超宽带低损耗SAW滤波器的优化设计

2020-05-10闫坤坤魏勇平

压电与声光 2020年2期

黄歆，闫坤坤，黄玮，魏勇平

(北京中科飞鸿科技有限公司，北京 100095)

0 引言

声表面波(SAW)滤波器以其小体积、低插损和高可靠性在通信系统中得到广泛应用。近年来，因通信系统的高速、大容量的发展趋势，对SAW滤波器提出了大带宽、低损耗的要求。SAW滤波器可实现的带宽基本由机电耦合系数决定，如对42°-LiTaO3(42°-LT)，机电耦合系数为8%～9%，可实现的带宽约为5%；而对41°-LiNbO3(41°-LN)，机电耦合系数为18%～24%，可实现的带宽在8%～10%。因此，人们力图寻找更高机电耦合系数的模式和切向，以实现更大的带宽。

研究发现，在YX-LiNbO3和YX-LiTaO3切向上存在高压电耦合的SH型SAW，尤其是YX-Li-NbO3切向机电耦合系数大于25%，但其传播速度高于慢剪切体波，因此存在较大的传播损耗而无法实用。当在YX-LiTaO3切向晶体表面沉积一层低声速材料，如金、银，这种模式的传播速度将低于慢剪切体波，降低了传播损耗，故将这种模式命名为乐甫波模式。文献[1]发现，用铝代替低声速材料可激发乐甫波模式，但所需膜厚波长比高达12%，器件的制作和大批量生产较难。

Hashimoto给出了基于乐甫波模式的低损耗、大超宽带的设计理论和方法[2]。文中首先提出了用铜膜代替铝膜，指出铜膜所需厚度约为铝膜的0.4倍，且由于铜膜比铝膜的导电性好，因此，较薄的膜并不会增加器件的欧姆损耗，有利于器件的工艺实现和大批量生产。文中还对比计算了在0°YX-LiNbO3和15°YX-LiNbO3切向上激发的乐甫波、瑞利波的耦合系数，虽然15°YX-LiNbO3激发的乐甫波耦合系数略低于0°YX-LiNbO3，但对瑞利波有很好的抑制，更适合器件的设计制作。通过假指加权和并联臂涂覆ZEP520-22光阻等方式[3]对横向模式、瑞利波模式进行抑制，实际器件的试制结果是相对带宽达20%，插损为0.77 dB，可有效抑制杂波。但带内的瑞利波模式未被完全消除，通带内约有2.5 dB的凹坑，对使用有一定的影响；另外，带外抑制约为20 dB，在实际应用中需进一步提高。

本文基于Hashimoto提出的超宽带设计方法，首先在理论上简要分析了器件的工作原理，给出了设计时应特别注意的问题和解决思路，引入了目前已经成熟的模拟退火算法进行设计优化。在工艺上采用光敏型聚酰亚胺，一方面其可采用标准的光刻工艺制备高精度的图形，另一方面其亚胺化后具有很好的吸声效果，可更好地抑制瑞利波模式。最终得到性能较优良的器件，其中心频率为626 MHz，插损为0.94 dB，带内波动小于1 dB，相对带宽为18.5%，带外抑制大于40 dB，封装采用尺寸3.8 mm×3.8 mm×1.5 mm的陶瓷表贴管壳。

1 器件的设计

器件采用六阶梯形滤波器结构，基本结构如图1所示。每个谐振器都存在谐振频率fr和反谐振频率fa，根据梯形滤波器的工作原理，串联臂的谐振频率高于并联臂的谐振频率，使串联臂的谐振频率和并联臂的反谐振频率近似相等，形成滤波器的通带；而串联臂的反谐振频率和并联臂的谐振频率分别对应滤波器的高频和低频阻带。由此可看出，谐振器的谐振频率和反谐振频率的宽度决定了滤波器的带宽。

图1 六阶阻抗元滤波器示意图

滤波器谐振模式的机电耦合系数为

K2=(πfr/fa)/tan(πfr/fa)

(1)

由式(1)可知，设计带宽20%，此时，fa/fr≈1.16，K2≈28%，电容比为2.9。

在基于乐甫波的宽带器件设计制作中，最复杂、最重要的工作是对杂波的理论分析和有效抑制。图2为一个谐振器的导纳图。由图可见，fr与fa差别很大，这是本文设计宽带器件的基础。但在两个频率中间有很多杂波，若不抑制，将会影响器件的性能。分析得出，杂波由瑞利波和横向模两种模式造成。

图2 谐振器的导纳特性图

瑞利波模式的强度相对较强，位于谐振频率和反谐振频率之间，需要选择较适当的膜厚波长比和占空比，使得瑞利波的激发强度相对较小。另外，瑞利波对基片表面的机械扰动很敏感，当表面有液体或粘滞特性的薄膜时，瑞利波将快速衰减，而乐甫波本质上是一种SH型表面波，对表面的扰动敏感较弱。利用这个原理，我们可在器件的适当位置涂覆合适的光刻胶来抑制瑞利波，同时对频响特性影响不大。

横向模是由于换能器、间隙、假指、汇流条不同区域的声速不同造成，可用标量势理论分析，孔径越大，横向模越强，因此，在可能的情况下尽可能采用较小的孔径。由图2可看出，横向模非常靠近谐振频率，无法避免地落在滤波器的通带内，因此，须采取必要的措施，把横向模对频响的影响控制在可接受的范围内(如小于0.5 dB)。采取的措施是假指切指加权，控制好假指的长度、占空比、空隙等参数，则能得到较好的抑制效果。

图3为乐甫波、体波、瑞利波模式的声速和膜厚波长比的关系。由图可知，当膜厚波长比(h/λ)≥5%时，乐甫波模式的声速低于慢剪切体波的声速，此时传播损耗较低，适于器件工作。瑞利波模式的声速在谐振和反谐振模式之间，并随膜厚的变化相对较慢，理解并利用好这一点对设计此类的宽带器件至关重要，我们可用膜厚来调节瑞利波产生的凹坑在通带的位置。下面简要分析一下，假设器件的带宽为f，对于串联臂谐振器，我们可将瑞利波频率设计为稍大于(fr+Δf/2)；对于并联臂谐振器，则可将瑞利波频率设计为稍小于(fa-f/2)。这样在最大限度不损失带宽的情况下，将瑞利波模式避开通带内，而分别位于通带的左、右两端[4]。

图3 铜栅阵/15°YX-LiNbO3结构各模式声速和膜厚波长比的关系

器件的仿真采用Hashimoto-Abbott的修正COM模型，COM参数根据我们的试制结果进行修正。因为COM模型的运算速度极快，这里引入了模拟退火算法[5]来进行优化，模拟退火算法基本流程如图4所示。

图4 模拟退火算法基本流程

将每个谐振器的孔径、换能器的指根数、周期及反射栅的指根数、周期都作为变量，7个谐振器共有35个待优化的设计变量。写好一个目标函数很关键，在目标函数中可以对插损、带宽、驻波、带外抑制等指标赋予不同的目标值和权重，并可以中断程序随时调整目标函数。为了加速运算，我们在程序中采用并行计算的方法，在一个配备双CPU(多核)的电脑上开了12线程并行计算，优化出一个结果需要12～24 h。

采用以上设计方法，基于铜栅阵/15°YX-LiNbO3结构设计了一款中心频率为620 MHz，-1 dB带宽100.6 MHz(16.3%)、-3 dB带宽120.1 MHz(19.4%)、插损0.73 dB的SAW滤波器，仿真频响如图5所示。

图5 器件仿真频响图

2 实验结果

根据第1节的分析和模拟仿真，在15°YX-LiNbO3基片上，采用铜电极材料制作了器件，图6为实际制作器件测试频响图。器件实测中心频率为626 MHz，插入损耗0.94 dB，带内波动小于1 dB，-1 dB带宽为93.6 MHz，相对带宽达14.9%；-3 dB带宽为114.8 MHz，相对带宽为18.3%，带外抑制大于40 dB，封装尺寸为3.8 mm×3.8 mm×1.5 mm。