基于LiTaO3基片寬帶聲表面波濾波器設(shè)計(jì)方法

張 華,齊夢(mèng)珂,潘虹芝,李孟輝,程一民,牟笑靜,陳建軍,曹 亮

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060；2.重慶大學(xué) 新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器因尺寸小和性能優(yōu)異而被廣泛應(yīng)用于通訊設(shè)備和移動(dòng)終端中。對(duì)于射頻低損耗SAW濾波器，其帶寬受限于壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)K2，如何實(shí)現(xiàn)相對(duì)帶寬8%～20%是目前SAW濾波器的研究熱點(diǎn)。常用的LiNbO3基片溫度系數(shù)較高，在采用低切角Y0°～15°-XLiNbO3的基片時(shí)，存在雜散抑制難的問(wèn)題[1-4]。基于Y42°～50°-XLiTaO3基片實(shí)現(xiàn)寬帶濾波器有其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 增加外圍電感提高阻抗元SAW濾波器寬帶

壓電聲學(xué)換能器，如SAWR、BAWR具有高品質(zhì)因數(shù)(Q)值諧振阻抗單元特性，利用該阻抗單元的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的帶通濾波器如圖1所示。一般情況下，濾波器的帶寬主要由諧振器的諧振頻率fr和反諧振頻率fa的間隔決定。提高阻抗元濾波器的帶寬而不增加濾波器的損耗，其常用方法是在并聯(lián)臂諧振器上串聯(lián)或并聯(lián)一個(gè)電感，以此調(diào)整諧振頻率fr和反諧振頻率fa的間隔。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于可在外殼內(nèi)設(shè)計(jì)所需的微帶電感，無(wú)須增加濾波器的體積和損耗。

圖1 阻抗元濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及合成原理

諧振器的fr和fa分別為

(1)

(2)

式中：fr1為初始諧振點(diǎn)頻率；fa1為初始反諧振點(diǎn)頻率；Lm為動(dòng)生電感；Cm為動(dòng)生電容；C0為靜態(tài)電容。

圖2 SAW諧振器串聯(lián)電感以增加諧振和反諧振距離

如圖2所示，在諧振器上串聯(lián)一個(gè)電感Ls，其fr將向低端移動(dòng)，fa不變，這不僅會(huì)增加帶寬，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的串聯(lián)諧振fr2。如果阻抗元濾波器并聯(lián)臂上串聯(lián)一個(gè)電感Ls，則高端頻率fr2處的帶外抑制會(huì)得到改善[5]。

(3)

如圖3所示，在諧振器上并聯(lián)一個(gè)電感Lp，其fr位置不動(dòng)，fa向高端移動(dòng)，這不僅會(huì)增加帶寬，同時(shí)也會(huì)在高端產(chǎn)生一個(gè)新的并聯(lián)諧振fa2。如果阻抗元濾波器并聯(lián)臂上并聯(lián)一個(gè)電感Lp，則低端fa2處帶外抑制將有一定惡化。

(4)

圖3 SAW諧振器并聯(lián)電感以增加諧振和反諧振距離

所設(shè)計(jì)Band 41全帶寬濾波器的中心頻率為2 595 MHz，通帶寬度大于200 MHz，3 dB相對(duì)帶寬大于9%，遠(yuǎn)超Y42°-XLT壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)，因此，采用在阻抗元濾波器單元的輸入端、輸出端和中間級(jí)聯(lián)端各并聯(lián)一個(gè)電感，以此增加諧振單元諧振頻率和反諧振頻率間隔，從而提高濾波器帶寬。圖4是實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖5是實(shí)際制作的濾波器測(cè)試頻率響應(yīng)曲線。

圖4 Band 41全帶寬濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖5 Band 41實(shí)際測(cè)試曲線

2 利用MMS提高縱向耦合濾波器帶寬

圖6是SAW縱向耦合諧振濾波器2-IDT結(jié)構(gòu)，以及基本的對(duì)稱和反對(duì)稱諧振頻率的位置分布，其要求對(duì)稱模式的導(dǎo)納Ye的極點(diǎn)與反對(duì)稱模式的導(dǎo)納Yo的零點(diǎn)重合。不同諧振模式的頻率構(gòu)成了該濾波器的通帶，諧振頻率處的Q值決定了濾波器的通帶損耗和波紋。

圖6 SAW縱向耦合諧振濾波器結(jié)構(gòu)及諧振頻率位置

由圖6可以看出，若要提高縱向耦合諧振濾波器的帶寬，則需在更寬的頻帶耦合出更多的諧振模式(Multi-Mode SAW, MMS)，同時(shí)要保證總的諧振頻率差更大。在多模諧振濾波器中如何耦合出更多的諧振模式是值得研究的問(wèn)題。

圖7的2-IDT縱向耦合諧振濾波器結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了原來(lái)的兩種諧振模式經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)整后產(chǎn)生了第3種諧振模式，并以此合成了濾波器更寬的通帶。其中兩種模式在反射柵之間共振(見(jiàn)圖7(a))，頻率的位置和間隔對(duì)應(yīng)圖7(c)的兩條黑實(shí)線，其值主要由IDT長(zhǎng)度LI和IDT間隙LT進(jìn)行調(diào)節(jié)。第3種模式在IDT之間產(chǎn)生諧振(見(jiàn)圖7(b))，由于IDT在其諧振時(shí)充當(dāng)反射柵，故諧振頻率的位置對(duì)應(yīng)圖7(c)的紅虛線，其值幾乎不受LI影響，而主要由LT確定。為了設(shè)計(jì)3種諧振模式，合理選擇各電極周期、間距和電極厚度h非常重要[6]。

為了增加縱向耦合濾波器帶寬，一般從以下幾方面進(jìn)行考慮：

1) 增加IDT個(gè)數(shù)，從而增加更多的諧振模式。

2) 降低IDT內(nèi)反射，使MMS諧振頻率在IDT禁帶之外。

3) 使用更有效的寬帶IDT，例如采用變周期色散換能器或使用機(jī)電耦合系數(shù)更大的壓電基片。

圖7 MMS縱向耦合諧振濾波器結(jié)構(gòu)及諧振模式分布

近年來(lái)，隨著壓電薄膜材料加工工藝的發(fā)展，在絕緣高阻襯底材料(如高阻硅、藍(lán)寶石、石英、SiC)上通過(guò)異質(zhì)鍵合工藝加工1 μm以下厚度的壓電薄膜(POI)基片的工藝逐漸成熟。由于POI基材具有較大的機(jī)電耦合系數(shù)、較低的溫度系數(shù)及良好的散熱特性，因此，基于POI基片開(kāi)發(fā)的SAW濾波器電性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或優(yōu)于FBAR濾波器性能。

為了充分發(fā)揮POI基片的優(yōu)良特性，實(shí)現(xiàn)寬帶低溫度系數(shù)的濾波器，本文基于Y42°-XLiTaO3POI基片，采用IEF和CRF混合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款中心頻率785 MHz，3 dB帶寬65 MHz，相對(duì)帶寬8.2%，通帶60 MHz內(nèi)損耗1.5 dB的寬帶低損耗濾波器。CRF結(jié)構(gòu)包括9個(gè)IDT。圖8(a)是不考慮外部電磁EM匹配的有限元仿真的濾波器頻率響應(yīng)。由圖可見(jiàn)，通帶由多個(gè)諧振模式構(gòu)成，產(chǎn)生了6個(gè)以上的多模式諧振，構(gòu)成了超寬帶SAW濾波器通帶。圖8(b)是考慮版圖和外殼EM影響，加了外圍匹配后的頻率響應(yīng)，實(shí)際測(cè)試濾波器的溫度系數(shù)小于20×10-6/℃。具體性能參數(shù)如表1所示。表中NR為反射柵根數(shù)，PR為反射柵節(jié)距，NIDT為IDT根數(shù)，PIDT為叉指換能器節(jié)距。

表1 濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 POI寬帶濾波器頻率響應(yīng)

3 利用雙通道合成實(shí)現(xiàn)寬帶SAW濾波器

利用多通道SAW濾波器電學(xué)并聯(lián)獲得大帶寬濾波器是中頻傾斜扇形(slant-IDT)濾波器的基本思想。為了避免通帶波紋，要求相鄰?fù)◣Т罱拥念l率響應(yīng)在2個(gè)通帶中是同相的。射頻slant-IDT中，SAW多次反射都無(wú)法保證2個(gè)通道的相位線性和相鄰?fù)◣Т罱拥念l率響應(yīng)同相，因此，slant-IDT結(jié)構(gòu)不能用于寬帶射頻低損耗濾波器設(shè)計(jì)中。

Hao Xue等[7]將2個(gè)CRF濾波器并聯(lián)，在Y42°-XLiTaO3上實(shí)現(xiàn)了8.27%的寬帶濾波器。作者通過(guò)設(shè)計(jì)2個(gè)通帶濾波器并聯(lián)，仔細(xì)調(diào)整相鄰?fù)◣Т罱拥念l率S21響應(yīng)同相，實(shí)現(xiàn)了更大帶寬的濾波器。圖9是本設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。圖10(a)是合成的濾波器響應(yīng)及2個(gè)通道的濾波器頻率響應(yīng)。圖10(b)是實(shí)際測(cè)試匹配的響應(yīng)曲線，其中心頻率790 MHz，3 dB帶寬72 MHz, 相對(duì)帶寬9.1%，損耗1.7 dB。此外，Yang等[8]基于42°Y-LTOI襯底以及1.8 μm電極設(shè)計(jì)周期制備出機(jī)電耦合系數(shù)為10.8 %的壓電諧振器，這種新型的壓電薄膜異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)有望成為新一代大帶寬濾波器的解決方案。

圖9 合成濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

圖10 雙通道合成寬帶濾波器響應(yīng)曲線

上述濾波器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了3種增加聲表面波濾波器帶寬的方法。基于鉭酸鋰基片實(shí)現(xiàn)了帶寬大于8%的低損耗SAW濾波器，其包括外部電路調(diào)制阻抗元濾波器，多模諧振縱向耦合濾波器和多通道并聯(lián)濾波器?；赑OI的LN或者LT壓電薄膜具有更大的機(jī)電耦合系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)比LT基片更大帶寬的SAW濾波器，這是今后研究的方向，但目前POI的LN及LT壓電薄膜制作難度還較大。