三次泛音單片式、高頻及高阻帶晶體濾波器

陽(yáng) 皓，彭勝春，陳仲濤，陳冬梅，管 弦，張 念，張靜雯

(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

41.4 MHz是電臺(tái)通訊中的一個(gè)常用頻點(diǎn)，工作在該頻段的濾波器主要有晶體濾波器、聲表濾波器、LC濾波器等[1]。與其他濾波器相比，晶體濾波器能實(shí)現(xiàn)的相對(duì)帶寬更窄，損耗更小，溫度穩(wěn)定性更好，阻帶抑制更高，能有效提高整機(jī)系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于各種通訊、導(dǎo)航系統(tǒng)中。本文根據(jù)用戶提出的具體研發(fā)需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為41.4 MHz、響應(yīng)模式為三次泛音的晶體濾波器，該濾波器具有相對(duì)帶寬窄，阻帶抑制度高及體積小等特點(diǎn)。

1 濾波器的技術(shù)指標(biāo)

濾波器的技術(shù)指標(biāo)(輸入輸出阻抗：50 Ω)參數(shù)如表1所示。

表1 濾波器技術(shù)指標(biāo)

2 濾波器設(shè)計(jì)

2.1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，晶體濾波器按電路結(jié)構(gòu)主要分為分立式電路和單片式電路。

單片式晶體濾波器利用晶體材料的厚度切變振動(dòng)模式，在晶片上制作兩對(duì)電極，每對(duì)電極形成一個(gè)諧振器，通過(guò)控制晶片厚度、電極尺寸、電極間距等使某些頻率的聲波能在晶片上通過(guò)耦合從輸入傳到輸出，另一些頻率的聲波則不能傳輸而被抑制，從而達(dá)到濾波的目的。單片式電路具有體積小，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

分立式電路采用差接橋型電路(在濾波器性能上與格型濾波器電路等效)，通過(guò)控制各晶體諧振器頻率，調(diào)整各級(jí)電路的阻抗特性，從而達(dá)到濾波的目的。分立式電路設(shè)計(jì)更靈活，可調(diào)整范圍大，所實(shí)現(xiàn)的頻率-帶寬范圍都遠(yuǎn)寬于單片式電路。

以本項(xiàng)目為例，若選用分立式電路設(shè)計(jì)方案，所需晶體諧振器數(shù)量最少為4個(gè)，按UM-5封裝形式晶體諧振器計(jì)算，諧振器所占體積至少為25 mm×15 mm×7 mm(含電感、電容元件)，無(wú)法滿足器件小型化要求，因此，采用單片式電路結(jié)構(gòu)僅需2個(gè)UM-5封裝的單片式晶體濾波器級(jí)聯(lián)就可實(shí)現(xiàn)，滿足器件體積要求。阻抗轉(zhuǎn)換方式采用變壓器阻抗轉(zhuǎn)換電路，可有效提高器件的阻帶抑制和雜波抑制。兩節(jié)單片式電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Z1和Z2為晶體諧振器，L1、C1和L2、C2分別為輸入、輸出端的阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，C3為耦合電容。

圖1 兩節(jié)單片式電路

2.2 晶體材料選擇

用來(lái)設(shè)計(jì)單片式晶體濾波器的材料主要有石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰，幾種晶體材料性能對(duì)比如表2所示。

表2 幾種壓電晶體材料特性對(duì)比

與其他晶體相比，石英晶體的機(jī)電耦合系數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性更好，適合作窄帶濾波器[2]。采用三次泛音模式實(shí)現(xiàn)的相對(duì)帶寬約為基頻模式的1/9。因此，本項(xiàng)目適合選擇三次泛音模式的石英晶體材料。

2.3 三次泛音晶體諧振器設(shè)計(jì)

晶體諧振器是晶體濾波器中的關(guān)鍵元件，幾乎決定了濾波器的所有參數(shù)。晶體諧振器設(shè)計(jì)包括晶片厚度、外形(尺寸)、電極大小、電極分縫及鍍回頻率設(shè)計(jì)等。

2.3.1 晶片厚度、外形(尺寸)要求

晶體諧振器的晶片厚度和工作頻率的關(guān)系為

t=(n×Kf)/f0

(1)

式中：t為晶片厚度；n為泛音次數(shù)；Kf≈1 680 kHz·mm為頻率常數(shù)。根據(jù)式(1)計(jì)算可得，當(dāng)工作頻率為41.4 MHz，工作模式為三次泛音的晶體諧振器時(shí)，t≈0.12 mm，能滿足平面研磨的要求。

2.3.2 電極設(shè)計(jì)

三次泛音模式的單片式晶體諧振器電極設(shè)計(jì)與基頻模式類似，首先根據(jù)頻率、帶寬、匹配阻抗等技術(shù)指標(biāo)，采用相應(yīng)的傳輸函數(shù)(切比雪夫函數(shù)、貝塞爾函數(shù)、高斯函數(shù)等)。選取歸一化的低通耦合系數(shù)和質(zhì)量因數(shù)，計(jì)算出帶通耦合系數(shù)，并由此計(jì)算出諧振器的電極面積，最終由耦合方程結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出電極尺寸、電極間距、白片頻率、耦合電容等[3]。

單片式晶體諧振器(聲耦合方向?yàn)閦′方向)的耦合方程為

(2)

式中：Kz′為石英晶體的帶通耦合系數(shù)；lz′為耦合方向的電極尺寸；d為電極分縫；Δ為鍍回頻率；c55和c66為石英晶體的彈性剛度常數(shù)。

根據(jù)能陷理論[4]，要達(dá)到良好的寄生抑制，lz′與Δ應(yīng)當(dāng)滿足：

(3)

電極圖形對(duì)晶體諧振器的寄生位置、寄生抑制水平有很大的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用不同電極圖形的晶體諧振器配對(duì)，利用寄生位置的差異，對(duì)寄生模形成相互抑制，從而整體提高濾波器的寄生抑制水平。通過(guò)對(duì)比計(jì)算，采用鋁材料制備電極，兩個(gè)諧振器的電極尺寸分別為0.7 mm×2.0 mm和0.8 mm×1.9 mm，電極分縫為0.5 mm。

2.3.3 鍍回頻率的控制

根據(jù)能陷理論，晶片的Δ將對(duì)晶體諧振器的寄生抑制產(chǎn)生影響。Δ過(guò)低，將導(dǎo)致晶體諧振器響應(yīng)變?nèi)酰沪み^(guò)高，將增加引入的寄生參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)單片式濾波器時(shí)，將對(duì)晶片的Δ進(jìn)行嚴(yán)格控制。對(duì)頻率為41.4 MHz的三次泛音的晶體諧振器，分別選擇Δ=150～200 kHz、200～250 kHz、250～300 kHz、300～350 kHz、350～400 kHz的晶體諧振器進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。將晶體諧振器的Δ控制在150～200 kHz內(nèi)，寄生峰最小，有利于提高阻帶抑制。

表3 不同鍍回頻率與寄生峰位置、大小的關(guān)系

2.4 三次泛音單片式晶體濾波器工藝

三次泛音單片式晶體濾波器工藝流程與常規(guī)基頻單片式晶體濾波器相似(見圖2)，但要建立一個(gè)成熟的泛音模式單片式晶體濾波器工藝線，重點(diǎn)要在以下兩方面進(jìn)行工藝提升：

1)高平行度的晶片研磨工藝。由于泛音模式下，晶體諧振器的電極尺寸較大，占據(jù)了大部分晶片的面積，引入的寄生參數(shù)更多。與基頻晶體諧振器相比，泛音響應(yīng)模式下晶片的平行度對(duì)晶體諧振器的寄生參數(shù)影響大。在實(shí)際應(yīng)用中，基頻晶體諧振器要達(dá)到30 dB以上的寄生抑制，晶片平行度要求在0.55 μm以內(nèi)，三次泛音模式要達(dá)到同樣的寄生抑制，晶片平行度要求必須在0.3 μm以內(nèi)。在晶片研磨過(guò)程中，通過(guò)合理控制研磨砂的粒徑、研磨介質(zhì)配比(即水、砂、冷卻液的比例)、清洗液比例等工藝手段，可達(dá)到提高晶片平行度的目的。

圖2 泛音單片式晶體濾波器工藝流程圖

2)高精度鍍膜工藝。泛音模式下晶體諧振器的電極誤差將直接導(dǎo)致晶體濾波器的插入損耗、通帶寬度、通帶波動(dòng)等電性能參數(shù)發(fā)生變化，因此必須提高鍍膜工藝精度。通常采用磁控濺射、電子束等高精度的鍍膜方式，獲得統(tǒng)一尺寸的電極。與此同時(shí)，提高鍍膜設(shè)備的真空鍍、合理設(shè)置鍍膜程序使其能精確控制電極厚度。

2.5 晶體濾波器高阻帶設(shè)計(jì)

提高晶體濾波器的阻帶抑制，主要從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：

1)增加器件內(nèi)部元件接地面積。將晶體諧振器外殼、電路基板、對(duì)地耦合電容等全部焊接在器件底座上，可實(shí)現(xiàn)大面積共地設(shè)計(jì)。

2)加強(qiáng)器件內(nèi)部的電磁隔離設(shè)計(jì)。電感線圈采用金屬屏蔽罩隔離，晶體諧振器間采用隔離板進(jìn)行電磁隔離。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

采用石英晶體材料、三次泛音單片式電路設(shè)計(jì)方案，完成了濾波器研制，最終產(chǎn)品在安捷倫E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行測(cè)試。所有指標(biāo)均滿足要求，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，測(cè)試圖如圖3所示。

表4 產(chǎn)品實(shí)測(cè)指標(biāo)

圖3 1#樣品實(shí)測(cè)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三次泛音單片式電路結(jié)構(gòu)完成高頻窄帶晶體濾波器制作，這種設(shè)計(jì)方案在器件小型化、高可靠性、低成本等方面明顯優(yōu)于其他方案。該產(chǎn)品已成功應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域，使用情況良好。目前該技術(shù)已推廣到更高頻率和其他特種晶體材料的晶體濾波器上，進(jìn)一步拓展了晶體濾波器覆蓋的頻率-帶寬范圍。