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        級聯(lián)型聲表面橫波濾波器

        2019-12-17 07:07:50衛(wèi),王嵐,黎
        壓電與聲光 2019年6期
        關(guān)鍵詞:基片駐波橫波

        周 衛(wèi),王 嵐,黎 亮

        (中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

        0 引言

        弱壓電石英基片具有一階溫度系數(shù)為0的頻率溫度特性,適合制作高頻窄帶濾波器。在AT-36°石英基片旋轉(zhuǎn)90°傳播方向上,采用使掠面體波(SSBW)被鉗制到表面?zhèn)鞑サ哪J郊盥暠砻娌?SAW),被稱為表面橫波(STW)??杉畛龈哌_(dá)5 070 m/s的聲速,適合制作高頻器件。

        通常在石英基片上激勵的SAW模式,有雙模耦合濾波器(DMS)、橫向耦合模式濾波器(TCF)、耦合諧振濾波器(CRF)及STW。在這些壓電石英基片上激勵的聲波模式中,只有STW模式是采用使SSBW被鉗制到表面?zhèn)鞑サ哪J郊畹腟AW,即STW模式是將改變原本潛入晶片體內(nèi)傳播的SSBW,使其沿著晶片表面?zhèn)鞑?,且改變了傳播方向的STW的聲速,是在壓電石英基片上的傳播速度為SSBW的聲速,即為高的聲速,為瑞利型SAW聲傳播速度的1.6倍,達(dá)到5 070 m/s,這樣高的聲速,更適合制作高頻率濾波器。

        本文描述了在壓電石英基片上新研制出的聲表面橫波濾波器,頻率為1 219.4 MHz,單只濾波器的損耗約為4.5 dB,2只串聯(lián)損耗為9.38 dB,-1 dB帶寬為0.743 MHz,在其通帶波紋小于1 dB,在-100~+100 kHz時的群延時波動小于100 ns,輸入、輸出端駐波小于2。

        1 設(shè)計原理

        STW濾波器的結(jié)構(gòu)特點是由向基片內(nèi)部傳播的SSBW[1],采用在兩叉指換能器之間,加入短路柵的結(jié)構(gòu),使SSBW被鉗制到基片表面?zhèn)鞑ィ粫钊牖瑑?nèi)[2-3]。

        本設(shè)計為2只聲表面橫波濾波器的級聯(lián),一方面要求2個單只濾波器的頻率非常準(zhǔn)確,且單只STW濾波器的損耗和帶寬等性能,需要合理設(shè)計,既要兼顧帶寬要求,又要考慮群延時波動小的特點;另一方面,由于是低損耗濾波器,因此,為了增加聲表面橫波的傳播,減少傳播損耗,需選擇合適的中間短路柵指條數(shù),以便增加聲波傳播的耦合,減少傳波損耗,降低器件的插入損耗[4-5]。

        本文設(shè)計濾波器的L波段極窄帶濾波器,為帶寬低損耗聲表面橫波濾波器,中間短路柵的指條數(shù)取25條,換能器指條數(shù)為85λ(其中λ為聲表面橫波波長),反射器指條數(shù)為350條[7]。在壓電石英基片上激勵的各種SAW聲速如表1所示。

        表1 壓電石英基片上激勵的聲波的特性參數(shù)

        本文研制的L波段聲表面橫波濾波器(STWF)的具體設(shè)計參數(shù)如表2所示。

        表2 設(shè)計參數(shù)

        2 結(jié)果及分析

        本設(shè)計的STWF測試時需加外匹配電感,其匹配電路如圖1所示,匹配電路相對較簡單,僅在輸入、輸出端各并聯(lián)一只6.8 nH的電感。

        圖1 匹配電路

        圖2為1#STWF外加匹配時的測試圖。由圖2 (a)可看出, 1#聲表面橫波濾波器的損耗為4.43 dB,-1 dB帶寬為785 kHz,在-1 dB帶寬中心頻率-100~100 kHz的群延時波動小于50 ns,輸入、輸出駐波小于1.5。由圖2(b)可知,-3 dB帶寬為1.206 MHz,偏離峰值-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于30 dB。

        圖2 1#濾波器帶匹配時頻率幅度、群延時、駐波等參數(shù)測試圖

        圖3為2#STWF外加匹配時的測試圖。由圖3(a)可得2#聲表面橫波濾波器的損耗為4.51 dB,-1 dB帶寬為790 kHz,在-1 dB帶寬中心頻率-0.1~0.1 MHz的群延時波動小于50 ns,輸入、輸出駐波小于1.5。由圖3(b)所示,-3 dB帶寬為1.21 MHz,偏離峰值-4 MHz和4 MHz處的抑制大于30 dB。

        圖3 2#濾波器帶匹配時頻率幅度、群延時、駐波等參數(shù)測試圖

        圖4為1#和2#濾波器級聯(lián)后的-1 dB、-3 dB及-40 dB帶寬等參數(shù)測試圖。級聯(lián)后濾波器損耗為9.38 dB,-1 dB帶寬為0.743 MHz(見圖4(a))。由圖4(b)、(c)可看出, -3 dB帶寬為1.06 MHz, -40 dB帶寬為2.94 MHz。由圖4可知,級聯(lián)后濾波器的帶外抑制大幅度提高,在-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于60 dB。

        圖4 1#、2#濾波器級聯(lián)的-1 dB、-3 dB、-40 dB帶寬等參數(shù)測試圖

        圖5為1#、2#濾波器級聯(lián)后的頻率幅度、群延時、駐波測試圖。由圖可知,在-1 dB帶寬中心頻率-0.1~0.1 MHz時群延時波動小于50 ns;輸入端駐波小于1.7;輸出端駐波小于1.8。

        圖5 1#、2#濾波器級聯(lián)后的頻率幅度、群延時、輸入、輸出駐波測試圖

        3 討論

        在AT-36°石英基片上可激勵出高達(dá)5 070 m/s的聲速,適合制作高頻濾波器。本文研制的是2只聲表面橫波濾波器級聯(lián)后的特點。對比單只濾波器和2只級聯(lián)后濾波器的特點[8]可知,單只濾波器的損耗、群延時波動、駐波等性能,均優(yōu)于2只濾波器級聯(lián)后的性能,但2只濾波器級聯(lián)后的帶外抑制,遠(yuǎn)高于單只濾波器。單只濾波器的帶寬(如-1 dB帶寬),比級聯(lián)后的濾波器的帶寬寬,即級聯(lián)后的帶外抑制幾乎是2只單濾波器的疊加,但其損耗也是2只單濾波器的疊加。而級聯(lián)后濾波器的群延時波動并非2只單個濾波器的群延時波動的疊加,而是小于2只單個濾波器群延時波動的疊加。因此,在應(yīng)用時需要依據(jù)具體應(yīng)用要求,如損耗可在應(yīng)用后用其他方式得以補(bǔ)償,且?guī)庖种票仨氁蠛芨摺?/p>

        無論是2只濾波器級聯(lián)應(yīng)用,還是單只器件應(yīng)用,本文設(shè)計的聲表面橫波濾波器的駐波均小于2,便于在整機(jī)中應(yīng)用。

        4 結(jié)束語

        現(xiàn)代通訊技術(shù)向更高頻率、更小體積方向發(fā)展,因此,研究和應(yīng)用高聲速器件,是當(dāng)今的重要科技技術(shù)的重要突破,如體聲波(BAW)的西薩瓦波,其聲波傳播速度可達(dá)8 000 m/s,在高頻延遲線方向得以應(yīng)用。而采用諧振腔型的薄膜體聲波(FBAR)結(jié)構(gòu)的濾波器,其研制出的器件頻率已達(dá)29 GHz,但由于基片原因,其頻率隨溫度變化率相對于溫度系數(shù)為0的石英基片上的聲表面橫波濾波器要大,因此,F(xiàn)BAR濾波器不適合做極窄帶濾波器。

        基于石英基片的STW濾波器具有高達(dá)5 070 m/s的聲傳播速度,適合制作高頻濾波器,如L波段、S波段。目前研制出的聲表面橫波濾波器的帶寬窄,對于信號近端抑制需求的系統(tǒng),本研制的聲表面橫波濾波器可滿足指標(biāo)要求,但對于信號帶寬寬一些的系統(tǒng)應(yīng)用,或要求更寬溫度范圍的使用,本研制的聲表面橫波濾波器的應(yīng)用都會受限,特別是因為通帶帶寬的制約,對制作的精度要求很高,這就限制了產(chǎn)品的合格率,在現(xiàn)今聲表面波濾波器競爭激烈的市場中受限,無論是成本、產(chǎn)品制作周期等因素,都受到影響。因此,聲表面橫波濾波器將會向更寬的帶寬方向和更適合大批量生產(chǎn)的方向發(fā)展,應(yīng)用將更廣泛。

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