改进型3IDT-LCR结构的低损耗小矩形系数SAW滤波器

2023-07-18陈华志罗文汀马晋毅陈彦光董加和

压电与声光 2023年3期

陈华志,罗文汀,马晋毅,陈彦光,伍平,董加和

(中国电子科技集团公司第二十六研究所,重庆 400060)

0 引言

三换能器纵向耦合谐振结构(3IDT-LCR)的声表面波(SAW)滤波器具有插入损耗低、带外抑制高、尺寸小、易装配和二次集成等特点,被广泛应用于军民电子系统的信道化接收组件[1-2]。随着接收组件的信道数量增加,信道频段划分更加密集,所以需要将配套的SAW滤波器通带做得更陡直,以满足相邻密集频段信号的提取需要[3]。通过矩形系数来描述SAW滤波器的通带陡直程度,通常被定义为滤波器-40 dB带宽与-3 dB带宽(或-1 dB带宽)的比值[4]。滤波器矩形系数越小,则器件通带越陡直。

本文针对信道化接收组件对SAW滤波器-40 dB带宽与-3 dB带宽矩形系数≤1.4的指标要求,在传统3IDT-LCR结构的基础上,通过理论仿真研究分析了反射栅及叉指换能器(IDT)指条多周期加权、在IDT间引入内反射栅和在声通道间引入谐振器等结构改进设计带来的指标改善效果,最终研制出具备低损耗、小矩形系数的SAW滤波器。

1 传统3IDT-LCR结构

传统3IDT-LCR声通道结构如图1所示。它由端面2个反射栅和中间3个IDT组成。各IDT和反射栅区域内部的指条周期单一,声通道整体结构中心对称。两边IDT与相邻的反射栅各组成一个单相单向换能器(SPUDT),使产生的表面波能量向通道中心传播。通过调节两端SPUDT的距离、反射栅和IDT内部的指条周期、数量,可在一定频段内实现平坦的通带和低插入损耗。

图1 传统3IDT-LCR声通道结构

为实现高的带外抑制,SAW滤波器通常将上述两个3IDT-LCR声通道在无声场耦合的情况下进行电联接,形成的拓扑电路如图2所示。

图2 传统双通道3IDT-LCR结构SAW滤波器拓扑电路

图3为对传统双通道3IDT-LCR结构的SAW滤波器典型频响曲线。由图可见,电极反射导致频率漂移,使通带中心频率低于IDT布喇格频率,而在更高频率时,IDT为保持其响应,导致滤波器通带高端出现“驼峰”,滤波器40/3矩形系数为3.87。

图3 传统双通道3IDT-LCR结构SAW滤波器典型频率响应

2 改进型3IDT-LCR结构

为实现SAW滤波器具有小矩形系数,本文从以下方面对传统3IDT-LCR结构进行了改进。

2.1 反射栅及IDT指条多周期加权

传统纵向耦合声通道设计在反射栅及IDT内部指条周期单一,为使通带在较宽频率范围内获得低的插入损耗,相邻IDT及反射栅之间的指条周期跨度较大,引起通带高端出现“驼峰”。本文首先对声通道内各反射栅及各IDT进行多周期加权设计,将各反射栅和IDT内部分为ni(i=1～5)个渐变指条周期区域,如图4所示,以减小相邻IDT及反射栅之间的指条周期跨度,抑制通带高端“驼峰”。

图4 指条多周期加权结构3IDT-LCR声通道

图5为利用指条多周期加权设计对传统3IDT-LCR声通道结构改进前后的仿真对比。由图可见,滤波器通带高端“驼峰”得到有效抑制,40/3矩形系数下降到2.03。

图5 指条多周期加权与传统结构的滤波器频响仿真对比

2.2 IDT间引入内反射栅设计

尽管指条多周期加权能有效抑制“驼峰”,但图5中滤波器高端过渡带下降趋势明显比低端过渡带缓慢,此问题可通过在左、右IDT与中心IDT之间加入内反射栅进行改善,如图6所示。

图6 含内反射栅的多周期加权结构3IDT-LCR声通道

图7为两端各引入9根内反射栅前后的多周期加权3IDT-LCR声通道结构仿真对比。由图可见,在引入内反射栅后,器件高端过渡带下降趋势更迅速,滤波器40/3矩形系数下降到1.48。

图7 引入内反射栅前后的滤波器频响仿真对比

2.3 声通道间引入谐振器设计

通过采用上述声通道改进结构后,器件的高端过渡带下半部分仍存在明显拖尾,导致矩形系数偏大。针对信道化组件40/3矩形系数≤1.4的指标要求,为进一步降低器件矩形系数,本文在滤波器拓扑电路的两个声通道间串联一个谐振器,如图8所示,利用谐振器的导纳特性使高端过渡带更陡直。

图8 双声通道间引入谐振器的拓扑电路结构

图9为引入谐振器前后的器件通带频响特性仿真对比。由图可见,引入谐振器后的器件高端过渡带下端拖尾得到有效改善,40/3矩形系数达到1.34。

图9 引入谐振器前后的滤波器频响仿真对比

3 器件研制

本文采用上述改进型3IDT-LCR结构研制了一款标称频率为253.75 MHz的低损耗、小矩形系数SAW滤波器。滤波器芯片采用42°Y-XLiTaO3压电基片、Ti-Cu-Ti-Al复合膜IDT电极,芯片封装于SMD0505表贴金属陶瓷管壳中。

图10为研制的SAW滤波器频响特性仿真与实测对比。由图可见,仿真与实测结果具有较好的吻合性。图11为器件的实测频率响应曲线。器件实测插入损耗为1.05 dB,低端带外抑制近80 dB,高端带外抑制近65 dB,-1 dB带宽10.5 2MHz,-3 dB带宽12.54 MHz,-40 dB带宽16.68 MHz,矩形系数1.33,达到信道化接收组件应用的性能要求。