳理，如圖1所示。從全球?qū)＠暾埩縼砜矗?0世紀(jì)80年代中后期，由于電視、衛(wèi)星通信的發(fā)展，SAW濾波器技術(shù)隨之發(fā)展，出現(xiàn)了第一次專利申請峰值；隨后在90年代中后期，隨著移動通信的發(fā)展，SAW濾波器因其體積小、損耗低被大量應(yīng)用于手機(jī)等通訊設(shè)備中，其專利申請量出現(xiàn)第二次峰值，但隨著SAW濾波器技術(shù)的日趨完善，全球SAW濾波器的相關(guān)專利申請從2005年左右開始有下降趨勢。

從國內(nèi)專利申請量來看，國內(nèi)SAW濾波器技術(shù)從上世紀(jì)90年代開始發(fā)展，在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，SAW濾波器技術(shù)在國內(nèi)開始迅速發(fā)展，但由于國內(nèi)整體起步較晚，技術(shù)發(fā)展相對較慢，因此近年來在SAW濾波器技術(shù)方面的國內(nèi)專利申請量依然保持平穩(wěn)發(fā)展態(tài)勢。

2 SAW濾波器的IDT電極技術(shù)發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

SAW濾波器的主要組成有輸入輸出IDT電極和壓電基片，與SAW濾波器性能密切相關(guān)的因素即是IDT電極的設(shè)計(jì)，因此，文章從IDT電極設(shè)計(jì)這一技術(shù)分支分析了SAW濾波器的技術(shù)發(fā)展路線。

第一份完整描述SAW濾波器結(jié)構(gòu)的專利申請是1966年的一份美國專利申請（US3446974A），其采用無SAW內(nèi)反射的雙向IDT結(jié)構(gòu)，這種濾波器即使在理想的聲電轉(zhuǎn)換下也有至少6dB的雙向損耗。交錯(cuò)叉指換能器（IIDT）是1969年出現(xiàn)的一種低損耗SAW濾波器結(jié)構(gòu)（US3582840A），如圖2所示，其由三個(gè)IDT構(gòu)成一個(gè)橫向?yàn)V波器，兩邊的IDT結(jié)構(gòu)相同，中間的IDT是中心對稱的，中間的IDT與負(fù)載阻抗匹配時(shí)，能檢測到從兩邊IDT傳向中間的所有激勵(lì)的聲表面波，不會產(chǎn)生聲表面波反射，其產(chǎn)生的雙向損耗是3dB，因此降低了橫向?yàn)V波器的雙向損耗。

在此之前的濾波器均采用均勻抽樣的IDT結(jié)構(gòu)，但均勻抽樣的IDT結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)寬帶濾波器時(shí)存在損耗大的問題，因?yàn)橹芷诔闃拥腎DT結(jié)構(gòu)濾波器在其同步頻率處聲電轉(zhuǎn)換效率最高，偏離中心頻率越遠(yuǎn)，聲電轉(zhuǎn)換效率越低，因此傾斜換能器濾波器結(jié)構(gòu)被提出（US4616197A），如圖3所示，電極沿著器件孔徑方向是周期變化的，器件上部激勵(lì)通帶高頻部分的信號，器件下部激勵(lì)低頻部分的信號，將濾波器劃分成不同頻率的很多子通道，每個(gè)通道產(chǎn)生不同頻率的窄通帶，最終合成一個(gè)寬通帶，由此實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的濾波器設(shè)計(jì)。

將聲表面波諧振器作為電路元件的濾波器結(jié)構(gòu)（JPH0766676A）

自提出以來引起了研究者的極大關(guān)注，將該種濾波器稱為阻抗元濾波器（IEF），如圖4所示，常見的阻抗元濾波器有π型、X型和梯形三種結(jié)構(gòu)。阻抗元濾波器的插入損耗低，功率承受能力強(qiáng)，近端抑制高，其在射頻前端雙工系統(tǒng)中使用中具有優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

SAW濾波器伴隨著移動通信的發(fā)展，為現(xiàn)代移動通信作出了很大的貢獻(xiàn)，其在性能上已表現(xiàn)卓著，但依然也面臨著更大的挑戰(zhàn)，移動通信頻率的逐漸提高促使SAW濾波器也將向高頻、寬帶化發(fā)展，同時(shí)其功率承受能力也是一個(gè)重要因素，如何設(shè)計(jì)出同時(shí)兼具高頻寬帶、低損耗、小體積的SAW濾波器也是未來研究者面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]曹亮，秦廷輝.聲表面波濾波器技術(shù)及發(fā)展[C]//中國電子學(xué)會電子元件學(xué)術(shù)年會，2006.

[2]黃剛.聲表面波濾波器的應(yīng)用及發(fā)展[J].電子元器件應(yīng)用，2002（3）：24-25.