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        基于128°YX-LiNbO3壓電材料的DMS濾波器設(shè)計

        2023-01-30 07:00:54譚紀(jì)偉周楊春滕洪菠王華東
        壓電與聲光 2022年6期
        關(guān)鍵詞:阻帶插入損耗陷波

        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)計中。采用128°YX-LiNbO3作為壓電基底材料設(shè)計DMS濾波器會在其低端近阻帶附近出現(xiàn)一個肩峰[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為濾波器對外的電流;U為濾波器對外的電壓;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)對數(shù)為24.5,輸出IDT對數(shù)為15.5,孔徑為34λ(λ為波長),反射柵為20對,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DMS濾波器時,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

        本文提出覆蓋SiO2薄膜用以解決128°YX-LiNbO3設(shè)計DMS濾波器時在其低端近阻帶出現(xiàn)肩峰問題。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,同時整個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,其原因是未采用SiO2薄膜設(shè)計DMS濾波器時,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),也是一個單端對諧振器。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陷波器對既定頻率范圍有很高的抑制度,同時其特定頻率外整體插入損耗較小,因此不會對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)計了一款DMS濾波器。其中,輸入、輸出電極周期為4.3 μm(波長λ=4.3 μm),反射柵周期為2.15 μm,輸入、輸出叉指對數(shù)分別為28.5對、26.5對,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,孔徑為34λ,輸入、輸出電極指寬為0.24λ。圖12為單級DMS的頻響曲線。

        圖12 單級DMS的頻響曲線

        該單級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DMS濾波器的帶外抑制約為-20 dB,相對帶寬為3.8%。將本文所設(shè)計的單級DMS濾波器與部分文獻(xiàn)的性能參數(shù)進(jìn)行對比,如表1所示。

        表1 本文所設(shè)計的單級DMS濾波器與部分文獻(xiàn)的性能參數(shù)對比

        由表1可看出,與文獻(xiàn)[8]、[9] 相比,本文所設(shè)計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,但相對帶寬較小。

        4 結(jié)束語

        本文針對128°YX-LiNbO3作為壓電材料設(shè)計的DMS濾波器在其低端近阻帶附近出現(xiàn)肩峰的問題,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)計的DMS濾波器可基本消除肩峰。

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