混合结构声表面波滤波器的设计

2023-07-18陈晓阳王永安高黄杰

压电与声光 2023年3期

陈晓阳,王永安,叶志,高黄杰,曹玉

(1.北京无线电测量研究所,北京100854;2.北京航天微电科技有限公司,北京 100854)

0 引言

近年来,随着通信、雷达、电子对抗等系统的不断发展,频谱资源日益紧张。为了避免各种电子设备间的干扰,对滤波器的矩形系数提出了更高要求。声表面波(SAW)滤波器以其损耗小、矩形系数高、一致性好等优势,被广泛应用于各种军民电子系统中。相对于其他结构的声表面波滤波器,纵向耦合谐振滤波器(LCRF)具有体积小、带宽设计灵活、群时延小及群时延波动小等特点,是设计低损耗声表面波滤波器的常用结构。

纵向耦合声表面波滤波器因不同激发模式的强度不同,在滤波器的高端过渡带上容易引起寄生谐振峰,进而影响矩形系数。声表面波单端对谐振器在反谐振频率上有较深的陷波深度。将纵向耦合结构与谐振器相结合[1],设计混合结构的声表面波滤波器,使谐振器的反谐振点位于纵向耦合结构的高端过渡带上,可以提高高端过渡带频率的抑制度,改善滤波器的矩形系数。

1 混合结构的SAW滤波器

混合结构的SAW滤波器主要以纵向耦合结构为基础,结合单个谐振器或多个谐振器构成。图1为其中一种典型结构。

图1 纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构的SAW滤波器

图1中的纵向耦合+单个谐振器的混合结构常用于36°Y-XLiTaO3/42°Y-XLiTaO3等压电材料中,而41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等压电材料在漏波模式下,传播损耗随频率变化较快,高端过渡带寄生谐振峰的宽度和激发强度较大,级联单个谐振器不仅难以改善较大频率范围内的阻抗特性,且难以大幅度优化滤波器的矩形系数。在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等压电材料上,纵向耦合结构级联单个谐振器可以减小通带波动,改善器件的通带特性。为了优化滤波器的矩形系数,在41°Y-XLiNbO3/64°Y-XLiNbO3等压电材料的纵向耦合结构中可以级联多个谐振器的阻抗元结构[2],设计阻抗元结构的低、高端陷波点分别位于纵向耦合结构的低端和高端过渡带上。阻抗元结构有较深的陷波深度,且在阻带频率较大范围内有较好的抑制度,能有效提高纵向耦合结构过渡带频率和阻带频率的抑制,改善滤波器的矩形系数。图2为单级纵向耦合+阻抗元的典型结构。

图2 单级纵向耦合+阻抗元结构的SAW滤波器

图2中,LCRF是单级纵向耦合结构,ZS1和ZS2是两个串联谐振器,ZP是一个并联谐振器。阻抗元结构主要作用是对纵向耦合结构的过渡带和阻带进行抑制,其陷波点通常位于纵向耦合结构过渡带的谐振峰上。图3是两种结构的幅频特性仿真曲线对比。

图3 纵向耦合和阻抗元的仿真曲线对比

2 器件设计

2.1 器件仿真

混合结构滤波器的仿真通常采用COM模型,计算周期结构的导纳,提取COM参数[3-5]。根据COM模型可以得到关于单级纵向耦合结构和各谐振器的Y参数矩阵:

(1)

根据Y参数矩阵可计算出相应的ABCD参数矩阵:

(2)

采用纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构设计SAW滤波器,通过输入、输出端口互换,由第一级纵向耦合结构的Y参数Ya,得到第二级纵向耦合结构的Y参数Yc,Y参数矩阵存在如下关系:

(3)

根据滤波器的设计结构,按顺序级联各ABCD参数矩阵,得到整个滤波器的ABCD参数[6],转化成S参数,完成整个滤波器的性能仿真。

2.2 结构参数优化

采用非线性算法进行滤波器结构的优化[7],设置滤波器结构中各换能器和反射器的指根数、周期长度、孔径作为优化变量。为了减少变量个数,纵向耦合结构采用对称设计。混合结构中,滤波器性能不是纵向耦合结构和谐振器性能的简单叠加,优化时应将纵向耦合结构和谐振器作为一个整体,它们的结构参数作为自变量的同时进行优化。

设置优化变量的上限、下限、初始值和目标函数。在目标函数中对损耗、带宽、带外抑制等指标赋予不同的权重,进行滤波器结构参数的优化,同时输出每次优化的结构参数。

根据图1的纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构,按照滤波器带宽的要求,采用机电耦合系数相对较大的36°Y-XLiTaO3,经过设计优化,确定了滤波器的结构参数。优化后的纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构滤波器的结构参数如表1所示,其中电极金属厚度为0.699 μm。

表1 纵向耦合+谐振器滤波器的结构参数

采用Al电极,结合实际工艺情况,提取36°Y-XLiTaO3的COM参数。以级联的谐振器为例,相对膜厚(h/l,其中h为金属膜厚度,l为声波波长)为9.3%,金属化比0.5,5个COM参数:波速v、耦合系数κ、换能系数α、衰减系数γ、静态电容C数值如表2所示。计算时,一般用归一化参数αn来表示α,有

(4)

用Cn表示C,有

Cn=pC/ε0

(5)

式中:ω为角频率;p为电周期长度;ε0为真空中的介电常数。

表2 谐振器结构下36°Y-X LiTaO3的COM参数

根据COM模型和结构参数得到滤波器的仿真曲线如图4所示。

图4 纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构滤波器的仿真曲线

根据图2的单级纵向耦合+阻抗元结构设计SAW滤波器,按照滤波器带宽的要求,采用41°Y-XLiNbO3压电材料,经过设计优化,确定了滤波器的结构参数。优化后的纵向耦合+阻抗元结构滤波器的结构参数如表3所示,其中电极金属厚度为0.307 μm。

表3 纵向耦合+阻抗元滤波器的结构参数

采用Al电极,结合实际工艺情况,提取41°Y-XLiNbO3的COM参数。以级联的串联谐振器为例,相对膜厚为5.4%,金属化比0.5,COM参数数值如表4所示。

表4 谐振器结构下41°Y-X LiNbO3的COM参数

根据COM模型和结构参数得到滤波器的仿真曲线如图5所示。

图5 单级纵向耦合+阻抗元结构滤波器的仿真曲线

3 测试结果与分析

根据优化后得到的结构参数,在36°Y-XLiTaO3基片上,采用纵向耦合+谐振器+纵向耦合结构制作了滤波器。电极材料为Al,为了增加Al和基底之间的附着力[8-9],在基片上制作了一层150A的Ti作为缓冲层。图6为滤波器的实测曲线。由图可见,器件标称频率512.6 MHz,插入损耗为2.35 dB,-1 dB带宽为20.51 MHz,矩形系数(B-40/B-3)为1.74。对比滤波器的仿真参数与实测参数,两者基本吻合。