基于128°YX-LiNbO3壓電材料的DMS濾波器設(shè)計(jì)

譚紀(jì)偉, 王 方，周楊春，滕洪菠，王華東，王 巍

(重慶郵電大學(xué) 光電學(xué)院/國(guó)際半導(dǎo)體學(xué)院, 重慶 400065)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器大量應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信領(lǐng)域中，具有體積小，穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)及選擇性高等特點(diǎn)[1-2]。

SAW濾波器主要有梯形SAW濾波器(Ladder SAW)和雙模耦合聲表面波(DMS)濾波器。其中DMS濾波器因其帶外抑制較高和體積比較小的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于雙工器和濾波器設(shè)計(jì)中。采用128°YX-LiNbO3作為壓電基底材料設(shè)計(jì)DMS濾波器會(huì)在其低端近阻帶附近出現(xiàn)一個(gè)肩峰[3-4]，與傳統(tǒng)DMS濾波器相比，其肩峰出現(xiàn)在高端近阻帶，其原因是128°YX-LiNbO3壓電襯底的水平剪切(SH)模式與主共振模式相互耦合，在通帶左端出現(xiàn)雜散干擾，使其出現(xiàn)肩峰，從而影響矩形系數(shù)[5]。為了改善DMS濾波器的低端近阻帶抑制，將其與溫度補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合，采用覆蓋SiO2薄膜的方式，降低DMS濾波器的耦合系數(shù)[6]，以降低SH模式的強(qiáng)度，從而改善低端近阻帶抑制問(wèn)題，使DMS濾波器的肩峰由低端近阻帶回到高端近阻帶附近，最后采用串聯(lián)聲表面波陷波器的方法改善肩峰問(wèn)題。

1 理論分析

圖1為DMS濾波器結(jié)構(gòu)。圖中，w為濾波器孔徑，re為反射柵的對(duì)數(shù)，lg為反射柵與輸出叉指換能器(IDT)之間的間距，ls為輸入叉指換能器與輸出叉指換能器之間的間距。其導(dǎo)納矩陣為

圖1 DMS結(jié)構(gòu)

(1)

式中：I為濾波器對(duì)外的電流；U為濾波器對(duì)外的電壓；Y為濾波器的導(dǎo)納。

根據(jù)式(1)可推導(dǎo)出濾波器的頻響[7]為

(2)

插入損耗(IL)為

IL=-20lg|S12|=

(3)

式中：Gin為源導(dǎo)納；Gout為負(fù)載導(dǎo)納。

36°YX-LiTaO3壓電材料的中心頻率為868.9 MHz，輸入叉指換能器(IDT)對(duì)數(shù)為24.5，輸出IDT對(duì)數(shù)為15.5，孔徑為34λ(λ為波長(zhǎng))，反射柵為20對(duì)，膜厚h=0.019λ，其頻響曲線如圖2所示。圖中，S21為插入損耗。

圖2 基于36°YX-LiTaO3的DMS濾波器頻響曲線

由圖2可看出，DMS濾波器在其高端近阻帶附近有一個(gè)肩峰，影響了其矩形系數(shù)。常規(guī)方式是采用串聯(lián)SAW陷波器特定的陷波性能，將肩峰抵消。圖3為采用128°YX-LiNbO3設(shè)計(jì)的DMS濾波器頻響曲線。

圖3 基于128°YX-LiNbO3的DMS濾波器頻響

由圖3可看出，采用128°YX-LiNbO3設(shè)計(jì)DMS濾波器時(shí)，其肩峰出現(xiàn)在通帶左端，這是由于SH模式的雜波與主共振相互耦合致使低端近阻帶附近的雜散效應(yīng)較嚴(yán)重導(dǎo)致。

2 濾波器設(shè)計(jì)

本文提出覆蓋SiO2薄膜用以解決128°YX-LiNbO3設(shè)計(jì)DMS濾波器時(shí)在其低端近阻帶出現(xiàn)肩峰問(wèn)題。利用SiO2薄膜和壓電襯底形成溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低濾波器的耦合度，這將降低濾波器的帶寬，所以需要權(quán)衡SiO2厚度與帶寬的關(guān)系。圖4為所采用濾波器結(jié)構(gòu)的二維模型示意圖。圖5、6分別為采用SiO2薄膜前后的DMS濾波器頻響曲線。圖中，S11為端口1的反射系數(shù)(回波損耗)。

圖5 采用SiO2薄膜前的DMS濾波器頻響曲線

圖6 采用SiO2薄膜的DMS濾波器頻響曲線

由圖5、6可看出，與未采用SiO2薄膜相比，采用SiO2薄膜后，DMS濾波器SH模式變小。SH模對(duì)DMS濾波器的影響被SiO2薄膜結(jié)構(gòu)減小。圖7為采用SiO2薄膜后的DMS濾波器頻響曲線。

圖7 采用SiO2薄膜后DMS濾波器頻響曲線

由圖7可看出，在采用SiO2薄膜后，位于低端近阻帶附近的肩峰基本消除，同時(shí)整個(gè)濾波器的肩峰回到高端近阻帶附近，方便后續(xù)采用陷波器降低這部分的缺陷。這里DMS濾波器的1 dB帶寬呈增大的趨勢(shì)，其原因是未采用SiO2薄膜設(shè)計(jì)DMS濾波器時(shí)，其通帶左端凹陷下去，致使可用1 dB帶寬僅21.9 MHz。采用SiO2薄膜覆蓋，其1 dB帶寬為34 MHz。如果補(bǔ)充圖3中的缺陷，其1 dB帶寬為38 MHz，因此,本質(zhì)上覆蓋SiO2薄膜可降低濾波器的耦合度，降低濾波器帶寬。圖8為SAW陷波器的結(jié)構(gòu)，也是一個(gè)單端對(duì)諧振器。SAW陷波器結(jié)構(gòu)的陷波特性如圖9所示。

圖8 SAW陷波器結(jié)構(gòu)

圖9 SAW陷波器陷波特性

由圖9可看出，SAW陷波器對(duì)既定頻率范圍有很高的抑制度，同時(shí)其特定頻率外整體插入損耗較小,因此不會(huì)對(duì)DMS濾波器的損耗造成很大影響。圖10為SAW陷波器與DMS濾波器串聯(lián)結(jié)構(gòu)。圖11為SAW陷波器與DMS濾波器串聯(lián)的頻響。

圖10 串聯(lián)SAW陷波器結(jié)構(gòu)

圖11 串聯(lián)SAW陷波器頻響曲線

由圖11可看出，采用SAW陷波器串聯(lián)DMS濾波器的結(jié)構(gòu)，可使DMS濾波器的高端近阻帶抑制降低，其肩峰從-18.8 dB下降到-33.1 dB，降低了約14.3 dB。

3 DMS濾波器整體性能分析

本文采用叉指電極上面覆蓋SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款DMS濾波器。其中，輸入、輸出電極周期為4.3 μm(波長(zhǎng)λ=4.3 μm)，反射柵周期為2.15 μm，輸入、輸出叉指對(duì)數(shù)分別為28.5對(duì)、26.5對(duì)，輸入、輸出電極間距為0.005λ，銅電極厚度為0.019λ，輸出和反射柵的間距為0.30λ，反射柵數(shù)目為35對(duì)，孔徑為34λ，輸入、輸出電極指寬為0.24λ。圖12為單級(jí)DMS的頻響曲線。

圖12 單級(jí)DMS的頻響曲線

該單級(jí)DMS濾波器的中心頻率為891.0 MHz，最小插入損耗為-1.29 dB，1 dB帶寬為34.0 MHz，單級(jí)DMS濾波器的帶外抑制約為-20 dB，相對(duì)帶寬為3.8%。將本文所設(shè)計(jì)的單級(jí)DMS濾波器與部分文獻(xiàn)的性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表1 本文所設(shè)計(jì)的單級(jí)DMS濾波器與部分文獻(xiàn)的性能參數(shù)對(duì)比

由表1可看出，與文獻(xiàn)[8]、[9] 相比，本文所設(shè)計(jì)DMS結(jié)構(gòu)濾波器的插入損耗分別降低了0.41 dB和0.61 dB，帶外抑制達(dá)到平均水平，但相對(duì)帶寬較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)128°YX-LiNbO3作為壓電材料設(shè)計(jì)的DMS濾波器在其低端近阻帶附近出現(xiàn)肩峰的問(wèn)題，提出將SiO2薄膜覆蓋在DMS濾波器表面，利用SiO2降低128°YX-LiNbO3與叉指電極的耦合度，從而降低SH模式對(duì)DMS濾波器的干擾，以改善DMS濾波器的低端近阻帶抑制。利用聲表面波陷波器對(duì)特定頻率的高抑制特性，抵消DMS濾波器高端近阻帶附近的肩峰。仿真結(jié)果表明，采用該方法基于128°YX-LiNbO3材料所設(shè)計(jì)的DMS濾波器可基本消除肩峰。