高基頻高機(jī)電耦合系數(shù)晶體濾波器

彭勝春,趙瑞星,陽 皓，邱澤林，李亞飛，溫桎茹，唐 平，董 姝

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060;2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第三軍事代表室，陜西 西安 710100)

0 引言

晶體濾波器是采用壓電晶體材料制作的一種頻率選擇器件，具有良好的選擇性和溫度穩(wěn)定性，能提高整機(jī)通信的抗干擾能力，因而被廣泛用于超短波(工作頻率為30～300 MHz)通信頻段領(lǐng)域。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，在超短波頻段需要傳輸更多的信息和較低的誤碼率，因此，濾波器需具有較寬的帶寬，較小的延時，良好的溫度特性，較低的插入損耗和較高的阻帶抑制，這些要求促使晶體濾波器朝著高頻寬帶的方向發(fā)展，也促進(jìn)了一些高機(jī)電耦合系數(shù)的晶體材料的應(yīng)用。

1 濾波器的技術(shù)指標(biāo)

中心頻率f0：63 MHz±40 kHz

1 dB帶寬：≥400 kHz

3 dB帶寬：≥780 kHz

65 dB帶寬：≤2.8 MHz

群延時波動@f0±200 kHz：≤1 μs

插入損耗：≤6 dB

通帶波動：≤1 dB

阻帶抑制：≥65 dB

阻抗：50 Ω

工作溫度：-55～+95 ℃

外形尺寸：38 mm×18 mm×12.5 mm

2 濾波器方案設(shè)計

2.1 濾波器種類選擇

在中頻通信頻段，常用的濾波器有LC濾波器、陶瓷濾波器、聲表濾波器和晶體濾波器。

從工作溫度和中心頻率指標(biāo)上看，該濾波器的工作溫度在150 ℃內(nèi)，要求的工作頻率穩(wěn)定度為8.45×10-6/℃。該頻段的陶瓷濾波器、LC濾波器溫度系數(shù)均大于±10×10-6/℃。

聲表濾波器的溫度系數(shù)為-45×10-6/℃，為了提高聲表濾波器的溫度穩(wěn)定性，近年來采用溫度補償技術(shù)，即在金屬叉指型換能器(IDT)結(jié)構(gòu)上另涂覆一層與壓電層具有相反溫度彈性的涂層(如二氧化硅(SiO2)),實現(xiàn)一種高溫度穩(wěn)定性的溫補聲表濾波器(TCSAW)。其能夠?qū)⒙暠頌V波器的溫度系數(shù)提高到-5×10-6/℃，但這種涂層的厚度一般為微米量級，適合進(jìn)行溫度補償?shù)墓ぷ黝l率500 MHz以上的聲表濾波器，對于工作在幾十兆的中低頻濾波器仍難以達(dá)到要求的溫度穩(wěn)定性。綜合比較可知，只有晶體濾波器能實現(xiàn)要求的溫度穩(wěn)定性[1-2]。

2.2 晶體材料和工作模式選擇

晶體濾波器屬于聲體波(BAW)器件，振動模式一般均采用剪切波或準(zhǔn)剪切波。這種聲波傳播模式屬于橫波的一種，在這種模式下，聲波沿晶片的法線方向傳播，工作頻率由晶片厚度決定，厚度越薄，工作頻率越高[3]。

表1為幾種常用的BAW壓電晶體材料的性質(zhì)。其中溫度系數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)是壓電晶體的重要參數(shù)，這些參數(shù)取決于晶體材料的類型和切角，進(jìn)而決定了濾波器的性能。晶體的溫度系數(shù)決定了濾波器的溫度穩(wěn)定性，而機(jī)電耦合系數(shù)決定了濾波器可以實現(xiàn)的帶寬范圍，機(jī)電耦合系數(shù)越大，則可實現(xiàn)的帶寬范圍越寬。本文設(shè)計的濾波器要求的相對帶寬為1.3%。

表1 主要晶體壓電性質(zhì)對比

由表1可知，石英晶體溫度系數(shù)最小，用其制作的濾波器也是目前所有濾波器中溫度穩(wěn)定性最好的，但是，石英晶體的機(jī)電耦合系數(shù)太小，在低頻段(低于30 MHz)可通過電路補償和調(diào)整，以犧牲溫度穩(wěn)定性為代價來實現(xiàn)超過1%的相對帶寬。然而，隨著工作頻率的升高，尤其是基頻大于50 MHz后，晶片裝配后受支架電容等因素影響，可實現(xiàn)的相對帶寬范圍將急劇下降，因此，難以實現(xiàn)高頻大帶寬的晶體濾波器[4]。

鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體是一種優(yōu)良的晶體材料，具有良好的壓電和電光學(xué)特性，其在聲學(xué)器件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，主要用于制作傳感器、聲光調(diào)制器和濾波器。

鉭酸鋰和鈮酸鋰晶體選擇不同的切角都能激發(fā)出厚度剪切模式，且在這些工作模式下晶體的機(jī)電耦合系數(shù)比石英高。鉭酸鋰晶體能實現(xiàn)6%～7%的相對帶寬，而鈮酸鋰能實現(xiàn)10%～12%的相對帶寬，適合制作寬帶晶體濾波器。但是，它們的溫度穩(wěn)定性比石英晶體差，鈮酸鋰晶體溫度系數(shù)達(dá)52×10-6/℃，限制了該晶體在晶體濾波器中的應(yīng)用。X切鉭酸鋰晶體具有零溫度切向，通過精確控制切向精度，可將零溫度系數(shù)點控制在室溫范圍內(nèi)，能夠用于制作高頻大帶寬的濾波器。

2.3 高基頻晶體諧振器加工工藝

晶體濾波器的工作頻率和晶體諧振器晶片的厚度成反比，厚度越薄，則頻率越高。工作頻率為63 MHz基頻模式的鉭酸鋰晶片厚約31.3 μm，晶片很薄，在高強(qiáng)度的力學(xué)振動和溫度劇烈變化的環(huán)境下，晶片易開裂，可靠性差。因此，該器件的主要工藝難點是在保證器件可靠性的同時實現(xiàn)高基頻、大帶寬。

為了提高可靠性，通常將晶片結(jié)構(gòu)設(shè)計為反臺面結(jié)構(gòu)，邊緣較厚，能提供高強(qiáng)度的力學(xué)支撐，而中間部分薄，可實現(xiàn)高基頻頻率。整個晶體諧振器的可靠性取決于邊緣支撐厚度[5](見圖1)。圖中，h為晶片的邊緣厚度，t為輸出基頻的晶片厚度。

圖1 反臺面晶體諧振器結(jié)構(gòu)圖

要實現(xiàn)反臺面結(jié)構(gòu)的晶體諧振器，國內(nèi)尚無成熟的工藝。國外采用化學(xué)腐蝕法，此法的關(guān)鍵是選取適當(dāng)濃度的腐蝕液體，同時精確控制腐蝕時間和環(huán)境。但是，鉭酸鋰晶體屬于各向異性的晶體，腐蝕液對晶片表面的晶體微顆粒腐蝕速度不一致，導(dǎo)致晶片表面凹凸不平，使成品率降低，且鉭酸鋰晶體的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，對強(qiáng)酸和強(qiáng)堿都有較高的耐腐蝕性，因此，化學(xué)腐蝕工藝也未能實現(xiàn)在加工超薄鉭酸鋰晶片上的應(yīng)用。

采用離子刻蝕工藝能實現(xiàn)這種反臺面結(jié)構(gòu)方案。這種工藝通過形成定向加速運動的氬離子束，高速穿過掩膜板向安放有工件(晶片)的離子收集極IC沖撞，使在掩模外的晶片部分被刻蝕而減薄，實現(xiàn)表面刻蝕加工。這種用離子束進(jìn)行表面轟擊加工的方法具有分子(或原子)量級的加工精度，它可以獲得很精細(xì)的尺寸。

圖2為采用離子刻蝕制作的晶體諧振器。采用鋁作為電極材料，電極直徑為0.12 mm，鍍回頻率控制在1 MHz，測得晶體諧振器的參數(shù)如表2所示。

圖2 離子刻蝕工藝加工的晶體諧振器

表2 晶體諧振器主要參數(shù)

2.4 電路設(shè)計

采用分立式設(shè)計方案易制作工作在50 MHz以上的晶體濾波器。這種電路多以差接橋型電路為基礎(chǔ)。為了提高矩形系數(shù)和阻帶指標(biāo)，一般將多節(jié)進(jìn)行級聯(lián)，節(jié)數(shù)越多，則矩形系數(shù)越好，但是每節(jié)濾波器會帶來一定的延時，從而增加濾波器的通帶群延時波動。該濾波器要求的矩形系數(shù)(65 dB帶寬和3 dB帶寬的比值)小于3.5，2節(jié)、3節(jié)和4節(jié)濾波器的矩形度分別約為4.5，3.5和2.5。但是，采用4節(jié)濾波器不僅電路復(fù)雜，且因為元件的增多，器件內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)難以容納。綜合比較，采用3節(jié)濾波器可以實現(xiàn)所需指標(biāo)要求。濾波器的電路圖如圖3所示。

圖3 晶體濾波器電路圖

2.5 濾波器試驗結(jié)果

采用離子刻蝕工藝制作的諧振器，按照圖3的電路圖進(jìn)行裝配，電感采用磁導(dǎo)率為10的磁芯，用0.15 mm的漆包線進(jìn)行雙線繞制12圈，單線繞制3圈，并配合采用調(diào)諧電容進(jìn)行阻抗調(diào)諧匹配，得到良好的通帶響應(yīng)(見圖4、5)。將其裝配到殼體內(nèi)，做好內(nèi)部電路元件的接地和節(jié)間屏蔽，以提高阻帶抑制水平。

圖4 晶體濾波器通帶響應(yīng)曲線

圖5 晶體濾波器實際指標(biāo)

該產(chǎn)品經(jīng)過高低溫貯存、隨機(jī)振動、溫度沖擊、密封和沖擊等試驗考核均滿足要求，交付用戶在整機(jī)上也進(jìn)行了相應(yīng)的考核試驗，全部通過，可靠性得到充分驗證。表3為產(chǎn)品的實際指標(biāo)。

表3 產(chǎn)品實際指標(biāo)

3 結(jié)束語

該晶體濾波器采用高機(jī)電耦合系數(shù)的晶體材料，通過離子刻蝕工藝加工出高基頻晶體諧振器，能顯著提升晶體濾波器的工作頻率，增加濾波器的帶寬，提高了高基頻晶體濾波器的可靠性，發(fā)揮出了晶體濾波器高溫度穩(wěn)定性、低插入損耗和高阻帶抑制的優(yōu)勢。

如果能通過離子刻蝕加工出微米甚至納米量級的單晶石英或鉭酸鋰晶體薄膜，將頻率提升到2 GHz以上，就能制作出具有大帶寬和良好溫度系數(shù)的單晶薄膜體聲波諧振器，這將擴(kuò)展晶體濾波器的應(yīng)用范圍，在未來的5G通信、制導(dǎo)領(lǐng)域會有更廣闊的應(yīng)用前景[7]。