陳曉陽，王永安，袁 燕，曹 玉(1.北京無線電測量研究所,北京 100854；.北京航天微電科技有限公司,北京 100854)

0 引言

隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，信道容量和傳輸速率也迅速發(fā)展，因而迫切需要寬帶低損耗濾波器對信號進(jìn)行處理。目前常用的低損耗聲表面波(SAW)濾波器帶寬較窄，難以滿足現(xiàn)代信號技術(shù)的要求，迫切需要寬帶低損耗的SAW濾波器。

本文基于15°YX-LiNbO3壓電基片，采用銅(Cu)電極設(shè)計(jì)了一種-1 dB相對帶寬約13%的SAW濾波器，并取得了較好的效果。

1 基本原理

SAW濾波器能實(shí)現(xiàn)的最大帶寬由壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)決定，制作寬帶器件一般采用機(jī)電耦合系數(shù)較大的LiNbO3材料。常用的41°/64°Y-切LiNbO3材料的漏波機(jī)電耦合系數(shù)分別為17%和11%，設(shè)計(jì)的低損耗濾波器相對帶寬很難大于10%。在傳播過程中，這兩種壓電材料激發(fā)的漏波不斷向基片內(nèi)輻射能量，傳播損耗較大，濾波器很難獲得較小的插入損耗。

在機(jī)電耦合系數(shù)大的LiNbO3壓電材料上采用大膜厚重金屬電極降低聲速，當(dāng)聲速低于慢切變波的速度時(shí)，不再向基片內(nèi)輻射能量，因此可用于制作極低損耗的SAW濾波器,也可在LiNbO3材料上尋找合適的模式和切向，采用重金屬電極，以實(shí)現(xiàn)更大的帶寬。Hashimoto教授等[1]用Cu制作叉指換能器電極，并在15°YX-LiNbO3壓電材料上制作了Love波寬帶低損耗SAW濾波器。Cu具有較高的電導(dǎo)率和密度，價(jià)格合適，適用于制作寬帶濾波器叉指電極的材料。

分別計(jì)算不同切向角下LiNbO3材料制作大膜厚Cu電極的機(jī)電耦合系數(shù)，如圖1所示。由圖可知，切向?yàn)?°～20°時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)從36%降到21%，切向越小，機(jī)電耦合系數(shù)越高。因此，若要設(shè)計(jì)相對帶寬大的濾波器，則需選取切向小的LiNbO3材料。各切向LiNbO3激發(fā)Love波的機(jī)電耦合系數(shù)比漏波的機(jī)電耦合系數(shù)大，可設(shè)計(jì)出相對帶寬較大的SAW濾波器。

圖1 不同切向下LiNbO3的機(jī)電耦合系數(shù)

2 瑞利波和橫向模式抑制

2.1 瑞利波抑制

在LiNbO3材料上制作大膜厚的Cu叉指電極，不僅存在Love波模式，還會(huì)激發(fā)較大強(qiáng)度的瑞利波。不同切向角下LiNbO3諧振器的頻率響應(yīng)如圖2所示。由圖可看出，15°YX-LiNbO3的瑞利波激發(fā)強(qiáng)度最小。

在15°YX-LiNbO3材料上采用不同相對膜厚Cu電極諧振器的頻率響應(yīng)如圖3所示。由圖可看出，在相對膜厚為10%時(shí)，瑞利波激發(fā)的強(qiáng)度最小。因此，在15°YX-LiNbO3材料上采用特定相對膜厚(10%)的Cu電極能有效減小瑞利波的激發(fā)強(qiáng)度。

圖3 15°YX-LiNbO3不同相對膜厚Cu電極下諧振器的頻率響應(yīng)

2.2 橫向模式抑制

在LiNbO3材料上研制超寬帶SAW濾波器，由于采用重金屬電極材料等因素，降低了換能區(qū)域的聲速。由于換能區(qū)域、間隙、假指、匯流條不同區(qū)域的聲速不同，會(huì)存在橫向寄生模式[2]，如圖4所示。

圖4 15°YX-LiNbO3的橫向模式

由圖4可看出，瑞利波會(huì)導(dǎo)致寬帶濾波器通帶內(nèi)存在一個(gè)“尖刺”狀波動(dòng)，而橫向模式導(dǎo)致通帶內(nèi)存在相對較小的“碎波動(dòng)”，進(jìn)而使濾波器存在較大的通帶波動(dòng)。

在石英SAW諧振器中橫向模式廣泛存在，早期為抑制橫向模式，通常采用兩種方法：

1) 減小諧振器孔徑。

2) 諧振器中換能器進(jìn)行切趾加權(quán)。

近年來，也有采用Piston設(shè)計(jì)抑制橫向模式[3]。Piston設(shè)計(jì)是在相鄰的兩根指條末端設(shè)置“Piston區(qū)域”，Piston區(qū)域設(shè)置比換能區(qū)域更大的膜厚，使得Piston區(qū)域的聲速比換能區(qū)域的聲速更低。

單純減小諧振器的孔徑會(huì)引起較大的衍射效應(yīng)，現(xiàn)在大多采用換能器加權(quán)或Piston模式減小橫向模式。

3 器件的設(shè)計(jì)

考慮到插入損耗和阻帶抑制要求，寬帶SAW濾波器采用4串3并(7個(gè)諧振器)的阻抗元結(jié)構(gòu)。串聯(lián)諧振器采用兩種不同諧振器(Zs1和Zs2)設(shè)計(jì)，并聯(lián)諧振器采用相同諧振器(Zp)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 阻抗元濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖

綜上所述，設(shè)置串、并聯(lián)諧振器不同的膜厚[4]，保持每個(gè)諧振器的相對膜厚約為10%，激發(fā)的瑞利波強(qiáng)度都較小，這樣需要進(jìn)行套刻工藝制作不同區(qū)域的金屬電極。

瑞利波的頻率隨膜厚變化較慢，Love波頻率變化較瑞利波頻率變化快。因此，在相同膜厚下，設(shè)計(jì)串、并聯(lián)諧振的瑞利波頻率分別位于高端過渡帶和低端過渡帶的位置，避免了諧振器激發(fā)的瑞利波落在通帶上，引起通帶產(chǎn)生“尖刺”波動(dòng)。如此在相對帶寬有限縮減的同時(shí)，單一膜厚及工藝下濾波器可獲得較小的通帶波動(dòng)。

為了減小工藝難度，采用諧振器中換能器切趾加權(quán)，而不是Piston設(shè)計(jì)來減小濾波器的橫向模式。

換能器的切趾加權(quán)采用正弦(Sin)函數(shù)加權(quán)，采用“條帶法”進(jìn)行諧振器導(dǎo)納計(jì)算。以換能器中間指為基準(zhǔn)，將n根指條的換能器孔徑劃分成m個(gè)條帶，m=(n+1)/2(n為奇數(shù))或m=n/2(n為偶數(shù))，每個(gè)條帶的指根數(shù)為2j-1(j為條帶的位置),如圖6所示。同樣將諧振器兩邊的反射器劃分為相同的m個(gè)條帶，采用“條帶法”可有效計(jì)算出各條帶中換能器和反射器的P矩陣，從而計(jì)算出諧振器各條帶的導(dǎo)納Yj。整個(gè)諧振器的導(dǎo)納Y是各條帶導(dǎo)納的并聯(lián)，即：

(1)

圖6 切趾IDT的條帶劃分示意圖

整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，加權(quán)諧振器的導(dǎo)納計(jì)算是占用時(shí)間最長的步驟。

采用COM模型對器件進(jìn)行仿真，COM參數(shù)根據(jù)無限周期結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納提取。設(shè)置每個(gè)諧振器中換能器的指根數(shù)、孔徑、周期長度和反射器指根數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，共有3種不同的諧振器，12個(gè)變量。采用非線性優(yōu)化算法進(jìn)行濾波器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。設(shè)置設(shè)計(jì)變量的上限和下限、初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值和優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。在目標(biāo)函數(shù)中對損耗、帶寬及帶外抑制等指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，進(jìn)行諧振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，同時(shí)輸出每次優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)隨時(shí)調(diào)用。

采用以上設(shè)計(jì)方法，我們基于Cu電極在15°YX-LiNbO3壓電基片上采用單一膜厚進(jìn)行瑞利波抑制和切趾加權(quán)設(shè)計(jì)，研制了一款頻率為760 MHz、-1 dB帶寬95 MHz、-3 dB帶寬113 MHz、插損0.8 dB的SAW濾波器，抑制瑞利波前后濾波器仿真頻響曲線如圖7所示。

圖7 抑制瑞利波前后濾波器的仿真頻響曲線

由圖7可看出，瑞利波抑制前，濾波器通帶存在1個(gè)4 dB和1個(gè)25 dB的“尖刺”狀波動(dòng)。抑制瑞利波激發(fā)后，“尖刺”狀波動(dòng)消失，通帶特性得到改善。

4 測試結(jié)果與分析

根據(jù)多次優(yōu)化后得到結(jié)構(gòu)參數(shù)。在15°YX- LiNbO3基片上，采用Cu電極材料制作了器件。為了增加Cu和基底間的附著力，首先在基片上制作一層5 nm的Ti作為緩沖層。圖8為本文實(shí)際制作器件的測試頻響圖。

圖8 制作器件的測試頻響圖

由圖8可知，器件實(shí)測標(biāo)稱頻率為760 MHz，插入損耗為1.23 dB，通帶波動(dòng)為0.5 dB。-1 dB帶寬為101 MHz，相對帶寬達(dá)13.3%；-3 dB帶寬為116 MHz，相對帶寬達(dá)15.3%；-30 dB帶寬為174 MHz，帶外抑制大于30 dB。器件封裝尺寸為3 mm×3 mm×1.3 mm。 由圖8還可知，通帶內(nèi)的“碎波動(dòng)”約為0.5 dB，橫向模式抑制較理想，切趾加權(quán)的設(shè)計(jì)有效地優(yōu)化了濾波器的通帶特性。比較仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果可知，插入損耗偏差為0.4 dB，其原因：

1) Ti的電導(dǎo)率較Cu小，叉指指條的損耗較設(shè)計(jì)值偏大。

2) 為了保證鍵合強(qiáng)度，諧振器的壓焊電極和匯流條電極寬度較大，從而引入了較大的電阻損耗。

5 結(jié)束語

寬帶SAW濾波器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是瑞利波和橫向模式的抑制。比較器件的仿真參數(shù)和實(shí)際測試結(jié)果，驗(yàn)證了本文采用的COM模型和COM參數(shù)是較精確的，后續(xù)重點(diǎn)工作是在多層薄膜結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)寬帶SAW濾波器，以獲得更好的溫度特性。