自適應(yīng)抽指加權(quán)技術(shù)

陳曉陽(yáng)，王永安，孟騰飛，曹 玉(1.北京無(wú)線(xiàn)電測(cè)量研究所,北京 100854；.北京航天微電科技有限公司,北京 100854)

0 引言

常規(guī)損耗的聲表面波(SAW)橫向?yàn)V波器由一對(duì)輸入輸出叉指換能器(IDT)組成，為了改善濾波器性能，通常對(duì)IDT進(jìn)行幅度加權(quán)。最常用的幅度加權(quán)是切趾加權(quán)，切趾加權(quán)會(huì)產(chǎn)生較多的小指條，小指條會(huì)引起末端效應(yīng)和衍射效應(yīng)，導(dǎo)致濾波器的通帶波動(dòng)變大，帶外抑制變差等。

為了減小IDT中小指條的影響，對(duì)SAW橫向?yàn)V波器中的一個(gè)切趾IDT進(jìn)行抽指加權(quán)。傳統(tǒng)抽指加權(quán)設(shè)計(jì)[1]的帶外抑制較差，且多用于相對(duì)帶寬范圍較窄的SAW濾波器設(shè)計(jì)中。為了保證濾波器的帶外抑制，另一個(gè)IDT仍保留切趾加權(quán)結(jié)構(gòu)，小指條的影響無(wú)法完全避免。本文介紹了一種自適應(yīng)抽指加權(quán)技術(shù)，在切趾加權(quán)IDT中進(jìn)行小指條的抽指加權(quán)，能有效改善SAW濾波器的性能，擴(kuò)大抽指加權(quán)的應(yīng)用范圍。

本文提供了自適應(yīng)抽指加權(quán)技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方法，采用此方法設(shè)計(jì)并制作了一種小波動(dòng)、高帶外抑制的SAW器件。

1 基本原理

1.1 IDT的切趾加權(quán)設(shè)計(jì)

濾波器的頻率響應(yīng)與時(shí)域響應(yīng)互為傅里葉變換關(guān)系，而時(shí)域響應(yīng)與IDT形狀是對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了在有限長(zhǎng)的IDT上實(shí)現(xiàn)時(shí)域響應(yīng)，首先需要將無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)域響應(yīng)做截?cái)嗵幚怼３Ｓ玫囊环N截?cái)嗵幚矸椒ㄊ怯么翱诤瘮?shù)截?cái)酂o(wú)限長(zhǎng)的時(shí)域信號(hào)，IDT中指條陣列對(duì)應(yīng)有限長(zhǎng)的時(shí)域響應(yīng)在不同時(shí)間點(diǎn)上的抽樣。IDT的周期長(zhǎng)度為時(shí)域信號(hào)波長(zhǎng)，叉指陣列的指條長(zhǎng)度為時(shí)域脈沖信號(hào)幅度。截?cái)嗖捎脛P塞爾函數(shù)及海明函數(shù)[2]等窗口函數(shù)。圖1為切趾加權(quán)IDT的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 切趾加權(quán)IDT的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 確定自適應(yīng)抽指加權(quán)的起始位置

切趾加權(quán)的IDT中存在很多小指條，小指條引起末端效應(yīng)和衍射效應(yīng)，導(dǎo)致濾波器的通帶波動(dòng)變大，帶外抑制變差等。為了克服這些缺點(diǎn)，需要將小指條進(jìn)行抽指加權(quán)，轉(zhuǎn)化為等長(zhǎng)度的指條陣列。傳統(tǒng)的抽指加權(quán)起始指從IDT的中心第1根指條開(kāi)始，對(duì)IDT的所有指條進(jìn)行等效計(jì)算，用多根同極性抽指指條等效逼近多根切趾加權(quán)小指條的加權(quán)效果。

自適應(yīng)抽指加權(quán)是設(shè)置抽指加權(quán)的激活條件，當(dāng)IDT存在連續(xù)x(x=3或x=5) 根指條的長(zhǎng)度小于2倍SAW的波長(zhǎng)(可以設(shè)定自適應(yīng)抽指加權(quán)的激活條件)，達(dá)到衍射條件時(shí)，激活自適應(yīng)抽指加權(quán)，確定自適應(yīng)抽指加權(quán)的起始指條。即從第m根指條開(kāi)始，連續(xù)多根指條的加權(quán)數(shù)值|h(m)|≤L(L為觸發(fā)值，設(shè)置L=2/(kj)，kj為歸一化孔徑)時(shí)，達(dá)到自適應(yīng)抽指加權(quán)的觸發(fā)條件，開(kāi)始對(duì)切趾IDT的部分小長(zhǎng)度指條進(jìn)行自適應(yīng)抽指加權(quán)，即：

(1)

如果切趾IDT的包絡(luò)較少，所有指條長(zhǎng)度都較大，不存在連續(xù)多根指條的長(zhǎng)度小于觸發(fā)長(zhǎng)度，也可以人為設(shè)定自適應(yīng)抽指加權(quán)的起始指條，如m=n/2或m=(n+1)/2(其中n為切趾IDT總的指條數(shù))。

1.3 計(jì)算自適應(yīng)抽指加權(quán)的指條長(zhǎng)度值W

傳統(tǒng)的抽指加權(quán)設(shè)計(jì)指條長(zhǎng)度等于孔徑，加權(quán)數(shù)值為1。自適應(yīng)抽指加權(quán)主要是對(duì)切趾IDT中的小指條進(jìn)行抽指加權(quán)計(jì)算，進(jìn)行抽指計(jì)算的切趾指條長(zhǎng)度小于孔徑寬度，抽指加權(quán)的加權(quán)數(shù)值W需要重新設(shè)置。

1) 計(jì)算抽指加權(quán)的切趾指條平均長(zhǎng)度：

(2)

若計(jì)算得到的加權(quán)指條長(zhǎng)度合適，則以進(jìn)行抽指加權(quán)的切趾指條的平均長(zhǎng)度作為抽指加權(quán)的設(shè)定長(zhǎng)度。

2) 計(jì)算得到的抽指加權(quán)數(shù)值過(guò)小(W≤2/kj)時(shí)，可以人為設(shè)置自適應(yīng)抽指加權(quán)的指條長(zhǎng)度：

(3)

式中M為自適應(yīng)抽指加權(quán)設(shè)置的指條長(zhǎng)度與聲表面波波長(zhǎng)的比值。為了避免衍射效應(yīng)，M值不宜太小，可取5～8。

1.4 自適應(yīng)抽指加權(quán)計(jì)算

確定自適應(yīng)抽指加權(quán)的起始位置和加權(quán)數(shù)值后，以自適應(yīng)抽指加權(quán)的起始指起，按照脈沖響應(yīng)模型，在中心頻率(f0)點(diǎn)將自適應(yīng)抽指加權(quán)脈沖Wi的幅度和群時(shí)延與切趾加權(quán)脈沖h(i)等效，等效的條件與傳統(tǒng)的抽指加權(quán)相同。

兩組脈沖的幅度等效為

(4)

兩組脈沖的群延時(shí)等效為

(5)

Wi取值只能為±W，自適應(yīng)抽指加權(quán)主要是計(jì)算選取Wi的數(shù)值，在滿(mǎn)足式(4)、(5)的條件下，使兩組脈沖的差異值盡量小。用參量D表示兩組脈沖的近似程度 ,令：

(6)

設(shè)：

(7)

給定誤差值ε1、ε2，一般取ε1=0.5，ε2=5。根據(jù)U、V與ε1、ε2的數(shù)值關(guān)系，選擇Wi+1取值W或-W。編制計(jì)算程序[3]，完成所有自適應(yīng)抽指指條的數(shù)值和極性運(yùn)算。

采用自適應(yīng)抽指加權(quán)方法，根據(jù)指條位置和數(shù)值切趾加權(quán)函數(shù)可進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算，對(duì)切趾換能器的小指條進(jìn)行等指長(zhǎng)逼近，能有效地減小換能器的末端效應(yīng)和衍射效應(yīng)。同時(shí)，在切趾換能器上仍能進(jìn)行衍射補(bǔ)償設(shè)計(jì)，在較大相對(duì)帶寬和較高的矩形度下，較傳統(tǒng)的抽指加權(quán)有更大的適用范圍。

基于自適應(yīng)抽指加權(quán)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一款頻率為61.60 MHz，-1 dB帶寬2.28 MHz、-3 dB帶寬2.51 MHz、-40 dB帶寬3.52 MHz的SAW濾波器，仿真頻響曲線(xiàn)如圖2所示。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

在112° LiTaO3基片上，采用傳統(tǒng)的抽指加權(quán)和自適應(yīng)抽指加權(quán)分別設(shè)計(jì)制作了兩種器件，圖3為切趾+抽指結(jié)構(gòu)的濾波器測(cè)試曲線(xiàn)。圖4為自適應(yīng)抽指+抽指結(jié)構(gòu)的濾波器測(cè)試曲線(xiàn)。

圖3 切趾+抽指結(jié)構(gòu)的濾波器測(cè)試曲線(xiàn)

圖4 自適應(yīng)抽指+抽指結(jié)構(gòu)的濾波器測(cè)試曲線(xiàn)

對(duì)比圖3、4可知，采用自適應(yīng)抽指加權(quán)方法后，濾波器的通帶波動(dòng)由0.9 dB改善到0.5 dB，帶外抑制由41 dB提高到約46 dB,矩形度(B-40/B-3)均約為1.4，濾波器的性能有較大改善。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)切趾換能器的小指長(zhǎng)指條進(jìn)行自適應(yīng)抽指加權(quán)設(shè)計(jì)，能改善SAW濾波器的通帶波動(dòng)和帶外抑制，該方法能有效擴(kuò)展抽指加權(quán)的適用范圍。根據(jù)自適應(yīng)抽指加權(quán)技術(shù)編制的程序, 對(duì)于1 dB相對(duì)帶寬0.5%～8%，矩形度(B-40/B-3)≥1.7的SAW濾波器，有較好的適用性。若相對(duì)帶寬小于5%，則可以擴(kuò)展用于矩形度1.5以?xún)?nèi)的SAW濾波器設(shè)計(jì)。