基于36°Y-X鉭酸鋰的扇形聲表濾波器設計與研究

蔣道軍,吳 燕,張顯洪,肖 強,董加和,蔣國宇

(中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

隨著電子對抗與通訊技術的發展,信號頻段越來越多,噪聲信號影響愈發嚴重,為了提高電子設備的可靠性和抗干擾能力,必須采用各類型的濾波器。聲表面波(SAW)濾波器因具有矩形度高、封裝尺寸小、質量小、穩定性好、可靠性高和批量生產一致性好等特點,被廣泛用于雷達、數據鏈、衛星通信系統和移動通訊等領域[1]。其中扇形SAW濾波器通常被用于電子系統的中頻信號處理中,其主要作用是濾除噪聲信號,提高系統信噪比,保證載波信號傳輸流暢,不失真,同時因扇形濾波器的插損小,可以減小整機功耗。

在相對帶寬5%～10%范圍的扇形SAW濾波器設計中,基片材料常采用YZ鋰酸鋰(YZ-LN),其機電耦合系數(ΔV/V)為2.4,但頻率溫度系數(TCF)較大(為-94×10-6/℃),因此溫度特性差,且YZ-LN材料有很強的體波效應,若是帶通濾波器,則會在上阻帶產生無用信號,惡化高端帶外抑制,使用上受限。基于此,本文對基片材料展開了研究[2],研究發現鉭酸鋰在36°Y-X切向時,其機電耦合系數(ΔV/V)為2.4%(與YZ-LN相當)、TCF為-32×10-6/℃。因此,36°Y-X鉭酸鋰(36°-LT)具有較強的壓電耦合性和適中的溫度穩定性,但36°Y-X鉭酸鋰屬漏波材料,叉指換能器(IDT)激發的是漏波,其聲學特性與表面波(瑞利波)存有一定的差異。

1 漏波特性分析

漏波是指在一些特殊切型的壓電材料上,聲波在傳播過程中有部分能量將不再集中于介質表面附近,即它的能量在傳播過程中有部分泄露到介質內部。基于COMSOL有限元軟件計算了鋁/36°鉭酸鋰(Al/36°-LT)材料在不同相對電極厚度(1%～9%)條件下的聲波能量分布情況,如圖1所示。

圖1 Al/36°-LT不同電極厚度(1%～9%)能量分布情況

由圖1可見,聲波能量集中在2個波長以內(深度為-2λ),且越靠近表面,能量越強;隨著膜厚的增加,能量呈逐漸朝表面集中的規律;當膜厚達到9%時發現,大部分能量集中在1個波長以內。

漏波與瑞利波的特性雖有不同,但漏波同樣可由叉指換能器激勵,被反射柵反射。采用分析表面波器件常用的方法來近似分析漏波器件,但需對特性參數進行修改,通常使用的方法是COM理論[3]。漏波的壓電耦合系數比表面波高,但這取決于IDT膜厚度;漏波的溫度穩定性與表面波穩定性類似,或者更好。鉭酸鋰漏波材料的壓電耦合性和溫度特性較好,常被用于“射頻濾波器”設計中,因此,本文的扇形濾波器設計也采用鉭酸鋰漏波材料。

2 器件設計與分析

本文設計了中心頻率為187.5 MHz,帶寬為8 MHz,矩形系數(Bw30/Bw1)≤2的濾波器。考慮到制作誤差和溫度漂移,將1 dB帶寬算到9.4 MHz。

2.1 基片材料

本文濾波器相對帶寬約為5.8%,基片材料選用36°Y-X鉭酸鋰,其材料主要特性如表1所示。由表可見,該材料的機電耦合系數與YZ-LiNbO3相當,但溫度穩定性更好,適用于5%～10%的相對帶寬。

表1 基片材料主要特性參數

2.2 芯片結構

扇形濾波器的相對帶寬≤20%,一般采用電極寬度控制(EWC)單元結構[4]。根據本文濾波器的相對帶寬,濾波器設計采用EWC單元結構,IDT采用5-3-5分節的電容加權結構,換能器(IDT)中間的屏蔽條采用空心扇形結構,可以獲得較好的相位線性度。濾波器芯片設計數據如表2所示,掩膜版圖如圖2所示,器件圖形長度4.1 mm×2.4 mm,芯片劃片尺寸5.2 mm×2.6 mm,采用SMD7×5外殼封裝,符合小型化趨勢。

表2 濾波器芯片設計數據

圖2 芯片設計版圖

2.3 濾波器仿真

通過優化設計和軟件仿真,濾波器的理論仿真數據如表3所示,仿真的頻響曲線如圖3所示。

表3 濾波器理論仿真數據

圖3 理想仿真頻響曲線

IDT電極為金屬鋁,膜厚300 nm,其中聲反射總量控制在約-1.024j,模擬頻響(不帶匹配)的情況如圖4所示。

圖4 模擬頻響(不帶匹配)

2.4 濾波器實測結果與分析

圖5給出了上述設計方案的實測結果。由圖可見,實測結果與模擬結果在通帶形狀、過渡帶趨勢,以及近端帶外抑制基本一致,這說明用漏波材料設計扇形SAW濾波器是可行的,但是也存在差異:

圖5 實測頻響(不帶匹配)

1) 計算不匹配狀態下的波紋為1.33 dB,而實際測試結果約為1.73 dB。

2) 近端帶外惡化了約8 dB。

3) 不匹配狀態損耗計算值為13.7 dB,實測值為11.4 dB。

差異的存在說明了材料參量的取值與實際有所偏差,后續將通過參數擬合得到更準確的材料參數,并繼續優化設計,如孔徑的取值、IDT端面反射的抑制等,這將使濾波器獲得更好的指標。

3 濾波器匹配

扇形SAW濾波器一般需要外加匹配,如果不加匹配,則其插損和通帶波紋很大,端口駐波特性也較差。扇形SAW濾波器的匹配具有以下幾個作用:

1) 取得小的駐波系數。低損耗SAW濾波器通過匹配可使其駐波系數為1.2～2.0。

2) 取得小的損耗。中頻低損耗SAW濾波器要求必須匹配才能得到小的損耗。

3) 取得平坦的通帶特性。大帶寬SAW濾波器、中頻低損耗結構濾波器若不匹配,則通帶波紋很大,匹配后不但可降低損耗,而且可以得到平坦的通帶特性。

4) LC匹配網絡設計得當,將起到LC濾波器的作用,可提高遠端帶外抑制。

表4為濾波器外匹配后的實測數據。圖6為實測頻響(外帶匹配網絡)。

表4 濾波器外匹配后實測數據

圖6 實測頻響(外帶匹配網絡)

在電路應用中,為了抑制高端寄生響應(主要是SAW濾波器的二次、三次諧波響應),扇形SAW濾波器一般情況下需要添加1個低通濾波器,而本文濾波器的高端帶外如圖7所示。由圖可見,濾波器高端帶外抑制好,可省去一級低通濾波器。

圖7 濾波器高端帶外抑制(外匹配下)

4 結束語

本文利用36°Y-X切鉭酸鋰較強的壓電耦合性和適中的溫度穩定性,設計了一款中心頻率187.5 MHz,帶寬8 MHz的聲表面波濾波器,其插入損耗達到-7.6 dB。濾波器測試結果與仿真吻合,說明采用36°Y-X切鉭酸鋰漏波材料來設計扇形濾波器可行,且所設計的相對帶寬5%～10%的濾波器可以實現較小的插入損耗和適中的溫度穩定性。