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        基于LiTaO3基片寬帶聲表面波濾波器設(shè)計(jì)方法

        2022-11-18 04:54:18齊夢(mèng)珂潘虹芝李孟輝程一民牟笑靜陳建軍
        壓電與聲光 2022年5期
        關(guān)鍵詞:基片諧振器壓電

        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]?;赮42°~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(chēng)和反對(duì)稱(chēng)諧振頻率的位置分布,其要求對(duì)稱(chēng)模式的導(dǎo)納Ye的極點(diǎn)與反對(duì)稱(chēng)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。基于POI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。

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