一种低损耗高抑制的声表面波滤波器

陈彦光，董加和，陈清华，蒋世义，陈华志，李桦林，陈尚权，陆 川，赵雪梅

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060；2.装备发展部驻重庆地区军事代表室，重庆 400060 )

0 引言

声表面波(SAW)滤波器因具有体积小、质量小等特点，在通信、雷达等系统中已得到了广泛应用。随着上述系统的不断发展，要求在复杂的电磁环境中，尤其是在UHF频段，除要求信号具备接收直采处理的功能外，还需要SAW滤波器同时具有低插入损耗及高阻带抑制的性能。

能够实现低损耗、高抑制SAW滤波器的设计结构很多，其中纵向耦合谐振(LCR)结构采用两个声通道级联，且每个声通道含3个换能器及2个反射器的方式实现[1]。在UHF频段，传统的LCR结构SAW滤波器的插入损耗约为3 dB。为了进一步降低插入损耗，需要对滤波器结构进行优化，通常是在相邻两个换能器间增加色散换能器结构，又称为周期调制结构[2]。采用这种结构可以在一定程度上减小因换能器间的指条不连续引起的体波散射，从而达到进一步降低插入损耗的目的。在设计仿真过程中，发现周期调制换能器数量对SAW滤波器的带外抑制影响较大，为了实现低损耗同时满足高阻带抑制SAW滤波器的研制，本文开展了对低损耗、高抑制SAW滤波器的研究。

本文首先分析了周期调制对降低插入损耗的原理，然后研究色散换能器对阻带抑制的影响及不同声通道设计对阻带抑制的影响。在此基础上设计出低损耗、高抑制的SAW滤波器。

1 体波散射原理及周期调制设计

谐振型低损耗SAW滤波器对表面边界条件敏感。若金属栅的周期不连续(见图1)，散射的体声波在栅边界不能互相抵消，相应的能量以体声波形式辐射到基片内部，同时由于栅模能量不能在两个相邻栅阵之间有效转换，从而增加了插入损耗。

图1 不连续金属栅结构体声波散射特性

设计模型时采用色散速度v及色散导纳G来近似描述体波散射的影响，则有[3-4]

(1)

(2)

式中：v0为SAW速度；Vdisp为速度色散系数；f0为非色散频率；f为频率变量；g为电导色散系数；Fb和dF为与体波相关的频率分量。

为了降低滤波器的插入损耗，在设计上改变原来的换能器间周期不连续拓扑结构(见图2(a))，改用周期连续的周期调制结构(见图2(b))，以减少体波散射带来的能量损失，该技术称为周期调制技术。

图2 换能器间周期不连续与渐变周期调制结构示意图

2 周期调制设计对阻带抑制的影响

传统LCR和周期调制LCR滤波器结构分别如图3、4所示。传统LCR滤波器一般由叉指换能器(IDT)、反射器、传播间隙等组成。周期调制LCR滤波器结构将色散换能器代替间隙，由换能器、反射器、色散换能器等组成。

图3 传统LCR结构示意图

图4 调制LCR结构示意图

图5是色散换能器分别为2根和4根指条时的幅频响应对比情况。通过仿真发现，周期调制LCR滤波器结构一方面可以减小体波散射带来的能量损失，从而降低插入损耗；另一方面随着色散换能器数量的增加，滤波器低端阻带抑制会提高，但高端会恶化。因此，在设计过程中需要对色散换能器的指条数、周期及孔径等参数进行综合优化调整，以获得最佳的滤波器高、低端阻带抑制。

图5 色散换能器不同指条数量的响应曲线对比

3 双通道设计对阻带抑制的影响

在设计过程中，如果两个声通道设计完全相同，那么两个声通道的阻带抑制呈现“增加”的效果，这对阻带抑制的提高不利。为了实现高阻带抑制，本文采用对两个声通道进行分离设计的办法，使两个声通道的阻带抑制呈现“相消”的效果，如图6所示。由图可知，由不同设计的单通带组成的滤波器1、2，通过不同的设计改变了频率响应幅度变化位置。当将这两种声通道进行两级级联后，实现了阻带“相消”，从而提高了级联响应的阻带抑制。

图6 单个通道滤波器及级联滤波器响应曲线对比

4 高阻带抑制SAW滤波器研制

本文基于64°Y-XLiNbO3基片材料，采用三换能器周期调制LCR结构进行滤波器的设计。为了提高滤波器的阻带抑制，采用两级周期调制LCR滤波器结构的不同设计：一级滤波器色散换能器结构指条为2根，另一级色散换能器结构指条为4根。

通过设计软件进行仿真，并考虑工艺的可实现性，同时对器件的膜厚、占空比及滤波器拓扑结构进行优化，使两级滤波器阻带波峰和波谷能互相抵消，进一步提高阻带抑制，滤波器部分设计参数如表1所示。

表1 滤波器部分设计参数

为了对比，还设计了相同声通道且色散换能器指条为4根的方案。通过将两者幅频响应对比可看出，采用色散换能器结构指条分别为2根和4根的优化组合设计，其高端阻带抑制优于色散换能器结构指条均为4根的组合设计，阻带抑制可提高8～10 dB，而插入损耗、相对带宽等指标相当，如图7所示。由图可知，研制的滤波器1 dB带宽为23.5 MHz，1 dB相对带宽约4.9%，插入损耗约1.8 dB，阻带抑制约为60 dB。

图7 不同色散换能器指条数量的实测曲线对比

根据工程需要，采用本文方法制作的低损耗、高抑制SAW滤波器，频率响应如图8所示。由图可知，该滤波器的中心频率为475.78 MHz、插入损耗为1.92 dB、1 dB相对带宽为4.86%及阻带抑制超过了60 dB，满足用户的工程化需求。

图8 高阻带抑制的低损耗声表面波滤波器实测曲线

5 结束语

基于64°Y-XLiNbO3材料，采用周期调制设计，通过不同色散换能器指条数量对滤波器阻带影响的分析，对两个通道孔径、换能器、反射器的波长及指对数进行不同设计，实现了相对带宽约5%，插入损耗约2 dB、阻带抑制超过60 dB的高阻带抑制SAW滤波器研制，该类设计方法也适用于其他不同切型材料的声表面波滤波器设计。