基于128°YX-LiNbO3壓電材料的DMS濾波器設計

譚紀偉, 王 方，周楊春，滕洪菠，王華東，王 巍

(重慶郵電大學 光電學院/國際半導體學院, 重慶 400065)

0 引言

聲表面波(SAW)濾波器大量應用于相控陣雷達、衛星通信、移動通信領域中，具有體積小，穩定性高，抗干擾能力強及選擇性高等特點[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而廣泛應用于雙工器和濾波器設計中。采用128°YX-LiNbO3作為壓電基底材料設計DMS濾波器會在其低端近阻帶附近出現一個肩峰[3-4]，與傳統DMS濾波器相比，其肩峰出現在高端近阻帶，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，在通帶左端出現雜散干擾，使其出現肩峰，從而影響矩形系數[5]。為了改善DMS濾波器的低端近阻帶抑制，將其與溫度補償技術結合，采用覆蓋SiO2薄膜的方式，降低DMS濾波器的耦合系數[6]，以降低SH模式的強度，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濾波器結構。圖中，w為濾波器孔徑，re為反射柵的對數，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。其導納矩陣為

圖1 DMS結構

(1)

式中：I為濾波器對外的電流；U為濾波器對外的電壓；Y為濾波器的導納。

根據式(1)可推導出濾波器的頻響[7]為

(2)

插入損耗(IL)為

IL=-20lg|S12|=

(3)

式中：Gin為源導納；Gout為負載導納。

36°YX-LiTaO3壓電材料的中心頻率為868.9 MHz，輸入叉指換能器(IDT)對數為24.5，輸出IDT對數為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。常規方式是采用串聯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設計DMS濾波器時，其肩峰出現在通帶左端，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較嚴重導致。

2 濾波器設計

本文提出覆蓋SiO2薄膜用以解決128°YX-LiNbO3設計DMS濾波器時在其低端近阻帶出現肩峰問題。利用SiO2薄膜和壓電襯底形成溫度補償結構，進而降低濾波器的耦合度，這將降低濾波器的帶寬，所以需要權衡SiO2厚度與帶寬的關系。圖4為所采用濾波器結構的二維模型示意圖。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(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薄膜結構減小。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。如果補充圖3中的缺陷，其1 dB帶寬為38 MHz，因此,本質上覆蓋SiO2薄膜可降低濾波器的耦合度，降低濾波器帶寬。圖8為SAW陷波器的結構，也是一個單端對諧振器。SAW陷波器結構的陷波特性如圖9所示。

圖8 SAW陷波器結構

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濾波器串聯結構。圖11為SAW陷波器與DMS濾波器串聯的頻響。

圖10 串聯SAW陷波器結構

圖11 串聯SAW陷波器頻響曲線

由圖11可看出，采用SAW陷波器串聯DMS濾波器的結構，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薄膜的結構設計了一款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%。將本文所設計的單級DMS濾波器與部分文獻的性能參數進行對比，如表1所示。

表1 本文所設計的單級DMS濾波器與部分文獻的性能參數對比

由表1可看出，與文獻[8]、[9] 相比，本文所設計DMS結構濾波器的插入損耗分別降低了0.41 dB和0.61 dB，帶外抑制達到平均水平，但相對帶寬較小。

4 結束語

本文針對128°YX-LiNbO3作為壓電材料設計的DMS濾波器在其低端近阻帶附近出現肩峰的問題，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。仿真結果表明，采用該方法基于128°YX-LiNbO3材料所設計的DMS濾波器可基本消除肩峰。