陳曉陽,蘇 波,葉 志,史向龍,范佰杰,張俊茜,于倩至

(北京無線電測量研究所,北京 100854)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器具有小型化、高性能的優(yōu)勢,被廣泛應用于雷達、導航、通信、電子對抗等領域,但由于普通的SAW濾波器在溫度變化時頻率漂移較大(溫度系數約為(-90～-30)×10-6/℃),嚴重影響了其在全溫下的有效帶寬、有效阻帶等電性能,進而影響了整個系統(tǒng)的技術指標。為解決此問題,高溫穩(wěn)定性SAW(TC-SAW)濾波器是滿足系統(tǒng)全溫工作要求的最佳手段。

TC-SAW是對普通SAW濾波器溫度系數的一種改進技術。一種方法是采用生長正溫度系數的SiO2補償負溫度系數的基底[1],以達到溫度補償的效果,通過溫度補償薄膜及控制電極形貌降低濾波器溫度系數。該技術可將濾波器的溫度系數由(-90～-30)×10-6/℃降低到(-20～0)×10-6/℃[2],故在對高溫穩(wěn)定性、小型化要求高的電子設備中有巨大的指標優(yōu)勢和應用價值。另一種方法是通過將鈮酸鋰或鉭酸鋰薄膜材料鍵合到具有正溫度系數的石英材料或膨脹系數較小的藍寶石、硅材料上,以降低材料的膨脹系數來實現溫度系數的補償。

TC-SAW襯底由最初的128°鈮酸鋰發(fā)展成為5°、15°YX切等多種切型[3],以滿足不同帶寬的濾波器設計。同時,鉭酸鋰也有多種切型被用作TC-SAW襯底材料[4]。結合切型與SiO2薄膜的厚度調控可以設計出不同機電耦合系數的器件。因此,TC-SAW技術在設計不同帶寬濾波器方面具有更大的靈活性。SiO2薄膜的成膜技術不斷進步,薄膜中的聲損耗越來越小,TC-SAW器件的品質因數(Q)值已遠超常規(guī)SAW,在2 GHz時,其Q值最大可達2 500(常規(guī)SAW的Q最大為1 000),一般稱為HQ-TC-SAW[5]。

本文主要介紹了一種TC-SAW濾波器技術,上溫補濺射SiO2的溫度補償SAW濾波器。

1 TC-SAW設計流程

TC-SAW濾波器由于涉及多層材料的組合,比單晶材料的聲表面波器件復雜,整個研究方法也更復雜,設計方法更靈活,主要包括以下4個研究步驟:

1) 首先需要確定溫度補償結構的溫補材料及壓電材料的屬性,并在性能和溫度系數之間求取合適的層間參數。

2) 在合適的層間厚度基礎上,利用無限周期層狀FEM/BEM理論[6]提取耦合模式模型參數數據庫,并置于設計仿真軟件中,最終實現TC-SAW濾波器的COM設計優(yōu)化。

3) 采用有限長二維層狀FEM/BEM理論對器件進行精確驗證。

4) 層狀材料通常存在橫向模式耦合。采用微結構對橫向模式進行抑制,為此需要建立三維理論模型進行聲學模態(tài)分析。圖1為整個設計流程圖。

圖1 TC-SAW設計流程圖

縱向耦合多模SAW濾波器的設計主要采用耦合模(COM)分析法。COM模型的基本思想:柵格內同時存在多個傳播聲波模式,通過柵格陣內指間反射相互耦合;同時,外加電壓通過柵格的換能作用又激發(fā)出向多個方向傳播的聲波模式,這些聲波模式間存在一定的線性關系,可用COM方程表征[6],并以此為設計依據。

2 層狀結構FEM/BEM原理

相比于單層結構,層狀結構的FEM/BEM理論更復雜。對于上溫補層結構(見圖2),需要在單層FEM/BEM理論的基礎上將溫度補償層部分采用FEM進行計算,溫度補償層上面及襯底同樣采用BEM理論進行精確計算,最終得到向上多層的二維層狀FEM/BEM仿真模型。對于下溫補層的鍵合片結構(見圖3),將多層襯底結構作為整體,采用BEM理論計算層狀結構的格林函數,電極部分同樣采用FEM理論計算,二者結合最終得到向下多層的二維層狀FEM/BEM仿真模型。

圖2 TC-SAW上溫補層結構

圖3 TC-SAW下溫補層結構

通過設置無限周期邊界條件及有限結構周期邊界條件,分別可以得到基于無限周期的層狀FEM/BEM模型及有限長層狀FEM/BEM模型。通過建立上述模型可以計算出整個結構的電端口導納特性。在此基礎上增加了計算復合材料的溫度系數、高功率復合電極結構、描述工藝特性的電極角度、多溫補層結構、表面鈍化層及場分布等功能。

3 層狀結構COM模型原理

COM模型的基本思想是設想換能器內同時存在右向和左向平面波,它們通過換能器內的指間反射相互耦合,且換能器的換能作用又同時激發(fā)右向和左向的平面波[7]。假設這些作用限于線性范圍,各個作用可互相線性迭加,則這兩平面波之間應滿足一定的關系。設R代表右向平面波,S代表左向平面波,則一般性的耦合模式方程可寫為

(1)

(2)

(3)

其中:

Δ=k-k0

(4)

(5)

由式(1)可以看出,COM方程包含κ、α、C、v、γ5個基本參量。只要得到這些COM參數,就能準確地描述器件的性能。

對于128°-鈮酸鋰材料上的TC-SAW存在無衰減的瑞利波模式,COM參量退化為4個參量即可描述TC-SAW中的瑞利波。若采用隨頻率變化的色散COM參量[8],仿真精度可進一步提升。

4 FEM/BEM與COM模型的結果對比

通過無限周期層狀FEM/BEM軟件計算了相應的COM參量提取結構,提取不同溫補層SiO2厚度、不同金屬膜厚、不同金屬化比下的三維COM參量庫,形成了TC-SAW的仿真軟件。與實驗提取COM參量不同,該軟件可仿真任意頻率、任意SiO2厚度、任意金屬膜厚、任意金屬化比下的濾波器性能。在提取COM參量前,需要對多層FEM/BEM軟件進行實驗修正才能保證COM仿真結果與實驗結果吻合良好,同時保證了優(yōu)化設計的有效性。

利用層狀FEM/BEM理論對COM仿真結果進行驗證,結果對比如圖4所示。由圖可見,COM仿真結果與FEM/BEM結果在通帶和近阻帶抑制頻率相吻合,當頻率到達慢切變體聲波截止頻率位置時,性能略有差異;同時COM模型取1 000個頻率點的仿真時間在1 s內。因此,無論仿真精度還是速度都完全能夠滿足優(yōu)化設計的需要,這充分證明了目前COM模型的有效性。

圖4 TC-SAW濾波器COM與層狀FEM/BEM對比結果

5 TC-SAW材料選取及模態(tài)分析

5.1 128°-鈮酸鋰表面濺射SiO2的TC-SAW結構

128°-鈮酸鋰單晶材料上的瑞利波溫度系數達到-90×10-6/℃,而機電耦合系數通常僅約4%,并且由于反射系數較低,基本無法設計出高性能、小體積且滿足高、低溫使用的低損耗濾波器。在128°-鈮酸鋰單晶材料上濺射具有正溫度系數的SiO2材料,可以將溫度系數補償到(-40～0)×10-6/℃。圖5為濺射SiO2的基本結構示意圖。

圖5 TC-SAW上溫補層結構

5.2 模態(tài)分析

圖6為TC-SAW上溫補層結構在不同歐拉角下隨SiO2、Cu電極厚度變化的關系[9]。由圖可見,當SiO2的厚度(hSiO2)分別為0、0.2λ,0.3λ,0.4λ(其中λ為波長)時,SiO2/Cu/LN結構激發(fā)的是瑞利波模式。當hSiO2=0.3λ,Cu電極厚度(hCu)=0.05λ,歐拉角達到(0, 38°,0)時,此時即是通常的128°-鈮酸鋰,瑞利波的機電耦合系數達到最大,該條件下的機電耦合系數達到8%,理論上可實現4%左右相對帶寬的低損耗TC-SAW濾波器。當hSiO2=0.3λ,hCu=0.05λ,歐拉角達到(0,90°,0)時,漏表面波(LSAW)被激發(fā),此時的LSAW機電耦合系數達到16%,利用此切型及厚度,理論上可實現相對帶寬約8%低損耗TC-SAW。

圖6 TC-SAW上溫補層結構隨歐拉角的變化規(guī)律

對于要求相對帶寬在4%內的TC-SAW濾波器,可以采用128°-鈮酸鋰上濺射SiO2結構實現要求的性能指標。利用FEM/BEM計算了SiO2/Cu/128LN結構在hSiO2=0.3λ、hCu=0.05λ;hSiO2=0.35λ、hCu=0.05λ時的溫度系數,得出其溫度系數為(-15～-10)×10-6/℃,該條件下可實現溫度系數約為-10×10-6/℃的TC-SAW濾波器。為保證該條件下具有良好的性能,設計了性能良好的低損耗濾波器,分別計算該條件下的機電耦合系數、品質因數(Q)值的變化規(guī)律,如圖7、8所示。圖8中,Qr為諧振系數,Qa為反諧振系數。

圖7 TC-SAW隨溫補層厚度變化機電耦合系數規(guī)律

圖8 TC-SAW隨溫補層厚度變化Q值規(guī)律

由圖7、8可見,隨著SiO2相對厚度的增加,機電耦合系數逐漸降低,同時Qr、Qa值也逐步降低。

5.3 橫向模式抑制

多層材料復合結構因存在橫向模式將造成諧振頻率和反諧振頻率之間的雜波干擾,降低了諧振器的Q值,進而造成濾波器通帶波紋變大[10],如圖9所示。

圖9 TC-SAW諧振器橫向模式

為了降低橫向模式干擾,并進一步提高Q值,需要設計Piston的邊界條件[11],將能量控制在有效的振動區(qū)域(見圖10)。圖中,A為振幅,Wg為波導孔徑,Ws為邊界寬度。

圖10 TC-SAW諧振器橫向模式場分布

圖11、12分別為抑制橫向模式后的諧振器導納特性及Bode-Q。圖中,f/f0為歸一化頻率。由圖11、12可以看出,橫向模式基本消除,且Q值提升了1倍。

圖11 TC-SAW諧振器橫向模式抑制后的導納

圖12 TC-SAW諧振器橫向模式抑制后的Bode-Q

6 優(yōu)化過程及驗證結果

綜合考慮溫度系數和性能需求,在給定的SiO2厚度、金屬電極厚度下,利用COM軟件進行優(yōu)化設計。采用非線性全局優(yōu)化設計,其中指條的周期、數量、占空比、孔徑作為待優(yōu)化變量,通過不斷更改待優(yōu)化參量取值,從而逼近目標要求結果。

6.1 優(yōu)化過程

優(yōu)化開始前,首先根據目標值完善目標函數的要求,然后確定給出待優(yōu)化參量的初始結果,繪制電磁版圖,通過HFSS軟件計算所有電磁效應S參數。通過COM仿真設計平臺軟件中全波仿真功能中的聲電協(xié)同仿真接口代入電磁效應S參數,可以計算包含叉指聲學響應、版圖、基板、封裝、測試版等總的電磁效應在內的聲電協(xié)同全波仿真結果。使用優(yōu)化設計功能可得到所能到達的最好仿真曲線。最后通過多層FEM/BEM精確聲學驗證及HFSS得到電磁仿真參數,最終得到準確的仿真結果。為保證窄帶特性,采用基于M推演的阻抗元結構[12]。

當聲學初始值已滿足性能要求時,需要繪制電磁版圖。通過HFSS軟件建模,模擬芯片中電性能影響及壓焊封裝,并計算所有電磁效應S參數,HFSS建模如圖13所示。

圖13 TC-SAW濾波器HFSS建模圖

6.2 優(yōu)化設計結果及性能分析

優(yōu)化中采用多參量離散變量模擬退火全局優(yōu)化算法,給出優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化步進,從初始溫度開始退火,經過3次退火即可得到一輪穩(wěn)定的結果,整個過程的時間約為2 h。

針對窄帶高矩形度TC-SAW濾波器的需求,優(yōu)化了一款TC-SAW濾波器。圖14、15分別為FEM/BEM仿真驗證結果與實測結果的對比圖。

圖14 窄帶TC-SAW濾波器仿真實測對比圖(近阻帶)

圖15 窄帶TC-SAW濾波器仿真實測對比圖(遠帶)

由圖14、15可見,仿真結果在較寬的范圍內與實測結果吻合良好。同時在1 250 MHz處有一個雜波,為快切變體波截止頻率,FEM/BEM也可準確地仿真出來,這是COM模型做不到的。

圖16為該TC-SAW濾波器在-55～+85 ℃的實測曲線。通過對不同溫度下的實測曲線計算,得到通帶內的溫度系數約為-5×10-6/℃。

圖16 窄帶TC-SAW濾波器三溫性能

7 結束語

本文給出了一種TC-SAW濾波器的詳細設計方法,通過研究不同溫補層厚度、電極厚度變化下,隨歐拉角變化的下瑞利波、漏表面波的機電耦合系數變化,給出了最佳的歐拉角及結構設計參數。在此基礎上,為了抑制橫向模式,通過設置Piston邊界條件,有效提升了諧振器Q值;提取三維COM參量庫,并形成仿真及優(yōu)化設計軟件,最終設計出滿足要求的TC-SAW濾波器。實驗結果充分證明了仿真及設計方法的有效性。