級聯型聲表面橫波濾波器

周 衛，王 嵐，黎 亮

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

弱壓電石英基片具有一階溫度系數為0的頻率溫度特性，適合制作高頻窄帶濾波器。在AT-36°石英基片旋轉90°傳播方向上，采用使掠面體波(SSBW)被鉗制到表面傳播的模式激勵聲表面波(SAW)，被稱為表面橫波(STW)。可激勵出高達5 070 m/s的聲速，適合制作高頻器件。

通常在石英基片上激勵的SAW模式，有雙模耦合濾波器(DMS)、橫向耦合模式濾波器(TCF)、耦合諧振濾波器(CRF)及STW。在這些壓電石英基片上激勵的聲波模式中，只有STW模式是采用使SSBW被鉗制到表面傳播的模式激勵的SAW，即STW模式是將改變原本潛入晶片體內傳播的SSBW，使其沿著晶片表面傳播，且改變了傳播方向的STW的聲速，是在壓電石英基片上的傳播速度為SSBW的聲速，即為高的聲速，為瑞利型SAW聲傳播速度的1.6倍，達到5 070 m/s，這樣高的聲速，更適合制作高頻率濾波器。

本文描述了在壓電石英基片上新研制出的聲表面橫波濾波器，頻率為1 219.4 MHz，單只濾波器的損耗約為4.5 dB，2只串聯損耗為9.38 dB，-1 dB帶寬為0.743 MHz，在其通帶波紋小于1 dB，在-100～+100 kHz時的群延時波動小于100 ns，輸入、輸出端駐波小于2。

1 設計原理

STW濾波器的結構特點是由向基片內部傳播的SSBW[1]，采用在兩叉指換能器之間，加入短路柵的結構，使SSBW被鉗制到基片表面傳播，而不會深入基片內[2-3]。

本設計為2只聲表面橫波濾波器的級聯，一方面要求2個單只濾波器的頻率非常準確，且單只STW濾波器的損耗和帶寬等性能，需要合理設計，既要兼顧帶寬要求，又要考慮群延時波動小的特點；另一方面，由于是低損耗濾波器，因此，為了增加聲表面橫波的傳播，減少傳播損耗，需選擇合適的中間短路柵指條數，以便增加聲波傳播的耦合，減少傳波損耗，降低器件的插入損耗[4-5]。

本文設計濾波器的L波段極窄帶濾波器,為帶寬低損耗聲表面橫波濾波器，中間短路柵的指條數取25條，換能器指條數為85λ(其中λ為聲表面橫波波長)，反射器指條數為350條[7]。在壓電石英基片上激勵的各種SAW聲速如表1所示。

表1 壓電石英基片上激勵的聲波的特性參數

本文研制的L波段聲表面橫波濾波器(STWF)的具體設計參數如表2所示。

表2 設計參數

2 結果及分析

本設計的STWF測試時需加外匹配電感，其匹配電路如圖1所示，匹配電路相對較簡單，僅在輸入、輸出端各并聯一只6.8 nH的電感。

圖1 匹配電路

圖2為1#STWF外加匹配時的測試圖。由圖2 (a)可看出， 1#聲表面橫波濾波器的損耗為4.43 dB，-1 dB帶寬為785 kHz，在-1 dB帶寬中心頻率-100～100 kHz的群延時波動小于50 ns，輸入、輸出駐波小于1.5。由圖2(b)可知，-3 dB帶寬為1.206 MHz，偏離峰值-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于30 dB。

圖2 1#濾波器帶匹配時頻率幅度、群延時、駐波等參數測試圖

圖3為2#STWF外加匹配時的測試圖。由圖3(a)可得2#聲表面橫波濾波器的損耗為4.51 dB，-1 dB帶寬為790 kHz，在-1 dB帶寬中心頻率-0.1～0.1 MHz的群延時波動小于50 ns，輸入、輸出駐波小于1.5。由圖3(b)所示，-3 dB帶寬為1.21 MHz，偏離峰值-4 MHz和4 MHz處的抑制大于30 dB。

圖3 2#濾波器帶匹配時頻率幅度、群延時、駐波等參數測試圖

圖4為1#和2#濾波器級聯后的-1 dB、-3 dB及-40 dB帶寬等參數測試圖。級聯后濾波器損耗為9.38 dB，-1 dB帶寬為0.743 MHz(見圖4(a))。由圖4(b)、(c)可看出， -3 dB帶寬為1.06 MHz， -40 dB帶寬為2.94 MHz。由圖4可知，級聯后濾波器的帶外抑制大幅度提高，在-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于60 dB。

圖4 1#、2#濾波器級聯的-1 dB、-3 dB、-40 dB帶寬等參數測試圖

圖5為1#、2#濾波器級聯后的頻率幅度、群延時、駐波測試圖。由圖可知，在-1 dB帶寬中心頻率-0.1～0.1 MHz時群延時波動小于50 ns；輸入端駐波小于1.7；輸出端駐波小于1.8。

圖5 1#、2#濾波器級聯后的頻率幅度、群延時、輸入、輸出駐波測試圖

3 討論

在AT-36°石英基片上可激勵出高達5 070 m/s的聲速，適合制作高頻濾波器。本文研制的是2只聲表面橫波濾波器級聯后的特點。對比單只濾波器和2只級聯后濾波器的特點[8]可知，單只濾波器的損耗、群延時波動、駐波等性能，均優于2只濾波器級聯后的性能，但2只濾波器級聯后的帶外抑制，遠高于單只濾波器。單只濾波器的帶寬(如-1 dB帶寬)，比級聯后的濾波器的帶寬寬，即級聯后的帶外抑制幾乎是2只單濾波器的疊加，但其損耗也是2只單濾波器的疊加。而級聯后濾波器的群延時波動并非2只單個濾波器的群延時波動的疊加，而是小于2只單個濾波器群延時波動的疊加。因此，在應用時需要依據具體應用要求，如損耗可在應用后用其他方式得以補償，且帶外抑制必須要求很高。

無論是2只濾波器級聯應用，還是單只器件應用，本文設計的聲表面橫波濾波器的駐波均小于2，便于在整機中應用。

4 結束語

現代通訊技術向更高頻率、更小體積方向發展，因此，研究和應用高聲速器件，是當今的重要科技技術的重要突破，如體聲波(BAW)的西薩瓦波，其聲波傳播速度可達8 000 m/s，在高頻延遲線方向得以應用。而采用諧振腔型的薄膜體聲波(FBAR)結構的濾波器，其研制出的器件頻率已達29 GHz，但由于基片原因，其頻率隨溫度變化率相對于溫度系數為0的石英基片上的聲表面橫波濾波器要大，因此，FBAR濾波器不適合做極窄帶濾波器。

基于石英基片的STW濾波器具有高達5 070 m/s的聲傳播速度，適合制作高頻濾波器，如L波段、S波段。目前研制出的聲表面橫波濾波器的帶寬窄，對于信號近端抑制需求的系統，本研制的聲表面橫波濾波器可滿足指標要求，但對于信號帶寬寬一些的系統應用，或要求更寬溫度范圍的使用，本研制的聲表面橫波濾波器的應用都會受限，特別是因為通帶帶寬的制約，對制作的精度要求很高，這就限制了產品的合格率，在現今聲表面波濾波器競爭激烈的市場中受限，無論是成本、產品制作周期等因素，都受到影響。因此，聲表面橫波濾波器將會向更寬的帶寬方向和更適合大批量生產的方向發展，應用將更廣泛。