一種低損耗高抑制的聲表面波濾波器

陳彥光，董加和，陳清華，蔣世義，陳華志，李樺林，陳尚權(quán)，陸 川，趙雪梅

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.裝備發(fā)展部駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶 400060 )

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器因具有體積小、質(zhì)量小等特點(diǎn)，在通信、雷達(dá)等系統(tǒng)中已得到了廣泛應(yīng)用。隨著上述系統(tǒng)的不斷發(fā)展，要求在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，尤其是在UHF頻段，除要求信號(hào)具備接收直采處理的功能外，還需要SAW濾波器同時(shí)具有低插入損耗及高阻帶抑制的性能。

能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗、高抑制SAW濾波器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)很多，其中縱向耦合諧振(LCR)結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)聲通道級(jí)聯(lián)，且每個(gè)聲通道含3個(gè)換能器及2個(gè)反射器的方式實(shí)現(xiàn)[1]。在UHF頻段，傳統(tǒng)的LCR結(jié)構(gòu)SAW濾波器的插入損耗約為3 dB。為了進(jìn)一步降低插入損耗，需要對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通常是在相鄰兩個(gè)換能器間增加色散換能器結(jié)構(gòu)，又稱為周期調(diào)制結(jié)構(gòu)[2]。采用這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上減小因換能器間的指條不連續(xù)引起的體波散射，從而達(dá)到進(jìn)一步降低插入損耗的目的。在設(shè)計(jì)仿真過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)周期調(diào)制換能器數(shù)量對(duì)SAW濾波器的帶外抑制影響較大，為了實(shí)現(xiàn)低損耗同時(shí)滿足高阻帶抑制SAW濾波器的研制，本文開(kāi)展了對(duì)低損耗、高抑制SAW濾波器的研究。

本文首先分析了周期調(diào)制對(duì)降低插入損耗的原理，然后研究色散換能器對(duì)阻帶抑制的影響及不同聲通道設(shè)計(jì)對(duì)阻帶抑制的影響。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出低損耗、高抑制的SAW濾波器。

1 體波散射原理及周期調(diào)制設(shè)計(jì)

諧振型低損耗SAW濾波器對(duì)表面邊界條件敏感。若金屬柵的周期不連續(xù)(見(jiàn)圖1)，散射的體聲波在柵邊界不能互相抵消，相應(yīng)的能量以體聲波形式輻射到基片內(nèi)部，同時(shí)由于柵模能量不能在兩個(gè)相鄰柵陣之間有效轉(zhuǎn)換，從而增加了插入損耗。

圖1 不連續(xù)金屬柵結(jié)構(gòu)體聲波散射特性

設(shè)計(jì)模型時(shí)采用色散速度v及色散導(dǎo)納G來(lái)近似描述體波散射的影響，則有[3-4]

(1)

(2)

式中：v0為SAW速度；Vdisp為速度色散系數(shù)；f0為非色散頻率；f為頻率變量；g為電導(dǎo)色散系數(shù)；Fb和dF為與體波相關(guān)的頻率分量。

為了降低濾波器的插入損耗，在設(shè)計(jì)上改變?cè)瓉?lái)的換能器間周期不連續(xù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2(a))，改用周期連續(xù)的周期調(diào)制結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2(b))，以減少體波散射帶來(lái)的能量損失，該技術(shù)稱為周期調(diào)制技術(shù)。

圖2 換能器間周期不連續(xù)與漸變周期調(diào)制結(jié)構(gòu)示意圖

2 周期調(diào)制設(shè)計(jì)對(duì)阻帶抑制的影響

傳統(tǒng)LCR和周期調(diào)制LCR濾波器結(jié)構(gòu)分別如圖3、4所示。傳統(tǒng)LCR濾波器一般由叉指換能器(IDT)、反射器、傳播間隙等組成。周期調(diào)制LCR濾波器結(jié)構(gòu)將色散換能器代替間隙，由換能器、反射器、色散換能器等組成。

圖3 傳統(tǒng)LCR結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 調(diào)制LCR結(jié)構(gòu)示意圖

圖5是色散換能器分別為2根和4根指條時(shí)的幅頻響應(yīng)對(duì)比情況。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，周期調(diào)制LCR濾波器結(jié)構(gòu)一方面可以減小體波散射帶來(lái)的能量損失，從而降低插入損耗；另一方面隨著色散換能器數(shù)量的增加，濾波器低端阻帶抑制會(huì)提高，但高端會(huì)惡化。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)色散換能器的指條數(shù)、周期及孔徑等參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化調(diào)整，以獲得最佳的濾波器高、低端阻帶抑制。

圖5 色散換能器不同指條數(shù)量的響應(yīng)曲線對(duì)比

3 雙通道設(shè)計(jì)對(duì)阻帶抑制的影響

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果兩個(gè)聲通道設(shè)計(jì)完全相同，那么兩個(gè)聲通道的阻帶抑制呈現(xiàn)“增加”的效果，這對(duì)阻帶抑制的提高不利。為了實(shí)現(xiàn)高阻帶抑制，本文采用對(duì)兩個(gè)聲通道進(jìn)行分離設(shè)計(jì)的辦法，使兩個(gè)聲通道的阻帶抑制呈現(xiàn)“相消”的效果，如圖6所示。由圖可知，由不同設(shè)計(jì)的單通帶組成的濾波器1、2，通過(guò)不同的設(shè)計(jì)改變了頻率響應(yīng)幅度變化位置。當(dāng)將這兩種聲通道進(jìn)行兩級(jí)級(jí)聯(lián)后，實(shí)現(xiàn)了阻帶“相消”，從而提高了級(jí)聯(lián)響應(yīng)的阻帶抑制。

圖6 單個(gè)通道濾波器及級(jí)聯(lián)濾波器響應(yīng)曲線對(duì)比

4 高阻帶抑制SAW濾波器研制

本文基于64°Y-XLiNbO3基片材料，采用三換能器周期調(diào)制LCR結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。為了提高濾波器的阻帶抑制，采用兩級(jí)周期調(diào)制LCR濾波器結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)：一級(jí)濾波器色散換能器結(jié)構(gòu)指條為2根，另一級(jí)色散換能器結(jié)構(gòu)指條為4根。

通過(guò)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行仿真，并考慮工藝的可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)對(duì)器件的膜厚、占空比及濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使兩級(jí)濾波器阻帶波峰和波谷能互相抵消，進(jìn)一步提高阻帶抑制，濾波器部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 濾波器部分設(shè)計(jì)參數(shù)

為了對(duì)比，還設(shè)計(jì)了相同聲通道且色散換能器指條為4根的方案。通過(guò)將兩者幅頻響應(yīng)對(duì)比可看出，采用色散換能器結(jié)構(gòu)指條分別為2根和4根的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)，其高端阻帶抑制優(yōu)于色散換能器結(jié)構(gòu)指條均為4根的組合設(shè)計(jì)，阻帶抑制可提高8～10 dB，而插入損耗、相對(duì)帶寬等指標(biāo)相當(dāng)，如圖7所示。由圖可知，研制的濾波器1 dB帶寬為23.5 MHz，1 dB相對(duì)帶寬約4.9%，插入損耗約1.8 dB，阻帶抑制約為60 dB。

圖7 不同色散換能器指條數(shù)量的實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

根據(jù)工程需要，采用本文方法制作的低損耗、高抑制SAW濾波器，頻率響應(yīng)如圖8所示。由圖可知，該濾波器的中心頻率為475.78 MHz、插入損耗為1.92 dB、1 dB相對(duì)帶寬為4.86%及阻帶抑制超過(guò)了60 dB，滿足用戶的工程化需求。

圖8 高阻帶抑制的低損耗聲表面波濾波器實(shí)測(cè)曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

基于64°Y-XLiNbO3材料，采用周期調(diào)制設(shè)計(jì)，通過(guò)不同色散換能器指條數(shù)量對(duì)濾波器阻帶影響的分析，對(duì)兩個(gè)通道孔徑、換能器、反射器的波長(zhǎng)及指對(duì)數(shù)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)帶寬約5%，插入損耗約2 dB、阻帶抑制超過(guò)60 dB的高阻帶抑制SAW濾波器研制，該類設(shè)計(jì)方法也適用于其他不同切型材料的聲表面波濾波器設(shè)計(jì)。