一种新型声表面波振荡器系统的设计研究*

文常保，方吉善，巨永锋

(长安大学电子与控制工程学院/微纳电子研究所，西安710064)

一种新型声表面波振荡器系统的设计研究*

文常保*，方吉善，巨永锋

(长安大学电子与控制工程学院/微纳电子研究所，西安710064)

针对振荡器中声表面波器件存在的体声波干扰、电极反射及旁瓣过大问题，提出了一种新型声表面波振荡器系统的设计方案。该方案将多条耦合器用于分离体声波，分裂电极用于减弱电极反射问题，并采用了输入、输出换能器双加权的措施来降低旁瓣信号。通过对一个中心频率为50.8MHz声表面波振荡器的实现和测试，得到该新型声表面波振荡器系统的振荡频率为50.613 MHz，与系统的设计值误差仅为3.6‰，并且具有良好的周期性和稳定性。

声表面波器件;声表面波振荡器;体声波;电极反射;旁瓣

振荡器是一种无需外部激励信号，就能将直流电源供给的功率转换为具有一定频率和振幅信号输出的电子系统［1-2］。声表面波振荡器系统由于具有高的频率稳定度和小的接入系数，因此在正弦波、方波等各种信号源，以及载波电路、传感器等高频及甚高频领域得到了广泛应用［3-5］。

声表面波器件作为声表面波振荡器系统的核心元件，器件的设计参数不仅决定了振荡信号的频率，而且器件性能的优良将直接影响到整个系统的性能指标和稳定性。然而，传统上使用的等叉指、双换能器型声表面波器件，由于器件结构上的不足，使器件在性能上存在体声波干扰［6］、电极反射［7］及旁瓣信号干扰［8］等问题，因此，为了得到一个周期性好、性能稳定的声表面波振荡器系统就必须对其中的核心器件——声表面波器件的性能进行优化设计。

本文针对这些问题，提出了一种可以分离体声波、抑制电极反射和旁瓣的声表面波器件结构，并将其用于振荡器的设计，提出了一种新型声表面波振荡器系统。

1 声表面波器件的性能优化方案

1.1 分离体声波干扰

声表面波器件的体声波干扰问题，主要是由于器件中的叉指换能器在激发声表面波信号的同时，还会激发出一种频率远大于声表面波信号的体声波信号［6，9］，这种声波信号不仅会对接收换能器中所接收的声表面波信号产生干扰，而且会使器件的频谱特性曲线出现带内波纹过大及右边带出现高于声表面波同步频率的假响应现象。

对于体声波的抑制，尽管可以采用与体声波耦合弱的压电材料作为基片材料，但由于晶体材料的各向异向性，以及晶体对体声波的抑制有晶向选择性取向等问题，使其使用具有一定的不便性。另一种就是在声表面波器件设计中通过器件结构设计的方法，来控制体声波的传播路径，进而达到分离体声波的目的，其中增加多条耦合器就是一个很好的解决方案。

多条耦合器理论是由英国学者 Marshall和Paige提出的［10］。多条耦合器一个最重要的特性，就是对体声波的分离作用，这主要因为多条耦合器在对输入换能器激发的混合声波信号HAW中的声表面波信号SAW进行转移的过程中，并不改变声波信号中体声波信号BAW的传播方向，所以可以对其中的体声波信号进行分离，基本原理如图1所示。另外，如果再在器件的两端涂覆上吸声材料，就可以吸收分离出来的体声波信号，进而达到消除体声波对器件性能影响的目的。

图1 多条耦合器分离体声波的示意图

在文献［10］中，Marshall等人通过大量的实验证明:这种结构中的多条耦合器可以将BAW几乎完全分离出来，并且在全耦合设计情况下，声表面波的转移率可以达到100%。由于该方法不改变声表面波信号本身特性，且多条耦合器本身对声波信号的衍射具有一定抑制作用，另外，它的实现方法与换能器制作工艺相同，因此，在振荡器系统的声表面波器件设计中采用多条耦合器来分离体声波信号。

1.2 减弱电极反射

声表面波振荡器中声表面波器件遇到的电极反射问题，主要是同一换能器内部电极之间的反射情况。这种反射信号不仅增大了声表面波器件的插入损耗，而且使带内波纹增加，恶化了器件的性能特性。

换能器内部电极之间的反射，主要是因为换能器所激发的声表面波信号主要是依靠电极边缘来实现的，所以是一种典型的边缘场激发现象［7，11］。如果采用传统单电极周期为λ0的叉指换能器，它的金属叉指宽度与叉指间隙宽度相同，都等于λ0/4，所以换能器的叉指周期为λ0/2，此时，电极之间的反射问题可以用图2表示。

图2 单指叉指换能器指条边缘反射示意图

从图2中可以看到，电极边缘1处激发的声波A在电极2处被反射回来，反射波A'所经过的路程为λ0;而声波B在电极3处被反射回来，反射波B'所经过的路程为2λ0，这样声波B的反射波B'与声波A的反射波A'之间的相位差为2π，同相位，所以声波B的反射波B'一定程度上增强了声波A的反射波A'。同理，电极边缘4处的反射波C'尽管随着距离的加大有所减弱，但是反射波的相位相同，所以仍在一定程度上加强了电极边缘1处的反射问题。

为了消除单指叉指换能器存在的指条边缘反射问题，在振荡器系统声表面波器件的设计中采用了图3所示的分裂电极方案。这种换能器是在设计时将普通叉指换能器的每一根指条一分为二就可以构成分裂叉指换能器，即原来宽度为λ0/4的叉指电极，现在为λ0/8，减少为原来的一半。

在图3中电极边缘1处激发的声波A在电极2处被反射回来，反射波A'所经过的路程为λ0/2，而声波B在电极3处被反射回来，反射波B'所经过的路程为λ0，这样声波B的反射波B'与声波A的反射波A'之间的相位差为π，相位相反，所以声波B的反射波B'一定程度上减弱了声波A的反射波A'。同理，声波C的反射波C'与声波B的反射波B'之间的相位差也为π，相位相反，也在一定程度上减弱了声波B的反射波B'。依此类推，在这种结构中相邻两个电极的反射波之间是相互削弱的。

图3 分裂指叉指换能器的电极反射示意图

1.3 抑制旁瓣干扰

对于传统等叉指结构的换能器，理论上在器件的频率响应曲线中，第1旁瓣仅仅比主瓣的峰值低13.26 dB［9，12］，但如果考虑信号反射、体声波干扰、假响应等问题，旁瓣与主瓣峰值的差值将远小于这个值，因此，在测量中旁瓣信号很难与主瓣信号分离出来，将产生很大干扰。

在抑制旁瓣的设计中，可采用对输入换能器进行加权的方法来实现［13］。同时，考虑到器件在分离体声波信号设计中采用了多条耦合器，因此，可对输入、输出换能器同时进行加权，进一步达到减小旁瓣的目的。这是因为:多条耦合器在可以进行体声波分离的同时，还有一个重要的特性——避免了传统双换能器结构中输入和输出不能同时加权的问题，因为传统结构中输入加权换能器激励的声表面波振幅在波阵面上不相等，如果对输出换能器再加权，则会出现输入与输出传递函数之积不成立的情况［7-8］。而采用多条耦合器后的声表面波器件则允许输入、输出换能器同时加权。因此，在振荡器系统的声表面波器件设计中将输入、输出都采用同样加权设计，来提高器件的旁瓣信号抑制能力。

综合上述声表面波器件性能优化设计方案，在声表面波振荡器系统所用声表面波器件的设计中采用了多条耦合器进行体声波信号的分离，采用分裂电极设计来减弱换能器中电极反射问题，并采用对输入、输出换能器同时加权设计的方案来抑制旁瓣过大问题。

这3种技术措施中，多条耦合器用于分离体声波信号，可以有效避免使器件的频谱特性曲线出现带内波纹过大及右边带出现高于声表面波同步频率的假响应现象;分裂电极设计技术可以减弱电极反射现象，减少带内波纹，增加器件特性曲线的平滑性;输入、输出换能器双加权的设计措施，则可以有效降低响应曲线的旁瓣响应，提高器件的旁瓣抑制能力。另外，这3种措施，在降低器件损耗方面都有积极的作用。

2 实验

2.1 声表面波器件的设计与测试

根据声表面波振荡器系统振荡信号频率的需要，声表面波器件的中心频率设计为50.8 MHz。同时，考虑到器件的损耗和体积问题，这里采用具有高机电耦合系数的128°YX-LiNbO3晶体作为器件的制作衬底材料，声表面波的传播波速为3 886 m/s。图4是进行封装绑定后的实际器件图片。其中，T是声表面波输入换能器，M是多条耦合器，R是声表面波输出换能器。

图5是使用LW-300MT芯片测试系统，其中T是采用分裂电极和加权设计方案的输入换能器，M是用于分离体声波的多条耦合器。

图6是使用Agilent E5062A射频网络分析仪对所制作声表面波器件进行测量得到实际频率响应特性图。可以测得器件中心频率处的插入损耗为-8. 43 dB，体声波及电极反射问题得到了很好的处理。另外，从图6可以观察到器件频率响应特性曲线右侧的旁瓣抑制大于50 dB，比传统等叉指、双换能器结构［9，12］高近40 dB。

图4 封装绑定后的声表面波器件

图5 声表面波器件的内部结构

图6 器件的频率响应特性

2.2 声表面波振荡器系统的设计与测试

该声表面波振荡器主要由声表面波器件SAW、晶体管放大器Q1、以及与声表面波器件组成电容反馈式电路的电容C3、C4、和电感L2组成，系统电路原理如图7所示。Vi为输入电压，Vo为输出电压。电容C1、C2、及电感L1组成直流干扰滤除电路，R1、R2为晶体管放大器Q1的偏置电阻，并且与晶体管放大器Q1及反馈电阻R3共同组成共集电极放大电路。

图7 系统的电路原理图

图8为该声表面波振荡器的实际系统图片，其中，晶体管放大器Q1选用具有高增益、低噪声的硅NPN C3355型高频三极管;电容C1=10 μF，C2=0.1 μF，C3=C4=27 pF;电感L1=800 mH，L2=760 nH;电阻R1=R2=75 kΩ，R3=100 Ω;输入电压Vi=12 V。

图8 声表面波振荡器系统图片

对振荡器输出信号使用Agilent 7032A示波器进行测量，测得系统的振荡频率为50.613 MHz，系统的振荡波形如图9所示。

从图9可以看出，该声表面波振荡器系统，不仅成功输出了振荡信号，而且由于核心器件声表面波器件性能的改进，使系统振荡信号具有了更好的周期性和稳定性。

图9 声表面波振荡器输出波形

另外，实际声表面波振荡器系统的振荡频率50.613 MHz与声表面波器件的中心频率50.8 MHz之间存在0.187 MHz的频率差。根据分析，造成这一误差的原因主要来自于系统中电感元件L2，由于市场上没有这一精确值的集成电感，制作中采用了手工绕制的电感，因而造成了振荡频率近3.6‰的误差率。如果能够制作更准确的电感，或者找到这一数值的集成电感，系统的这一频率误差将会大大降低。

3 结论

本文在对体声波、电极反射、旁瓣等影响声表面波器件性能的因素进行分析研究的基础上，将多条耦合器、分裂电极和加权换能器等优化方案用于声表面波振荡器系统中声表面波器件的设计。通过一个振荡频率为50.613 MHz声表面波振荡器系统的设计和实现，验证了该优化设计方案的可行性。此外，该研究对其他类型的声表面波器件设计和性能优化具有一定的参考价值。

致谢

感谢我的导师，已故西安交通大学朱长纯教授生前对论文工作的指导，感谢中国兵器工业集团第206研究所刘清洪高级工程师及王植平、郜鹏、倪旭文、党双欢、崔婧等在器件及系统制作过程中给予的技术支持和帮助。

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文常保(1976- )，男，汉族，山西运城人，长安大学，副教授，博士/博士后。2012年到2013年在美国University of South Florida从事访学研究工作。主要从事微纳电子器件、信息处理器件及传感器的研究，wchbdn@163.com。

Study on Design of Novel Surface Acoustic Wave Oscillator System*

WEN Changbao*，FANG Jishan，JU Yongfeng

(Institute of Micro-nanoelectronics/School of Electronics and Control Engineering，Chang’an University，Xi’an 710064，China)

In order to solve the bulk acoustic wave(BAW)interference，the electrodes reflection and high side lobe in the acoustic surface wave(SAW)device of SAW oscillator system，the novel SAW oscillator system is proposed.In this design scheme，the BAW is separated by the multi-strip coupler，and the electrodes reflection and the side lobe are suppressed by the split electrode and weighted input and output input interdigital transducers，separately.The realization and measurement results of the novel SAW oscillator system with center frequency at 50.8 MHz conform that the frequency of the oscillator signal is 50.613 MHz，and the frequency error between the actual measurement and theoretical design is only 3.6‰.Furthermore，the SAW oscillator system has good periodicity and stability.

surface acoustic wave(SAW)device;SAW oscillator;bulk acoustic wave(BAW);electrodes reflection; side lobe

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.015

TN65;TN752

A

1005－9490(2014)02－0240－05

项目来源:国家自然科学基金项目(60806043);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2013G3322010)

2013-06-11修改日期:2013-07-23

EEACC:2560Z