高基频高机电耦合系数晶体滤波器

彭胜春,赵瑞星,阳 皓，邱泽林，李亚飞，温桎茹，唐 平，董 姝

(1.中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆 400060;2.火箭军装备部驻西安地区第三军事代表室，陕西 西安 710100)

0 引言

晶体滤波器是采用压电晶体材料制作的一种频率选择器件，具有良好的选择性和温度稳定性，能提高整机通信的抗干扰能力，因而被广泛用于超短波(工作频率为30～300 MHz)通信频段领域。

随着现代通信技术的发展，在超短波频段需要传输更多的信息和较低的误码率，因此，滤波器需具有较宽的带宽，较小的延时，良好的温度特性，较低的插入损耗和较高的阻带抑制，这些要求促使晶体滤波器朝着高频宽带的方向发展，也促进了一些高机电耦合系数的晶体材料的应用。

1 滤波器的技术指标

中心频率f0：63 MHz±40 kHz

1 dB带宽：≥400 kHz

3 dB带宽：≥780 kHz

65 dB带宽：≤2.8 MHz

群延时波动@f0±200 kHz：≤1 μs

插入损耗：≤6 dB

通带波动：≤1 dB

阻带抑制：≥65 dB

阻抗：50 Ω

工作温度：-55～+95 ℃

外形尺寸：38 mm×18 mm×12.5 mm

2 滤波器方案设计

2.1 滤波器种类选择

在中频通信频段，常用的滤波器有LC滤波器、陶瓷滤波器、声表滤波器和晶体滤波器。

从工作温度和中心频率指标上看，该滤波器的工作温度在150 ℃内，要求的工作频率稳定度为8.45×10-6/℃。该频段的陶瓷滤波器、LC滤波器温度系数均大于±10×10-6/℃。

声表滤波器的温度系数为-45×10-6/℃，为了提高声表滤波器的温度稳定性，近年来采用温度补偿技术，即在金属叉指型换能器(IDT)结构上另涂覆一层与压电层具有相反温度弹性的涂层(如二氧化硅(SiO2)),实现一种高温度稳定性的温补声表滤波器(TCSAW)。其能够将声表滤波器的温度系数提高到-5×10-6/℃，但这种涂层的厚度一般为微米量级，适合进行温度补偿的工作频率500 MHz以上的声表滤波器，对于工作在几十兆的中低频滤波器仍难以达到要求的温度稳定性。综合比较可知，只有晶体滤波器能实现要求的温度稳定性[1-2]。

2.2 晶体材料和工作模式选择

晶体滤波器属于声体波(BAW)器件，振动模式一般均采用剪切波或准剪切波。这种声波传播模式属于横波的一种，在这种模式下，声波沿晶片的法线方向传播，工作频率由晶片厚度决定，厚度越薄，工作频率越高[3]。

表1为几种常用的BAW压电晶体材料的性质。其中温度系数和机电耦合系数是压电晶体的重要参数，这些参数取决于晶体材料的类型和切角，进而决定了滤波器的性能。晶体的温度系数决定了滤波器的温度稳定性，而机电耦合系数决定了滤波器可以实现的带宽范围，机电耦合系数越大，则可实现的带宽范围越宽。本文设计的滤波器要求的相对带宽为1.3%。

表1 主要晶体压电性质对比

由表1可知，石英晶体温度系数最小，用其制作的滤波器也是目前所有滤波器中温度稳定性最好的，但是，石英晶体的机电耦合系数太小，在低频段(低于30 MHz)可通过电路补偿和调整，以牺牲温度稳定性为代价来实现超过1%的相对带宽。然而，随着工作频率的升高，尤其是基频大于50 MHz后，晶片装配后受支架电容等因素影响，可实现的相对带宽范围将急剧下降，因此，难以实现高频大带宽的晶体滤波器[4]。

钽酸锂和铌酸锂晶体是一种优良的晶体材料，具有良好的压电和电光学特性，其在声学器件领域得到广泛应用，主要用于制作传感器、声光调制器和滤波器。

钽酸锂和铌酸锂晶体选择不同的切角都能激发出厚度剪切模式，且在这些工作模式下晶体的机电耦合系数比石英高。钽酸锂晶体能实现6%～7%的相对带宽，而铌酸锂能实现10%～12%的相对带宽，适合制作宽带晶体滤波器。但是，它们的温度稳定性比石英晶体差，铌酸锂晶体温度系数达52×10-6/℃，限制了该晶体在晶体滤波器中的应用。X切钽酸锂晶体具有零温度切向，通过精确控制切向精度，可将零温度系数点控制在室温范围内，能够用于制作高频大带宽的滤波器。

2.3 高基频晶体谐振器加工工艺

晶体滤波器的工作频率和晶体谐振器晶片的厚度成反比，厚度越薄，则频率越高。工作频率为63 MHz基频模式的钽酸锂晶片厚约31.3 μm，晶片很薄，在高强度的力学振动和温度剧烈变化的环境下，晶片易开裂，可靠性差。因此，该器件的主要工艺难点是在保证器件可靠性的同时实现高基频、大带宽。

为了提高可靠性，通常将晶片结构设计为反台面结构，边缘较厚，能提供高强度的力学支撑，而中间部分薄，可实现高基频频率。整个晶体谐振器的可靠性取决于边缘支撑厚度[5](见图1)。图中，h为晶片的边缘厚度，t为输出基频的晶片厚度。

图1 反台面晶体谐振器结构图

要实现反台面结构的晶体谐振器，国内尚无成熟的工艺。国外采用化学腐蚀法，此法的关键是选取适当浓度的腐蚀液体，同时精确控制腐蚀时间和环境。但是，钽酸锂晶体属于各向异性的晶体，腐蚀液对晶片表面的晶体微颗粒腐蚀速度不一致，导致晶片表面凹凸不平，使成品率降低，且钽酸锂晶体的化学性质十分稳定，对强酸和强碱都有较高的耐腐蚀性，因此，化学腐蚀工艺也未能实现在加工超薄钽酸锂晶片上的应用。

采用离子刻蚀工艺能实现这种反台面结构方案。这种工艺通过形成定向加速运动的氩离子束，高速穿过掩膜板向安放有工件(晶片)的离子收集极IC冲撞，使在掩模外的晶片部分被刻蚀而减薄，实现表面刻蚀加工。这种用离子束进行表面轰击加工的方法具有分子(或原子)量级的加工精度，它可以获得很精细的尺寸。

图2为采用离子刻蚀制作的晶体谐振器。采用铝作为电极材料，电极直径为0.12 mm，镀回频率控制在1 MHz，测得晶体谐振器的参数如表2所示。

图2 离子刻蚀工艺加工的晶体谐振器

表2 晶体谐振器主要参数

2.4 电路设计

采用分立式设计方案易制作工作在50 MHz以上的晶体滤波器。这种电路多以差接桥型电路为基础。为了提高矩形系数和阻带指标，一般将多节进行级联，节数越多，则矩形系数越好，但是每节滤波器会带来一定的延时，从而增加滤波器的通带群延时波动。该滤波器要求的矩形系数(65 dB带宽和3 dB带宽的比值)小于3.5，2节、3节和4节滤波器的矩形度分别约为4.5，3.5和2.5。但是，采用4节滤波器不仅电路复杂，且因为元件的增多，器件内部空间结构难以容纳。综合比较，采用3节滤波器可以实现所需指标要求。滤波器的电路图如图3所示。

图3 晶体滤波器电路图

2.5 滤波器试验结果

采用离子刻蚀工艺制作的谐振器，按照图3的电路图进行装配，电感采用磁导率为10的磁芯，用0.15 mm的漆包线进行双线绕制12圈，单线绕制3圈，并配合采用调谐电容进行阻抗调谐匹配，得到良好的通带响应(见图4、5)。将其装配到壳体内，做好内部电路元件的接地和节间屏蔽，以提高阻带抑制水平。

图4 晶体滤波器通带响应曲线

图5 晶体滤波器实际指标

该产品经过高低温贮存、随机振动、温度冲击、密封和冲击等试验考核均满足要求，交付用户在整机上也进行了相应的考核试验，全部通过，可靠性得到充分验证。表3为产品的实际指标。

表3 产品实际指标

3 结束语

该晶体滤波器采用高机电耦合系数的晶体材料，通过离子刻蚀工艺加工出高基频晶体谐振器，能显著提升晶体滤波器的工作频率，增加滤波器的带宽，提高了高基频晶体滤波器的可靠性，发挥出了晶体滤波器高温度稳定性、低插入损耗和高阻带抑制的优势。

如果能通过离子刻蚀加工出微米甚至纳米量级的单晶石英或钽酸锂晶体薄膜，将频率提升到2 GHz以上，就能制作出具有大带宽和良好温度系数的单晶薄膜体声波谐振器，这将扩展晶体滤波器的应用范围，在未来的5G通信、制导领域会有更广阔的应用前景[7]。