用于ETC系統(tǒng)的扇形聲表面波濾波器設(shè)計

吳 燕,蔣道軍,施建鋒,張顯洪,杜雪松,張 鈴

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)技術(shù)是解決高速公路收費站擁堵的利器,但目前大部分ETC數(shù)字接收機還不能直接對高速射頻信號進行采樣處理,須通過模擬信道將射頻信號變換到中頻上,同時提供一定增益使其與采樣器匹配,才能采樣并處理數(shù)字信號。在下變頻過程中,由于混頻器產(chǎn)生的一系列組合頻率分量,包括混頻器射頻(RF)和本振(LO)的基波、諧波及基波和諧波的和差分量,這些成分會危害射頻系統(tǒng),如產(chǎn)生雜散,造成噪聲惡化等,所以混頻后采用聲表面波(SAW)濾波器進行濾波,濾除雜波并提取有用信號,能提高系統(tǒng)信噪比,減小誤碼率。因此,濾波器是ETC系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。

1 技術(shù)背景情況

為解決路徑識別和干擾問題,靈敏度和誤碼率是ETC接收機的2個重要指標(biāo)。用戶要求接收機信號靈敏度達(dá)到-88 dBm,誤碼率<100 bit,才能滿足工程應(yīng)用。本文根據(jù)要求為ETC接收機設(shè)計了一款中頻SAW濾波器,其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 ETC系統(tǒng)中頻SAW濾波器主要電性能指標(biāo)

2 設(shè)計過程和分析

由表1可知,本文濾波器相對帶寬≥10%。為了獲得低插入損耗、小通帶波紋及小群時延波動,換能器單元采用電極寬度控制(EWC)結(jié)構(gòu)(見圖1)。為了得到更好的矩形度和帶外抑制,通常采用換能器分節(jié)(電容加權(quán))方式來處理。采用3-1-3分節(jié)電容加權(quán)可實現(xiàn)較小的插入損耗,但濾波器矩形系數(shù)較差。采用5-3-5分節(jié)電容加權(quán)的矩形系數(shù)較好,可實現(xiàn)器件較好的選通性能,但插入損耗較大[1]。在工程產(chǎn)品設(shè)計中需根據(jù)項目指標(biāo)要求選擇設(shè)計方式。用戶要求插入損耗小,且對器件矩形系數(shù)要求不高時,確定采用3-1-3分節(jié)的電容加權(quán)。

圖1 換能器EWC單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 基片材料

基片材料選用128°Y-X鈮酸鋰,其主要特性如表2所示。由表2可見,該材料機電耦合系數(shù)大,適合于設(shè)計相對帶寬≥10%的濾波器。基片表面叉指換能器(IDT)電極為金屬鋁,膜厚100 nm,通過抽指加權(quán)得到總的寬電極數(shù)量為44根,總聲反射量為-0.843 7j。

表2 128°Y-X鈮酸鋰基片材料主要特性參數(shù)

2.2 濾波器仿真

一般ETC使用溫度為-25～+55 ℃,計算出器件頻率溫度漂移為0.24 MHz,故設(shè)計時需考慮制作誤差和溫度漂移,1 dB帶寬設(shè)計為4.54 MHz。通過優(yōu)化設(shè)計及軟件仿真,濾波器理論仿真數(shù)據(jù)如表3所示。仿真頻響曲線如圖2所示。

圖2 理想仿真頻響曲線

表3 濾波器理論仿真數(shù)據(jù)

2.3 芯片結(jié)構(gòu)和封裝外殼

本文濾波器的 IDT采用3-1-3分節(jié)的電容加權(quán)結(jié)構(gòu),IDT中間的屏蔽條采用空心扇形結(jié)構(gòu),可以獲得較好的相位線性度,濾波器芯片設(shè)計數(shù)據(jù)如表4所示。掩膜版圖和外殼內(nèi)腔如圖3所示。該濾波器頻率較低,常規(guī)設(shè)計芯片尺寸很大,為了滿足濾波器小型化的要求,必須控制換能器周期數(shù),將芯片封裝在SMD1365陶瓷表貼外殼內(nèi)。取IDT總的周期數(shù)為97,器件圖形長寬為10.51 mm×3.4 mm,在可靠性的要求下,芯片劃片尺寸為11.6 mm×3.6 mm,與SMD1365外殼內(nèi)腔尺寸相匹配,符合低頻濾波器小型化要求。

圖3 芯片設(shè)計版圖和外殼粘片點焊圖

2.4 濾波器初樣實測結(jié)果

根據(jù)用戶電路板布局的濾波器外匹配電路示意圖,如圖4所示在外匹配(電感L1=270 nH,L2=150 nH)端口的史密斯(Smith)圓圖如圖5所示[2]。

圖4 初樣器件的外匹配電路示意圖(頂視圖)

圖5 端口的Smith圓圖

表5為濾波器初樣外匹配后實測數(shù)據(jù)。圖6為實測頻響(外帶匹配網(wǎng)絡(luò))曲線。由圖6可看出,濾波器通帶波紋干凈、平滑,說明了外電路匹配和聲反射正好抵消。濾波器的群時延波動為40 ns,如圖7所示。

圖6 濾波器初樣頻響曲線

圖7 初樣濾波器群時延波動

表5 濾波器初樣外匹配后實測數(shù)據(jù)

2.5 初樣上機使用情況

初樣上機使用時信號靈敏度為-87.5 dBm(誤碼率<100 bit),與ETC系統(tǒng)要求相差0.5 dBm,不能滿足工程應(yīng)用。反映到SAW濾波器上,初樣濾波器的插損大了0.5 dB。進一步分析,如果濾波器插損降低0.5 dB左右,則能滿足ETC工程應(yīng)用;如果插損再降低1.0 dB,既滿足指標(biāo)要求,又有一定余量,因此需要減小濾波器的插損。

3 濾波器插損的改進

由圖5可知,初樣濾波器匹配后的端口阻抗偏離50 Ω,可適當(dāng)增加匹配電感值(L1=330 nH,L2=180 nH),表6為初樣濾波器增加電感后實測數(shù)據(jù)。圖8為初樣濾波器增加電感值后的頻響曲線。由圖可看出,濾波器的插損減小到-7.6 dB。

圖8 初樣濾波器增加電感值后的頻響

表6 濾波器初樣濾波器增加電感后實測數(shù)據(jù)

SAW濾波器的匹配過程與所要求的技術(shù)指標(biāo)性能及選擇的SAW濾波器型號有關(guān)。本文SAW濾波器(初樣)不允許匹配電路實現(xiàn)與外部傳輸線的理想匹配,因為在較大的聲輻射條件下,改進匹配雖然可實現(xiàn)低損耗,但需要增加幅度和群時延波動,即使插損減小,仍不能滿足工程應(yīng)用。因此,在初樣的基礎(chǔ)上,本文器件改進的難點是在滿足低插入損耗的同時,維持通帶內(nèi)波紋和群時延波動狀態(tài)能。

由圖6、8可看出,鋁膜太薄,高端帶外抑制較差(約33.4 dB)。通過工藝摸索,增加膜厚可改善帶外抑制,但膜過厚將增加工藝難度,根據(jù)剝離工藝要求,將鋁膜厚度增加到500 nm。由于膜厚的改變,聲反射特性也會改變,表7為128°Y-X鈮酸鋰基片材料的電極反射數(shù)據(jù)[3]。

表7 128°Y-X鈮酸鋰基片材料的電極反射數(shù)據(jù)

聲反射系數(shù)為

rs=jc1+jc2h/λ0

(1)

式中:h為膜厚;λ0為中心頻率波長。

由表7可知,c1和c2符號相反,增加膜厚會使聲反射系數(shù)減小,鋁膜500 nm時,通過濾波器仿真軟件計算可得rs=-0.015 8j,寬電極為44根,總聲反射量為-0.698 6j。鋁膜厚為100 nm時,寬電極為44根,總聲反射量為-0.843 7j。由此可知,膜厚增加,總聲反射量減小,這與要求增大聲反射矛盾。通過改進抽指加權(quán)方式,增加反射指數(shù)量,使換能器(IDT1)全抽,如圖9所示。在鋁膜厚為500 nm,寬電極總數(shù)量增加為62根時,總聲反射量為-0.984 3j,即在增加膜厚使聲反射系數(shù)減小的情況下,通過用增加反射指數(shù)量可彌補聲反射量。

最后優(yōu)化出符合使用要求的設(shè)計數(shù)據(jù),通過制版、鍍膜、光刻等半導(dǎo)體平面工藝制作濾波器。表8為優(yōu)化后濾波器外匹配后實測數(shù)據(jù)。圖10為實測頻響(外帶匹配網(wǎng)絡(luò))曲線。

圖10 濾波器實測頻響(外帶匹配網(wǎng)絡(luò))

表8 濾波器外匹配后實測數(shù)據(jù)

將優(yōu)化后的濾波器上機使用,接收機信號靈敏度為-88 dBm,誤碼率<100 bit,達(dá)到用戶要求,滿足ETC工程應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

在濾波器初樣的基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)增大外匹配電感值,再采用改進后換能器反射指結(jié)構(gòu),同時對膜厚進行優(yōu)化,從而實現(xiàn)了器件優(yōu)良的各項指標(biāo)。該款濾波器最終獲得了低插入損耗、小通帶波紋、小群時延波動及良好的帶外抑制指標(biāo),滿足ETC系統(tǒng)工程應(yīng)用要求。