級(jí)聯(lián)型聲表面橫波濾波器

周 衛(wèi)，王 嵐，黎 亮

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

弱壓電石英基片具有一階溫度系數(shù)為0的頻率溫度特性，適合制作高頻窄帶濾波器。在AT-36°石英基片旋轉(zhuǎn)90°傳播方向上，采用使掠面體波(SSBW)被鉗制到表面?zhèn)鞑サ哪Ｊ郊?lì)聲表面波(SAW)，被稱為表面橫波(STW)。可激勵(lì)出高達(dá)5 070 m/s的聲速，適合制作高頻器件。

通常在石英基片上激勵(lì)的SAW模式，有雙模耦合濾波器(DMS)、橫向耦合模式濾波器(TCF)、耦合諧振濾波器(CRF)及STW。在這些壓電石英基片上激勵(lì)的聲波模式中，只有STW模式是采用使SSBW被鉗制到表面?zhèn)鞑サ哪Ｊ郊?lì)的SAW，即STW模式是將改變?cè)緷撊刖w內(nèi)傳播的SSBW，使其沿著晶片表面?zhèn)鞑ィ腋淖兞藗鞑シ较虻腟TW的聲速，是在壓電石英基片上的傳播速度為SSBW的聲速，即為高的聲速，為瑞利型SAW聲傳播速度的1.6倍，達(dá)到5 070 m/s，這樣高的聲速，更適合制作高頻率濾波器。

本文描述了在壓電石英基片上新研制出的聲表面橫波濾波器，頻率為1 219.4 MHz，單只濾波器的損耗約為4.5 dB，2只串聯(lián)損耗為9.38 dB，-1 dB帶寬為0.743 MHz，在其通帶波紋小于1 dB，在-100～+100 kHz時(shí)的群延時(shí)波動(dòng)小于100 ns，輸入、輸出端駐波小于2。

1 設(shè)計(jì)原理

STW濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由向基片內(nèi)部傳播的SSBW[1]，采用在兩叉指換能器之間，加入短路柵的結(jié)構(gòu)，使SSBW被鉗制到基片表面?zhèn)鞑?，而不?huì)深入基片內(nèi)[2-3]。

本設(shè)計(jì)為2只聲表面橫波濾波器的級(jí)聯(lián)，一方面要求2個(gè)單只濾波器的頻率非常準(zhǔn)確，且單只STW濾波器的損耗和帶寬等性能，需要合理設(shè)計(jì)，既要兼顧帶寬要求，又要考慮群延時(shí)波動(dòng)小的特點(diǎn)；另一方面，由于是低損耗濾波器，因此，為了增加聲表面橫波的傳播，減少傳播損耗，需選擇合適的中間短路柵指條數(shù)，以便增加聲波傳播的耦合，減少傳波損耗，降低器件的插入損耗[4-5]。

本文設(shè)計(jì)濾波器的L波段極窄帶濾波器,為帶寬低損耗聲表面橫波濾波器，中間短路柵的指條數(shù)取25條，換能器指條數(shù)為85λ(其中λ為聲表面橫波波長)，反射器指條數(shù)為350條[7]。在壓電石英基片上激勵(lì)的各種SAW聲速如表1所示。

表1 壓電石英基片上激勵(lì)的聲波的特性參數(shù)

本文研制的L波段聲表面橫波濾波器(STWF)的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié)果及分析

本設(shè)計(jì)的STWF測(cè)試時(shí)需加外匹配電感，其匹配電路如圖1所示，匹配電路相對(duì)較簡單，僅在輸入、輸出端各并聯(lián)一只6.8 nH的電感。

圖1 匹配電路

圖2為1#STWF外加匹配時(shí)的測(cè)試圖。由圖2 (a)可看出， 1#聲表面橫波濾波器的損耗為4.43 dB，-1 dB帶寬為785 kHz，在-1 dB帶寬中心頻率-100～100 kHz的群延時(shí)波動(dòng)小于50 ns，輸入、輸出駐波小于1.5。由圖2(b)可知，-3 dB帶寬為1.206 MHz，偏離峰值-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于30 dB。

圖2 1#濾波器帶匹配時(shí)頻率幅度、群延時(shí)、駐波等參數(shù)測(cè)試圖

圖3為2#STWF外加匹配時(shí)的測(cè)試圖。由圖3(a)可得2#聲表面橫波濾波器的損耗為4.51 dB，-1 dB帶寬為790 kHz，在-1 dB帶寬中心頻率-0.1～0.1 MHz的群延時(shí)波動(dòng)小于50 ns，輸入、輸出駐波小于1.5。由圖3(b)所示，-3 dB帶寬為1.21 MHz，偏離峰值-4 MHz和4 MHz處的抑制大于30 dB。

圖3 2#濾波器帶匹配時(shí)頻率幅度、群延時(shí)、駐波等參數(shù)測(cè)試圖

圖4為1#和2#濾波器級(jí)聯(lián)后的-1 dB、-3 dB及-40 dB帶寬等參數(shù)測(cè)試圖。級(jí)聯(lián)后濾波器損耗為9.38 dB，-1 dB帶寬為0.743 MHz(見圖4(a))。由圖4(b)、(c)可看出， -3 dB帶寬為1.06 MHz， -40 dB帶寬為2.94 MHz。由圖4可知，級(jí)聯(lián)后濾波器的帶外抑制大幅度提高，在-4 MHz和+4 MHz處的抑制大于60 dB。

圖4 1#、2#濾波器級(jí)聯(lián)的-1 dB、-3 dB、-40 dB帶寬等參數(shù)測(cè)試圖

圖5為1#、2#濾波器級(jí)聯(lián)后的頻率幅度、群延時(shí)、駐波測(cè)試圖。由圖可知，在-1 dB帶寬中心頻率-0.1～0.1 MHz時(shí)群延時(shí)波動(dòng)小于50 ns；輸入端駐波小于1.7；輸出端駐波小于1.8。

圖5 1#、2#濾波器級(jí)聯(lián)后的頻率幅度、群延時(shí)、輸入、輸出駐波測(cè)試圖

3 討論

在AT-36°石英基片上可激勵(lì)出高達(dá)5 070 m/s的聲速，適合制作高頻濾波器。本文研制的是2只聲表面橫波濾波器級(jí)聯(lián)后的特點(diǎn)。對(duì)比單只濾波器和2只級(jí)聯(lián)后濾波器的特點(diǎn)[8]可知，單只濾波器的損耗、群延時(shí)波動(dòng)、駐波等性能，均優(yōu)于2只濾波器級(jí)聯(lián)后的性能，但2只濾波器級(jí)聯(lián)后的帶外抑制，遠(yuǎn)高于單只濾波器。單只濾波器的帶寬(如-1 dB帶寬)，比級(jí)聯(lián)后的濾波器的帶寬寬，即級(jí)聯(lián)后的帶外抑制幾乎是2只單濾波器的疊加，但其損耗也是2只單濾波器的疊加。而級(jí)聯(lián)后濾波器的群延時(shí)波動(dòng)并非2只單個(gè)濾波器的群延時(shí)波動(dòng)的疊加，而是小于2只單個(gè)濾波器群延時(shí)波動(dòng)的疊加。因此，在應(yīng)用時(shí)需要依據(jù)具體應(yīng)用要求，如損耗可在應(yīng)用后用其他方式得以補(bǔ)償，且?guī)庖种票仨氁蠛芨摺?/p>

無論是2只濾波器級(jí)聯(lián)應(yīng)用，還是單只器件應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的聲表面橫波濾波器的駐波均小于2，便于在整機(jī)中應(yīng)用。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代通訊技術(shù)向更高頻率、更小體積方向發(fā)展，因此，研究和應(yīng)用高聲速器件，是當(dāng)今的重要科技技術(shù)的重要突破，如體聲波(BAW)的西薩瓦波，其聲波傳播速度可達(dá)8 000 m/s，在高頻延遲線方向得以應(yīng)用。而采用諧振腔型的薄膜體聲波(FBAR)結(jié)構(gòu)的濾波器，其研制出的器件頻率已達(dá)29 GHz，但由于基片原因，其頻率隨溫度變化率相對(duì)于溫度系數(shù)為0的石英基片上的聲表面橫波濾波器要大，因此，F(xiàn)BAR濾波器不適合做極窄帶濾波器。

基于石英基片的STW濾波器具有高達(dá)5 070 m/s的聲傳播速度，適合制作高頻濾波器，如L波段、S波段。目前研制出的聲表面橫波濾波器的帶寬窄，對(duì)于信號(hào)近端抑制需求的系統(tǒng)，本研制的聲表面橫波濾波器可滿足指標(biāo)要求，但對(duì)于信號(hào)帶寬寬一些的系統(tǒng)應(yīng)用，或要求更寬溫度范圍的使用，本研制的聲表面橫波濾波器的應(yīng)用都會(huì)受限，特別是因?yàn)橥◣挼闹萍s，對(duì)制作的精度要求很高，這就限制了產(chǎn)品的合格率，在現(xiàn)今聲表面波濾波器競(jìng)爭激烈的市場(chǎng)中受限，無論是成本、產(chǎn)品制作周期等因素，都受到影響。因此，聲表面橫波濾波器將會(huì)向更寬的帶寬方向和更適合大批量生產(chǎn)的方向發(fā)展，應(yīng)用將更廣泛。