一種新型聲表面波振蕩器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究*

文常保，方吉善，巨永鋒

(長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院/微納電子研究所，西安710064)

一種新型聲表面波振蕩器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究*

文常保*，方吉善，巨永鋒

(長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院/微納電子研究所，西安710064)

針對(duì)振蕩器中聲表面波器件存在的體聲波干擾、電極反射及旁瓣過(guò)大問(wèn)題，提出了一種新型聲表面波振蕩器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將多條耦合器用于分離體聲波，分裂電極用于減弱電極反射問(wèn)題，并采用了輸入、輸出換能器雙加權(quán)的措施來(lái)降低旁瓣信號(hào)。通過(guò)對(duì)一個(gè)中心頻率為50.8MHz聲表面波振蕩器的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，得到該新型聲表面波振蕩器系統(tǒng)的振蕩頻率為50.613 MHz，與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)值誤差僅為3.6‰，并且具有良好的周期性和穩(wěn)定性。

聲表面波器件;聲表面波振蕩器;體聲波;電極反射;旁瓣

振蕩器是一種無(wú)需外部激勵(lì)信號(hào)，就能將直流電源供給的功率轉(zhuǎn)換為具有一定頻率和振幅信號(hào)輸出的電子系統(tǒng)［1-2］。聲表面波振蕩器系統(tǒng)由于具有高的頻率穩(wěn)定度和小的接入系數(shù)，因此在正弦波、方波等各種信號(hào)源，以及載波電路、傳感器等高頻及甚高頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［3-5］。

聲表面波器件作為聲表面波振蕩器系統(tǒng)的核心元件，器件的設(shè)計(jì)參數(shù)不僅決定了振蕩信號(hào)的頻率，而且器件性能的優(yōu)良將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)上使用的等叉指、雙換能器型聲表面波器件，由于器件結(jié)構(gòu)上的不足，使器件在性能上存在體聲波干擾［6］、電極反射［7］及旁瓣信號(hào)干擾［8］等問(wèn)題，因此，為了得到一個(gè)周期性好、性能穩(wěn)定的聲表面波振蕩器系統(tǒng)就必須對(duì)其中的核心器件——聲表面波器件的性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文針對(duì)這些問(wèn)題，提出了一種可以分離體聲波、抑制電極反射和旁瓣的聲表面波器件結(jié)構(gòu)，并將其用于振蕩器的設(shè)計(jì)，提出了一種新型聲表面波振蕩器系統(tǒng)。

1 聲表面波器件的性能優(yōu)化方案

1.1 分離體聲波干擾

聲表面波器件的體聲波干擾問(wèn)題，主要是由于器件中的叉指換能器在激發(fā)聲表面波信號(hào)的同時(shí)，還會(huì)激發(fā)出一種頻率遠(yuǎn)大于聲表面波信號(hào)的體聲波信號(hào)［6，9］，這種聲波信號(hào)不僅會(huì)對(duì)接收換能器中所接收的聲表面波信號(hào)產(chǎn)生干擾，而且會(huì)使器件的頻譜特性曲線出現(xiàn)帶內(nèi)波紋過(guò)大及右邊帶出現(xiàn)高于聲表面波同步頻率的假響應(yīng)現(xiàn)象。

對(duì)于體聲波的抑制，盡管可以采用與體聲波耦合弱的壓電材料作為基片材料，但由于晶體材料的各向異向性，以及晶體對(duì)體聲波的抑制有晶向選擇性取向等問(wèn)題，使其使用具有一定的不便性。另一種就是在聲表面波器件設(shè)計(jì)中通過(guò)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，來(lái)控制體聲波的傳播路徑，進(jìn)而達(dá)到分離體聲波的目的，其中增加多條耦合器就是一個(gè)很好的解決方案。

多條耦合器理論是由英國(guó)學(xué)者 Marshall和Paige提出的［10］。多條耦合器一個(gè)最重要的特性，就是對(duì)體聲波的分離作用，這主要因?yàn)槎鄺l耦合器在對(duì)輸入換能器激發(fā)的混合聲波信號(hào)HAW中的聲表面波信號(hào)SAW進(jìn)行轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，并不改變聲波信號(hào)中體聲波信號(hào)BAW的傳播方向，所以可以對(duì)其中的體聲波信號(hào)進(jìn)行分離，基本原理如圖1所示。另外，如果再在器件的兩端涂覆上吸聲材料，就可以吸收分離出來(lái)的體聲波信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到消除體聲波對(duì)器件性能影響的目的。

圖1 多條耦合器分離體聲波的示意圖

在文獻(xiàn)［10］中，Marshall等人通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明:這種結(jié)構(gòu)中的多條耦合器可以將BAW幾乎完全分離出來(lái)，并且在全耦合設(shè)計(jì)情況下，聲表面波的轉(zhuǎn)移率可以達(dá)到100%。由于該方法不改變聲表面波信號(hào)本身特性，且多條耦合器本身對(duì)聲波信號(hào)的衍射具有一定抑制作用，另外，它的實(shí)現(xiàn)方法與換能器制作工藝相同，因此，在振蕩器系統(tǒng)的聲表面波器件設(shè)計(jì)中采用多條耦合器來(lái)分離體聲波信號(hào)。

1.2 減弱電極反射

聲表面波振蕩器中聲表面波器件遇到的電極反射問(wèn)題，主要是同一換能器內(nèi)部電極之間的反射情況。這種反射信號(hào)不僅增大了聲表面波器件的插入損耗，而且使帶內(nèi)波紋增加，惡化了器件的性能特性。

換能器內(nèi)部電極之間的反射，主要是因?yàn)閾Q能器所激發(fā)的聲表面波信號(hào)主要是依靠電極邊緣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以是一種典型的邊緣場(chǎng)激發(fā)現(xiàn)象［7，11］。如果采用傳統(tǒng)單電極周期為λ0的叉指換能器，它的金屬叉指寬度與叉指間隙寬度相同，都等于λ0/4，所以換能器的叉指周期為λ0/2，此時(shí)，電極之間的反射問(wèn)題可以用圖2表示。

圖2 單指叉指換能器指條邊緣反射示意圖

從圖2中可以看到，電極邊緣1處激發(fā)的聲波A在電極2處被反射回來(lái)，反射波A'所經(jīng)過(guò)的路程為λ0;而聲波B在電極3處被反射回來(lái)，反射波B'所經(jīng)過(guò)的路程為2λ0，這樣聲波B的反射波B'與聲波A的反射波A'之間的相位差為2π，同相位，所以聲波B的反射波B'一定程度上增強(qiáng)了聲波A的反射波A'。同理，電極邊緣4處的反射波C'盡管隨著距離的加大有所減弱，但是反射波的相位相同，所以仍在一定程度上加強(qiáng)了電極邊緣1處的反射問(wèn)題。

為了消除單指叉指換能器存在的指條邊緣反射問(wèn)題，在振蕩器系統(tǒng)聲表面波器件的設(shè)計(jì)中采用了圖3所示的分裂電極方案。這種換能器是在設(shè)計(jì)時(shí)將普通叉指換能器的每一根指條一分為二就可以構(gòu)成分裂叉指換能器，即原來(lái)寬度為λ0/4的叉指電極，現(xiàn)在為λ0/8，減少為原來(lái)的一半。

在圖3中電極邊緣1處激發(fā)的聲波A在電極2處被反射回來(lái)，反射波A'所經(jīng)過(guò)的路程為λ0/2，而聲波B在電極3處被反射回來(lái)，反射波B'所經(jīng)過(guò)的路程為λ0，這樣聲波B的反射波B'與聲波A的反射波A'之間的相位差為π，相位相反，所以聲波B的反射波B'一定程度上減弱了聲波A的反射波A'。同理，聲波C的反射波C'與聲波B的反射波B'之間的相位差也為π，相位相反，也在一定程度上減弱了聲波B的反射波B'。依此類推，在這種結(jié)構(gòu)中相鄰兩個(gè)電極的反射波之間是相互削弱的。

圖3 分裂指叉指換能器的電極反射示意圖

1.3 抑制旁瓣干擾

對(duì)于傳統(tǒng)等叉指結(jié)構(gòu)的換能器，理論上在器件的頻率響應(yīng)曲線中，第1旁瓣僅僅比主瓣的峰值低13.26 dB［9，12］，但如果考慮信號(hào)反射、體聲波干擾、假響應(yīng)等問(wèn)題，旁瓣與主瓣峰值的差值將遠(yuǎn)小于這個(gè)值，因此，在測(cè)量中旁瓣信號(hào)很難與主瓣信號(hào)分離出來(lái)，將產(chǎn)生很大干擾。

在抑制旁瓣的設(shè)計(jì)中，可采用對(duì)輸入換能器進(jìn)行加權(quán)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)［13］。同時(shí)，考慮到器件在分離體聲波信號(hào)設(shè)計(jì)中采用了多條耦合器，因此，可對(duì)輸入、輸出換能器同時(shí)進(jìn)行加權(quán)，進(jìn)一步達(dá)到減小旁瓣的目的。這是因?yàn)?多條耦合器在可以進(jìn)行體聲波分離的同時(shí)，還有一個(gè)重要的特性——避免了傳統(tǒng)雙換能器結(jié)構(gòu)中輸入和輸出不能同時(shí)加權(quán)的問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中輸入加權(quán)換能器激勵(lì)的聲表面波振幅在波陣面上不相等，如果對(duì)輸出換能器再加權(quán)，則會(huì)出現(xiàn)輸入與輸出傳遞函數(shù)之積不成立的情況［7-8］。而采用多條耦合器后的聲表面波器件則允許輸入、輸出換能器同時(shí)加權(quán)。因此，在振蕩器系統(tǒng)的聲表面波器件設(shè)計(jì)中將輸入、輸出都采用同樣加權(quán)設(shè)計(jì)，來(lái)提高器件的旁瓣信號(hào)抑制能力。

綜合上述聲表面波器件性能優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在聲表面波振蕩器系統(tǒng)所用聲表面波器件的設(shè)計(jì)中采用了多條耦合器進(jìn)行體聲波信號(hào)的分離，采用分裂電極設(shè)計(jì)來(lái)減弱換能器中電極反射問(wèn)題，并采用對(duì)輸入、輸出換能器同時(shí)加權(quán)設(shè)計(jì)的方案來(lái)抑制旁瓣過(guò)大問(wèn)題。

這3種技術(shù)措施中，多條耦合器用于分離體聲波信號(hào)，可以有效避免使器件的頻譜特性曲線出現(xiàn)帶內(nèi)波紋過(guò)大及右邊帶出現(xiàn)高于聲表面波同步頻率的假響應(yīng)現(xiàn)象;分裂電極設(shè)計(jì)技術(shù)可以減弱電極反射現(xiàn)象，減少帶內(nèi)波紋，增加器件特性曲線的平滑性;輸入、輸出換能器雙加權(quán)的設(shè)計(jì)措施，則可以有效降低響應(yīng)曲線的旁瓣響應(yīng)，提高器件的旁瓣抑制能力。另外，這3種措施，在降低器件損耗方面都有積極的作用。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 聲表面波器件的設(shè)計(jì)與測(cè)試

根據(jù)聲表面波振蕩器系統(tǒng)振蕩信號(hào)頻率的需要，聲表面波器件的中心頻率設(shè)計(jì)為50.8 MHz。同時(shí)，考慮到器件的損耗和體積問(wèn)題，這里采用具有高機(jī)電耦合系數(shù)的128°YX-LiNbO3晶體作為器件的制作襯底材料，聲表面波的傳播波速為3 886 m/s。圖4是進(jìn)行封裝綁定后的實(shí)際器件圖片。其中，T是聲表面波輸入換能器，M是多條耦合器，R是聲表面波輸出換能器。

圖5是使用LW-300MT芯片測(cè)試系統(tǒng)，其中T是采用分裂電極和加權(quán)設(shè)計(jì)方案的輸入換能器，M是用于分離體聲波的多條耦合器。

圖6是使用Agilent E5062A射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)所制作聲表面波器件進(jìn)行測(cè)量得到實(shí)際頻率響應(yīng)特性圖。可以測(cè)得器件中心頻率處的插入損耗為-8. 43 dB，體聲波及電極反射問(wèn)題得到了很好的處理。另外，從圖6可以觀察到器件頻率響應(yīng)特性曲線右側(cè)的旁瓣抑制大于50 dB，比傳統(tǒng)等叉指、雙換能器結(jié)構(gòu)［9，12］高近40 dB。

圖4 封裝綁定后的聲表面波器件

圖5 聲表面波器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 器件的頻率響應(yīng)特性

2.2 聲表面波振蕩器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

該聲表面波振蕩器主要由聲表面波器件SAW、晶體管放大器Q1、以及與聲表面波器件組成電容反饋式電路的電容C3、C4、和電感L2組成，系統(tǒng)電路原理如圖7所示。Vi為輸入電壓，Vo為輸出電壓。電容C1、C2、及電感L1組成直流干擾濾除電路，R1、R2為晶體管放大器Q1的偏置電阻，并且與晶體管放大器Q1及反饋電阻R3共同組成共集電極放大電路。

圖7 系統(tǒng)的電路原理圖

圖8為該聲表面波振蕩器的實(shí)際系統(tǒng)圖片，其中，晶體管放大器Q1選用具有高增益、低噪聲的硅NPN C3355型高頻三極管;電容C1=10 μF，C2=0.1 μF，C3=C4=27 pF;電感L1=800 mH，L2=760 nH;電阻R1=R2=75 kΩ，R3=100 Ω;輸入電壓Vi=12 V。

圖8 聲表面波振蕩器系統(tǒng)圖片

對(duì)振蕩器輸出信號(hào)使用Agilent 7032A示波器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得系統(tǒng)的振蕩頻率為50.613 MHz，系統(tǒng)的振蕩波形如圖9所示。

從圖9可以看出，該聲表面波振蕩器系統(tǒng)，不僅成功輸出了振蕩信號(hào)，而且由于核心器件聲表面波器件性能的改進(jìn)，使系統(tǒng)振蕩信號(hào)具有了更好的周期性和穩(wěn)定性。

圖9 聲表面波振蕩器輸出波形

另外，實(shí)際聲表面波振蕩器系統(tǒng)的振蕩頻率50.613 MHz與聲表面波器件的中心頻率50.8 MHz之間存在0.187 MHz的頻率差。根據(jù)分析，造成這一誤差的原因主要來(lái)自于系統(tǒng)中電感元件L2，由于市場(chǎng)上沒(méi)有這一精確值的集成電感，制作中采用了手工繞制的電感，因而造成了振蕩頻率近3.6‰的誤差率。如果能夠制作更準(zhǔn)確的電感，或者找到這一數(shù)值的集成電感，系統(tǒng)的這一頻率誤差將會(huì)大大降低。

3 結(jié)論

本文在對(duì)體聲波、電極反射、旁瓣等影響聲表面波器件性能的因素進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，將多條耦合器、分裂電極和加權(quán)換能器等優(yōu)化方案用于聲表面波振蕩器系統(tǒng)中聲表面波器件的設(shè)計(jì)。通過(guò)一個(gè)振蕩頻率為50.613 MHz聲表面波振蕩器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。此外，該研究對(duì)其他類型的聲表面波器件設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

致謝

感謝我的導(dǎo)師，已故西安交通大學(xué)朱長(zhǎng)純教授生前對(duì)論文工作的指導(dǎo)，感謝中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第206研究所劉清洪高級(jí)工程師及王植平、郜鵬、倪旭文、黨雙歡、崔婧等在器件及系統(tǒng)制作過(guò)程中給予的技術(shù)支持和幫助。

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文常保(1976- )，男，漢族，山西運(yùn)城人，長(zhǎng)安大學(xué)，副教授，博士/博士后。2012年到2013年在美國(guó)University of South Florida從事訪學(xué)研究工作。主要從事微納電子器件、信息處理器件及傳感器的研究，wchbdn@163.com。

Study on Design of Novel Surface Acoustic Wave Oscillator System*

WEN Changbao*，F(xiàn)ANG Jishan，JU Yongfeng

(Institute of Micro-nanoelectronics/School of Electronics and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to solve the bulk acoustic wave(BAW)interference，the electrodes reflection and high side lobe in the acoustic surface wave(SAW)device of SAW oscillator system，the novel SAW oscillator system is proposed.In this design scheme，the BAW is separated by the multi-strip coupler，and the electrodes reflection and the side lobe are suppressed by the split electrode and weighted input and output input interdigital transducers，separately.The realization and measurement results of the novel SAW oscillator system with center frequency at 50.8 MHz conform that the frequency of the oscillator signal is 50.613 MHz，and the frequency error between the actual measurement and theoretical design is only 3.6‰.Furthermore，the SAW oscillator system has good periodicity and stability.

surface acoustic wave(SAW)device;SAW oscillator;bulk acoustic wave(BAW);electrodes reflection; side lobe

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.015

TN65;TN752

A

1005－9490(2014)02－0240－05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60806043);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013G3322010)

2013-06-11修改日期:2013-07-23

EEACC:2560Z