超寬帶低損耗SAW濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃 歆，閆坤坤，黃 瑋，魏勇平

(北京中科飛鴻科技有限公司，北京 100095)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器以其小體積、低插損和高可靠性在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近年來，因通信系統(tǒng)的高速、大容量的發(fā)展趨勢，對SAW濾波器提出了大帶寬、低損耗的要求。SAW濾波器可實(shí)現(xiàn)的帶寬基本由機(jī)電耦合系數(shù)決定，如對42°-LiTaO3(42°-LT)，機(jī)電耦合系數(shù)為8%～9%，可實(shí)現(xiàn)的帶寬約為5%；而對41°-LiNbO3(41°-LN)，機(jī)電耦合系數(shù)為18%～24%，可實(shí)現(xiàn)的帶寬在8%～10%。因此，人們力圖尋找更高機(jī)電耦合系數(shù)的模式和切向，以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。

研究發(fā)現(xiàn)，在YX-LiNbO3和YX-LiTaO3切向上存在高壓電耦合的SH型SAW，尤其是YX-Li-NbO3切向機(jī)電耦合系數(shù)大于25%，但其傳播速度高于慢剪切體波，因此存在較大的傳播損耗而無法實(shí)用。當(dāng)在YX-LiTaO3切向晶體表面沉積一層低聲速材料，如金、銀，這種模式的傳播速度將低于慢剪切體波，降低了傳播損耗，故將這種模式命名為樂甫波模式。文獻(xiàn)[1]發(fā)現(xiàn)，用鋁代替低聲速材料可激發(fā)樂甫波模式，但所需膜厚波長比高達(dá)12%，器件的制作和大批量生產(chǎn)較難。

Hashimoto給出了基于樂甫波模式的低損耗、大超寬帶的設(shè)計(jì)理論和方法[2]。文中首先提出了用銅膜代替鋁膜，指出銅膜所需厚度約為鋁膜的0.4倍，且由于銅膜比鋁膜的導(dǎo)電性好，因此，較薄的膜并不會增加器件的歐姆損耗，有利于器件的工藝實(shí)現(xiàn)和大批量生產(chǎn)。文中還對比計(jì)算了在0°YX-LiNbO3和15°YX-LiNbO3切向上激發(fā)的樂甫波、瑞利波的耦合系數(shù)，雖然15°YX-LiNbO3激發(fā)的樂甫波耦合系數(shù)略低于0°YX-LiNbO3，但對瑞利波有很好的抑制，更適合器件的設(shè)計(jì)制作。通過假指加權(quán)和并聯(lián)臂涂覆ZEP520-22光阻等方式[3]對橫向模式、瑞利波模式進(jìn)行抑制，實(shí)際器件的試制結(jié)果是相對帶寬達(dá)20%，插損為0.77 dB，可有效抑制雜波。但帶內(nèi)的瑞利波模式未被完全消除，通帶內(nèi)約有2.5 dB的凹坑，對使用有一定的影響；另外，帶外抑制約為20 dB，在實(shí)際應(yīng)用中需進(jìn)一步提高。

本文基于Hashimoto提出的超寬帶設(shè)計(jì)方法，首先在理論上簡要分析了器件的工作原理，給出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意的問題和解決思路，引入了目前已經(jīng)成熟的模擬退火算法進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在工藝上采用光敏型聚酰亞胺，一方面其可采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制備高精度的圖形，另一方面其亞胺化后具有很好的吸聲效果，可更好地抑制瑞利波模式。最終得到性能較優(yōu)良的器件，其中心頻率為626 MHz，插損為0.94 dB，帶內(nèi)波動小于1 dB，相對帶寬為18.5%，帶外抑制大于40 dB，封裝采用尺寸3.8 mm×3.8 mm×1.5 mm的陶瓷表貼管殼。

1 器件的設(shè)計(jì)

器件采用六階梯形濾波器結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)諧振器都存在諧振頻率fr和反諧振頻率fa，根據(jù)梯形濾波器的工作原理，串聯(lián)臂的諧振頻率高于并聯(lián)臂的諧振頻率，使串聯(lián)臂的諧振頻率和并聯(lián)臂的反諧振頻率近似相等，形成濾波器的通帶；而串聯(lián)臂的反諧振頻率和并聯(lián)臂的諧振頻率分別對應(yīng)濾波器的高頻和低頻阻帶。由此可看出，諧振器的諧振頻率和反諧振頻率的寬度決定了濾波器的帶寬。

圖1 六階阻抗元濾波器示意圖

濾波器諧振模式的機(jī)電耦合系數(shù)為

K2=(πfr/fa)/tan(πfr/fa)

(1)

由式(1)可知，設(shè)計(jì)帶寬20%，此時(shí)，fa/fr≈1.16，K2≈28%，電容比為2.9。

在基于樂甫波的寬帶器件設(shè)計(jì)制作中，最復(fù)雜、最重要的工作是對雜波的理論分析和有效抑制。圖2為一個(gè)諧振器的導(dǎo)納圖。由圖可見，fr與fa差別很大，這是本文設(shè)計(jì)寬帶器件的基礎(chǔ)。但在兩個(gè)頻率中間有很多雜波，若不抑制，將會影響器件的性能。分析得出，雜波由瑞利波和橫向模兩種模式造成。

圖2 諧振器的導(dǎo)納特性圖

瑞利波模式的強(qiáng)度相對較強(qiáng)，位于諧振頻率和反諧振頻率之間，需要選擇較適當(dāng)?shù)哪ず癫ㄩL比和占空比，使得瑞利波的激發(fā)強(qiáng)度相對較小。另外，瑞利波對基片表面的機(jī)械擾動很敏感，當(dāng)表面有液體或粘滯特性的薄膜時(shí)，瑞利波將快速衰減，而樂甫波本質(zhì)上是一種SH型表面波，對表面的擾動敏感較弱。利用這個(gè)原理，我們可在器件的適當(dāng)位置涂覆合適的光刻膠來抑制瑞利波，同時(shí)對頻響特性影響不大。

橫向模是由于換能器、間隙、假指、匯流條不同區(qū)域的聲速不同造成，可用標(biāo)量勢理論分析，孔徑越大，橫向模越強(qiáng)，因此，在可能的情況下盡可能采用較小的孔徑。由圖2可看出，橫向模非常靠近諧振頻率，無法避免地落在濾波器的通帶內(nèi)，因此，須采取必要的措施，把橫向模對頻響的影響控制在可接受的范圍內(nèi)(如小于0.5 dB)。采取的措施是假指切指加權(quán)，控制好假指的長度、占空比、空隙等參數(shù)，則能得到較好的抑制效果。

圖3為樂甫波、體波、瑞利波模式的聲速和膜厚波長比的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)膜厚波長比(h/λ)≥5%時(shí)，樂甫波模式的聲速低于慢剪切體波的聲速，此時(shí)傳播損耗較低，適于器件工作。瑞利波模式的聲速在諧振和反諧振模式之間，并隨膜厚的變化相對較慢，理解并利用好這一點(diǎn)對設(shè)計(jì)此類的寬帶器件至關(guān)重要，我們可用膜厚來調(diào)節(jié)瑞利波產(chǎn)生的凹坑在通帶的位置。下面簡要分析一下，假設(shè)器件的帶寬為f，對于串聯(lián)臂諧振器，我們可將瑞利波頻率設(shè)計(jì)為稍大于(fr+Δf/2)；對于并聯(lián)臂諧振器，則可將瑞利波頻率設(shè)計(jì)為稍小于(fa-f/2)。這樣在最大限度不損失帶寬的情況下，將瑞利波模式避開通帶內(nèi)，而分別位于通帶的左、右兩端[4]。

圖3 銅柵陣/15°YX-LiNbO3結(jié)構(gòu)各模式聲速和膜厚波長比的關(guān)系

器件的仿真采用Hashimoto-Abbott的修正COM模型，COM參數(shù)根據(jù)我們的試制結(jié)果進(jìn)行修正。因?yàn)镃OM模型的運(yùn)算速度極快，這里引入了模擬退火算法[5]來進(jìn)行優(yōu)化，模擬退火算法基本流程如圖4所示。

圖4 模擬退火算法基本流程

將每個(gè)諧振器的孔徑、換能器的指根數(shù)、周期及反射柵的指根數(shù)、周期都作為變量，7個(gè)諧振器共有35個(gè)待優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。寫好一個(gè)目標(biāo)函數(shù)很關(guān)鍵，在目標(biāo)函數(shù)中可以對插損、帶寬、駐波、帶外抑制等指標(biāo)賦予不同的目標(biāo)值和權(quán)重，并可以中斷程序隨時(shí)調(diào)整目標(biāo)函數(shù)。為了加速運(yùn)算，我們在程序中采用并行計(jì)算的方法，在一個(gè)配備雙CPU(多核)的電腦上開了12線程并行計(jì)算，優(yōu)化出一個(gè)結(jié)果需要12～24 h。

采用以上設(shè)計(jì)方法，基于銅柵陣/15°YX-LiNbO3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款中心頻率為620 MHz，-1 dB帶寬100.6 MHz(16.3%)、-3 dB帶寬120.1 MHz(19.4%)、插損0.73 dB的SAW濾波器，仿真頻響如圖5所示。

圖5 器件仿真頻響圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)第1節(jié)的分析和模擬仿真，在15°YX-LiNbO3基片上，采用銅電極材料制作了器件，圖6為實(shí)際制作器件測試頻響圖。器件實(shí)測中心頻率為626 MHz，插入損耗0.94 dB，帶內(nèi)波動小于1 dB，-1 dB帶寬為93.6 MHz，相對帶寬達(dá)14.9%；-3 dB帶寬為114.8 MHz，相對帶寬為18.3%，帶外抑制大于40 dB，封裝尺寸為3.8 mm×3.8 mm×1.5 mm。

圖6 器件實(shí)測頻響圖

由于串聯(lián)諧振器瑞利波模式造成的寄生響應(yīng)存在于-3 dB通帶外，因此未做處理。并聯(lián)諧振器瑞利波模式在-3 dB通帶內(nèi)形成了一根尖銳的毛刺，為了進(jìn)一步減小通帶波紋，通過套刻方式在并聯(lián)諧振器合適的位置涂覆一層聚酰亞胺膠，如圖7所示。

圖7 并聯(lián)臂涂覆聚酰亞胺膠示意圖

圖8為涂覆聚酰亞胺膠前、后實(shí)測頻響圖。由圖可見，通過在并聯(lián)諧振器涂覆聚酰亞胺膠可有效抑制瑞利波模式，其產(chǎn)生的凹坑由0.9 dB減小至0.4 dB，器件損耗僅增加約0.3 dB，3 dB相對帶寬損失可忽略。

圖8 涂覆聚酰亞胺膠前、后器件實(shí)測頻響圖

3 結(jié)論

通過對試制器件的驗(yàn)證，證明了本文的COM模型和COM參數(shù)較準(zhǔn)確。采用模擬退火的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了設(shè)計(jì)的自由度，得到了綜合性能最好的解。通過假指加權(quán)和在并聯(lián)諧振器上涂覆聚酰亞胺，并在設(shè)計(jì)上盡量避開瑞利波模式處于通帶內(nèi)，有效地抑制了各類雜波，試制結(jié)果很好。對今后的工作有以下兩點(diǎn)設(shè)想：

1) 本文在模型中只分析了樂甫波模式，未來可采用多模式的耦合模模型，在模型中加入瑞利波模式。

2) 有效消除瑞利波模式的影響非常關(guān)鍵，未來可望尋找更好的方法，使瑞利波的影響忽略。這樣可采用機(jī)電耦合系數(shù)更大的切向，實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。