三次泛音单片式、高频及高阻带晶体滤波器

阳 皓，彭胜春，陈仲涛，陈冬梅，管 弦，张 念，张静雯

(中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

41.4 MHz是电台通讯中的一个常用频点，工作在该频段的滤波器主要有晶体滤波器、声表滤波器、LC滤波器等[1]。与其他滤波器相比，晶体滤波器能实现的相对带宽更窄，损耗更小，温度稳定性更好，阻带抑制更高，能有效提高整机系统的灵敏度和抗干扰能力，广泛应用于各种通讯、导航系统中。本文根据用户提出的具体研发需求，设计了一个工作频率为41.4 MHz、响应模式为三次泛音的晶体滤波器，该滤波器具有相对带宽窄，阻带抑制度高及体积小等特点。

1 滤波器的技术指标

滤波器的技术指标(输入输出阻抗：50 Ω)参数如表1所示。

表1 滤波器技术指标

2 滤波器设计

2.1 电路结构设计

目前，晶体滤波器按电路结构主要分为分立式电路和单片式电路。

单片式晶体滤波器利用晶体材料的厚度切变振动模式，在晶片上制作两对电极，每对电极形成一个谐振器，通过控制晶片厚度、电极尺寸、电极间距等使某些频率的声波能在晶片上通过耦合从输入传到输出，另一些频率的声波则不能传输而被抑制，从而达到滤波的目的。单片式电路具有体积小，电路结构简单等独特优势。

分立式电路采用差接桥型电路(在滤波器性能上与格型滤波器电路等效)，通过控制各晶体谐振器频率，调整各级电路的阻抗特性，从而达到滤波的目的。分立式电路设计更灵活，可调整范围大，所实现的频率-带宽范围都远宽于单片式电路。

以本项目为例，若选用分立式电路设计方案，所需晶体谐振器数量最少为4个，按UM-5封装形式晶体谐振器计算，谐振器所占体积至少为25 mm×15 mm×7 mm(含电感、电容元件)，无法满足器件小型化要求，因此，采用单片式电路结构仅需2个UM-5封装的单片式晶体滤波器级联就可实现，满足器件体积要求。阻抗转换方式采用变压器阻抗转换电路，可有效提高器件的阻带抑制和杂波抑制。两节单片式电路结构如图1所示，其中Z1和Z2为晶体谐振器，L1、C1和L2、C2分别为输入、输出端的阻抗转换网络，C3为耦合电容。

图1 两节单片式电路

2.2 晶体材料选择

用来设计单片式晶体滤波器的材料主要有石英、钽酸锂、铌酸锂，几种晶体材料性能对比如表2所示。

表2 几种压电晶体材料特性对比

与其他晶体相比，石英晶体的机电耦合系数较小，温度稳定性更好，适合作窄带滤波器[2]。采用三次泛音模式实现的相对带宽约为基频模式的1/9。因此，本项目适合选择三次泛音模式的石英晶体材料。

2.3 三次泛音晶体谐振器设计

晶体谐振器是晶体滤波器中的关键元件，几乎决定了滤波器的所有参数。晶体谐振器设计包括晶片厚度、外形(尺寸)、电极大小、电极分缝及镀回频率设计等。

2.3.1 晶片厚度、外形(尺寸)要求

晶体谐振器的晶片厚度和工作频率的关系为

t=(n×Kf)/f0

(1)

式中：t为晶片厚度；n为泛音次数；Kf≈1 680 kHz·mm为频率常数。根据式(1)计算可得，当工作频率为41.4 MHz，工作模式为三次泛音的晶体谐振器时，t≈0.12 mm，能满足平面研磨的要求。

2.3.2 电极设计

三次泛音模式的单片式晶体谐振器电极设计与基频模式类似，首先根据频率、带宽、匹配阻抗等技术指标，采用相应的传输函数(切比雪夫函数、贝塞尔函数、高斯函数等)。选取归一化的低通耦合系数和质量因数，计算出带通耦合系数，并由此计算出谐振器的电极面积，最终由耦合方程结合经验公式计算出电极尺寸、电极间距、白片频率、耦合电容等[3]。

单片式晶体谐振器(声耦合方向为z′方向)的耦合方程为

(2)

式中：Kz′为石英晶体的带通耦合系数；lz′为耦合方向的电极尺寸；d为电极分缝；Δ为镀回频率；c55和c66为石英晶体的弹性刚度常数。

根据能陷理论[4]，要达到良好的寄生抑制，lz′与Δ应当满足：

(3)

电极图形对晶体谐振器的寄生位置、寄生抑制水平有很大的影响，在实际应用中，通常采用不同电极图形的晶体谐振器配对，利用寄生位置的差异，对寄生模形成相互抑制，从而整体提高滤波器的寄生抑制水平。通过对比计算，采用铝材料制备电极，两个谐振器的电极尺寸分别为0.7 mm×2.0 mm和0.8 mm×1.9 mm，电极分缝为0.5 mm。

2.3.3 镀回频率的控制

根据能陷理论，晶片的Δ将对晶体谐振器的寄生抑制产生影响。Δ过低，将导致晶体谐振器响应变弱；Δ过高，将增加引入的寄生参数。因此，设计单片式滤波器时，将对晶片的Δ进行严格控制。对频率为41.4 MHz的三次泛音的晶体谐振器，分别选择Δ=150～200 kHz、200～250 kHz、250～300 kHz、300～350 kHz、350～400 kHz的晶体谐振器进行试验，测试数据如表3所示。将晶体谐振器的Δ控制在150～200 kHz内，寄生峰最小，有利于提高阻带抑制。

表3 不同镀回频率与寄生峰位置、大小的关系

2.4 三次泛音单片式晶体滤波器工艺

三次泛音单片式晶体滤波器工艺流程与常规基频单片式晶体滤波器相似(见图2)，但要建立一个成熟的泛音模式单片式晶体滤波器工艺线，重点要在以下两方面进行工艺提升：

1)高平行度的晶片研磨工艺。由于泛音模式下，晶体谐振器的电极尺寸较大，占据了大部分晶片的面积，引入的寄生参数更多。与基频晶体谐振器相比，泛音响应模式下晶片的平行度对晶体谐振器的寄生参数影响大。在实际应用中，基频晶体谐振器要达到30 dB以上的寄生抑制，晶片平行度要求在0.55 μm以内，三次泛音模式要达到同样的寄生抑制，晶片平行度要求必须在0.3 μm以内。在晶片研磨过程中，通过合理控制研磨砂的粒径、研磨介质配比(即水、砂、冷却液的比例)、清洗液比例等工艺手段，可达到提高晶片平行度的目的。

图2 泛音单片式晶体滤波器工艺流程图

2)高精度镀膜工艺。泛音模式下晶体谐振器的电极误差将直接导致晶体滤波器的插入损耗、通带宽度、通带波动等电性能参数发生变化，因此必须提高镀膜工艺精度。通常采用磁控溅射、电子束等高精度的镀膜方式，获得统一尺寸的电极。与此同时，提高镀膜设备的真空镀、合理设置镀膜程序使其能精确控制电极厚度。

2.5 晶体滤波器高阻带设计

提高晶体滤波器的阻带抑制，主要从以下两方面进行改进：

1)增加器件内部元件接地面积。将晶体谐振器外壳、电路基板、对地耦合电容等全部焊接在器件底座上，可实现大面积共地设计。

2)加强器件内部的电磁隔离设计。电感线圈采用金属屏蔽罩隔离，晶体谐振器间采用隔离板进行电磁隔离。

3 设计结果

采用石英晶体材料、三次泛音单片式电路设计方案，完成了滤波器研制，最终产品在安捷伦E5071C型网络分析仪上进行测试。所有指标均满足要求，测试数据如表4所示，测试图如图3所示。

表4 产品实测指标

图3 1#样品实测图

4 结束语

采用三次泛音单片式电路结构完成高频窄带晶体滤波器制作，这种设计方案在器件小型化、高可靠性、低成本等方面明显优于其他方案。该产品已成功应用在航空、航天等领域，使用情况良好。目前该技术已推广到更高频率和其他特种晶体材料的晶体滤波器上，进一步拓展了晶体滤波器覆盖的频率-带宽范围。