改進型3IDT-LCR結構的低損耗小矩形系數SAW濾波器

陳華志,羅文汀,馬晉毅,陳彥光,伍 平,董加和

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

三換能器縱向耦合諧振結構(3IDT-LCR)的聲表面波(SAW)濾波器具有插入損耗低、帶外抑制高、尺寸小、易裝配和二次集成等特點,被廣泛應用于軍民電子系統(tǒng)的信道化接收組件[1-2]。隨著接收組件的信道數量增加,信道頻段劃分更加密集,所以需要將配套的SAW濾波器通帶做得更陡直,以滿足相鄰密集頻段信號的提取需要[3]。通過矩形系數來描述SAW濾波器的通帶陡直程度,通常被定義為濾波器-40 dB帶寬與-3 dB帶寬(或-1 dB帶寬)的比值[4]。濾波器矩形系數越小,則器件通帶越陡直。

本文針對信道化接收組件對SAW濾波器-40 dB帶寬與-3 dB帶寬矩形系數≤1.4的指標要求,在傳統(tǒng)3IDT-LCR結構的基礎上,通過理論仿真研究分析了反射柵及叉指換能器(IDT)指條多周期加權、在IDT間引入內反射柵和在聲通道間引入諧振器等結構改進設計帶來的指標改善效果,最終研制出具備低損耗、小矩形系數的SAW濾波器。

1 傳統(tǒng)3IDT-LCR結構

傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結構如圖1所示。它由端面2個反射柵和中間3個IDT組成。各IDT和反射柵區(qū)域內部的指條周期單一,聲通道整體結構中心對稱。兩邊IDT與相鄰的反射柵各組成一個單相單向換能器(SPUDT),使產生的表面波能量向通道中心傳播。通過調節(jié)兩端SPUDT的距離、反射柵和IDT內部的指條周期、數量,可在一定頻段內實現平坦的通帶和低插入損耗。

圖1 傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結構

為實現高的帶外抑制,SAW濾波器通常將上述兩個3IDT-LCR聲通道在無聲場耦合的情況下進行電聯(lián)接,形成的拓撲電路如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結構SAW濾波器拓撲電路

圖3為對傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結構的SAW濾波器典型頻響曲線。由圖可見,電極反射導致頻率漂移,使通帶中心頻率低于IDT布喇格頻率,而在更高頻率時,IDT為保持其響應,導致濾波器通帶高端出現“駝峰”,濾波器40/3矩形系數為3.87。

圖3 傳統(tǒng)雙通道3IDT-LCR結構SAW濾波器典型頻率響應

2 改進型3IDT-LCR結構

為實現SAW濾波器具有小矩形系數,本文從以下方面對傳統(tǒng)3IDT-LCR結構進行了改進。

2.1 反射柵及IDT指條多周期加權

傳統(tǒng)縱向耦合聲通道設計在反射柵及IDT內部指條周期單一,為使通帶在較寬頻率范圍內獲得低的插入損耗,相鄰IDT及反射柵之間的指條周期跨度較大,引起通帶高端出現“駝峰”。本文首先對聲通道內各反射柵及各IDT進行多周期加權設計,將各反射柵和IDT內部分為ni(i=1～5)個漸變指條周期區(qū)域,如圖4所示,以減小相鄰IDT及反射柵之間的指條周期跨度,抑制通帶高端“駝峰”。

圖4 指條多周期加權結構3IDT-LCR聲通道

圖5為利用指條多周期加權設計對傳統(tǒng)3IDT-LCR聲通道結構改進前后的仿真對比。由圖可見,濾波器通帶高端“駝峰”得到有效抑制,40/3矩形系數下降到2.03。

圖5 指條多周期加權與傳統(tǒng)結構的濾波器頻響仿真對比

2.2 IDT間引入內反射柵設計

盡管指條多周期加權能有效抑制“駝峰”,但圖5中濾波器高端過渡帶下降趨勢明顯比低端過渡帶緩慢,此問題可通過在左、右IDT與中心IDT之間加入內反射柵進行改善,如圖6所示。

圖6 含內反射柵的多周期加權結構3IDT-LCR聲通道

圖7為兩端各引入9根內反射柵前后的多周期加權3IDT-LCR聲通道結構仿真對比。由圖可見,在引入內反射柵后,器件高端過渡帶下降趨勢更迅速,濾波器40/3矩形系數下降到1.48。

圖7 引入內反射柵前后的濾波器頻響仿真對比

2.3 聲通道間引入諧振器設計

通過采用上述聲通道改進結構后,器件的高端過渡帶下半部分仍存在明顯拖尾,導致矩形系數偏大。針對信道化組件40/3矩形系數≤1.4的指標要求,為進一步降低器件矩形系數,本文在濾波器拓撲電路的兩個聲通道間串聯(lián)一個諧振器,如圖8所示,利用諧振器的導納特性使高端過渡帶更陡直。

圖8 雙聲通道間引入諧振器的拓撲電路結構

圖9為引入諧振器前后的器件通帶頻響特性仿真對比。由圖可見,引入諧振器后的器件高端過渡帶下端拖尾得到有效改善,40/3矩形系數達到1.34。

圖9 引入諧振器前后的濾波器頻響仿真對比

3 器件研制

本文采用上述改進型3IDT-LCR結構研制了一款標稱頻率為253.75 MHz的低損耗、小矩形系數SAW濾波器。濾波器芯片采用42°Y-XLiTaO3壓電基片、Ti-Cu-Ti-Al復合膜IDT電極,芯片封裝于SMD0505表貼金屬陶瓷管殼中。

圖10為研制的SAW濾波器頻響特性仿真與實測對比。由圖可見,仿真與實測結果具有較好的吻合性。圖11為器件的實測頻率響應曲線。器件實測插入損耗為1.05 dB,低端帶外抑制近80 dB,高端帶外抑制近65 dB,-1 dB帶寬10.5 2MHz,-3 dB帶寬12.54 MHz,-40 dB帶寬16.68 MHz,矩形系數1.33,達到信道化接收組件應用的性能要求。

圖10 研制的SAW濾波器仿真與實測對比

圖11 研制的SAW濾波器實測頻率響應

4 結束語

本文通過反射柵及IDT指條多周期加權、在IDT間引入內反射柵、在聲通道間引入諧振器,對傳統(tǒng)雙聲通道3IDT-LCR低損耗SAW濾波器結構進行改進,研制出一款低損耗、小矩形系數SAW濾波器。改進型3IDT-LCR結構可推廣應用于其他不同壓電基片材料的低損耗、小矩形系數濾波器設計中。