基于一種改進型DMS結構的極窄帶SAW濾波器

趙雪梅，鄭澤漁，董加和，伍 平，陳彥光，陳正林，2(. 中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶400060;2. 模擬集成電路重點實驗室，重慶 400060)

0 引言

極窄帶濾波器在電臺中應用較廣。在L波段，能夠滿足點頻或極窄帶信號濾波需求的濾波器種類極少。特別是在小于1‰相對帶寬級別，極窄帶聲表面波(SAW)濾波器具有較大優勢。實現極窄帶SAW濾波器的結構有橫向耦合諧振型(TCRF)結構[1-2]、雙模聲表面波(DMS)結構[3]及常規單/雙端口結構[4]等。L波段濾波器設計主要采用TCRF結構和DMS結構。本文采用DMS結構來實現L波段極窄帶SAW濾波器的研制，與文獻[3]的報道相比有以下兩點不同：

1) 本文采用36°Y-90°X石英晶體材料及使用聲速為5 100 m/s的聲表面橫波(STW)模式降低工藝難度。

2) 本文采用改進型的DMS結構。

1 DMS結構基本原理

最基本的DMS濾波器由端頭兩反射器及中間輸入、輸出兩個叉指換能器(IDT)組成，兩個IDT在柵狀反射器間串聯排列，如圖1所示。

圖1 兩IDT結構的DMS濾波器示意圖

這種結構的主要聲學諧振模式為零階和一階諧振模式，與對稱模式和反對稱模式產生的方式相似(見圖2)。通常高階諧振模式的諧振頻率比低階模式的諧振頻率低。這兩種模式的頻率差主要由IDT周期和指條數量多少及能量捕獲大小來決定。

2 改進型的DMS結構

雖然DMS結構的主要工作模式為零階和一階諧振模式，但是其他高階模式仍會影響濾波器的阻帶抑制，同時對帶寬調整靈活性偏低。為了進一步提升DMS型極窄帶SAW濾波器的電性能指標，本文對DMS結構進行了改進，主要采取以下幾個措施：

1) 兩邊反射器改為分布式多反射器結構。聲通道的左、右端反射器對阻帶抑制影響顯著。傳統設計采用的對稱反射器設計方案是導致阻帶抑制差的主要原因，如圖3(a)所示。傳統設計方案只有兩個可優化變量，優化效果明顯不好。為此，本文采用分布式多反射器加權方案,如圖3(b)所示，這種方案可將變量優化成原來的幾倍，通過精細化的參數優化調整，能夠抑制阻帶雜波，從而提高阻帶抑制。圖3中,P1～P5為1～5反射器對應的半周期，N1～N5為1～5反射器對應的指條數。

圖3 對稱反射器及分布式多反射器方案示意圖

圖4 分布式多反射器與普通反射器仿真對比

圖4為分布式多反射器與普通反射器的仿真對比。由圖可知，與普通反射器仿真相比，分布式多反射器結構對近端阻帶抑制的改進較明顯。

2) 在輸入和輸出IDT之間增加反射器。通過在輸入和輸出IDT之間增加中間反射器可以實現對通帶帶寬的靈活設計。圖5為中間反射器對響應影響仿真曲線。

圖5 中間反射器對響應影響仿真曲線

3) 采用雙聲通道結構來進一步提升阻帶抑制。用戶一般要求阻帶抑制需大于40 dB，普通的單通道無法滿足，本文采用雙聲通道結構，進一步提升了阻帶抑制。最終的改進型DMS結構示意圖如圖6所示。

圖6 雙通道改進型DMS結構

通過仿真，阻帶抑制完全滿足大于40 dB的需求。圖7為改進型DMS結構單雙通道仿真對比。

圖7 改進型DMS結構單雙通道仿真對比

3 極窄帶SAW濾波器設計實現

本文采用雙通道改進型DMS結構設計了一款標稱頻率為1 500 MHz的極窄帶SAW濾波器，該濾波器需要外匹配。該設計采用36°Y-90°X石英晶體材料，使用聲速為5 100 m/s的STW波模式來降低工藝難度。實測匹配后極窄帶SAW濾波器中心頻率為1 499.995 MHz，帶寬為878.75 kHz(1 dB相對帶寬為0.585 8‰)，插入損耗為5.8 dB，阻帶抑制達到45 dB。實測曲線如圖8所示。

圖8 雙通道改進型DMS結構實測曲線

4 結束語

本文采用雙通帶改進型DMS結構獲得極窄帶和高阻帶抑制的SAW濾波器。通過仿真分析，該新結構指標明顯提高。同時研制了一款1.5 GHz的相對帶寬約0.6‰及阻帶抑制約45 dB的極窄帶SAW濾波器，其仿真與實測的吻合性較好，驗證了該改進型DMS結構的有效性。相關設計可滿足類似極窄帶SAW濾波器的設計需求。