CN104796108A - 一种极窄带声表面波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面波滤波器，特别涉及一种极窄带声表面波滤波器，包括压电基片和叉指换能器，所述叉指换能器布置在压电基片上，所述叉指换能器为***指结构或三指结构，所述叉指换能器包括第一叉指换能器、第二叉指换能器，所述第一叉指换能器与第二叉指换能器相邻布置，组成第一输入口、第二输入口、第一输出口和第二输出口共四个端口。本发明所述极窄带声表面波滤波器采用横向滤波器设计方法，通过优化抽指加权设计，衍射分析及修正，同时采取措施有效抑制波导效应。本发明的声表面波滤波器具有极窄带宽、高矩形度、高带外抑制的优点。

Description

一种极窄带声表面波滤波器

技术领域

本发明涉及表面波滤波器，特别涉及一种极窄带声表面波滤波器。

背景技术

表面波滤波器以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片，经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，此声波主要沿着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播，故称为声表面滤波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，别一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

声表面波滤波器具有工作频率高、通频带宽、选频特性好、体积小和重量轻等特点，并且可采用与集成电路相同的生产工艺，制造简单，成本低，频率特性的一致性好，因此广泛应用于各种电子设备中，如广泛应用于卫星、雷达、通信、目标模拟及电子对抗等电子***中，成为射频、中频段电信号选择的首选器件。

声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——叉指换能器(IDT)。它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，把设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。其工作原理是输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。

而今，为满足各方需求，应对日益复杂的电磁环境，声表面波滤波器朝着小型片式化发展，并为了适应电子整机高频、宽带化的要求，声表面波滤波器也必须提高工作频率和拓展带宽，最大程度的降低***损耗。现有的声表面波滤波器难以满足极窄信号选择。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的不足，提供一种极窄带声表面波滤波器，所述极窄带声表面波滤波器采用横向滤波器设计方法，通过优化抽指加权设计，衍射分析及修正，同时采取措施有效抑制波导效应。本发明的声表面波滤波器具有极窄带宽、高矩形度、高带外抑制的优点。

为解决上述问题，本发明提供了一种极窄带声表面波滤波器，包括压电基片和叉指换能器，所述叉指换能器布置在压电基片上，

所述叉指换能器为***指结构或三指结构，所述叉指换能器包括第一叉指换能器、第二叉指换能器，所述第一叉指换能器与第二叉指换能器相邻布置，组成第一输入口、第二输入口、第一输出口和第二输出口共四个端口，其中，第一输入口和第一输出口分列在所述第一叉指换能器相对的两侧，所述第二输入口和第二输出口分列在所述第二叉指换能器相对的两侧，并且，所述第一输入口与所述第二输入口同侧，所述第二输出口与所述第一输出口同侧。

当在所述第一叉指换能器上加一交变信号时，由逆压电效应，压电基片上激励出与所述第一叉指换能器电极周期相等的声表面波，并向两边传播，当经过所述第二叉指换能器时，由正压电效应，所述第二叉指换能器将与其叉指周期同步的声信号转换成电信号，所述电信号可通过负载取出。

具体地，所述第一叉指换能器和第二叉指换能器由多个独立的延迟抽头组成，所述延迟抽头与压电基片上叉指换能器指条的位置相对应，信号通过一定数量的延迟并将这些延迟信号进行叠加来实现滤波。

进一步地，每个所述抽头都由系数An进行加权，系数An对应着叉指换能器给出的加权系数，所述叉指换能器频率响应H(f)由离散傅里叶变换给出，在频率为f时，表达为

$H\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\exp (-j2\mathrm{\πf}{T}_n)---\left(1\right)$

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(2\right)$

式中Tn为第n个抽头的累计延时。

具体地，所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为***指结构；所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为三指结构。

进一步地，采用***指结构的叉指换能器的指条宽度为1.44微米，采用三指结构的叉指换能器的指条宽度为1.526微米。

更进一步地，所述压电基片的材质型号为40°Y-X STQz。

由于上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明极窄带声表面波滤波器采用横向滤波器设计方法，通过优化抽指加权设计，衍射分析及修正，同时采取措施有效抑制波导效应。本发明的声表面波滤波器具有极窄带宽、高矩形度、高带外抑制的优点。所述极窄带声表面波滤波器的***损耗约-21dB，1dB相对带宽约1‰，带外抑制大于5OdB，通带波纹0.3dB，整体综合性能优异，完全能够满足在极窄带宽信号选择功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是声表面滤波器的工作原理示意图；

图2是信号通过滤波器的示意图；

图3是衍射分析频率相应图；

图4是叉指换能器中的波导效应；

图5是波导效应影响下的长阵列极窄带器件频率响应图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的声表面波滤波器，包括压电基片1和叉指换能器，所述叉指换能器布置在压电基片1上，

所述叉指换能器为***指结构或三指结构，所述叉指换能器包括第一叉指换能器、第二叉指换能器，所述第一叉指换能器与第二叉指换能器相邻布置，组成第一输入口3、第二输入口4、第一输出口5和第二输出口6共四个端口，其中，第一输入口3和第一输出口5分列在所述第一叉指换能器相对的两侧，所述第二输入口4和第二输出口6分列在所述第二叉指换能器相对的两侧，并且，所述第一输入口3与所述第二输入口4同侧，所述第二输出口5与所述第一输出口6同侧。

当在所述第一叉指换能器上加一交变信号时，由逆压电效应，压电基片上激励出与所述第一叉指换能器电极周期相等的声表面波，并向两边传播，当经过所述第二叉指换能器时，由正压电效应，所述第二叉指换能器将与其叉指周期同步的声信号转换成电信号，所述电信号可通过负载取出。叉指换能器的每对指条都是一个延迟抽头，通过适当改变叉指换能器叉指电极的物理尺寸，或在传播路径上进行适当控制，可以获得所需频率，达到对电信号处理的目的。

图2为信号信号通过横向滤波器的一个叉指换能器示意图。叉指换能器由多个独立的延迟(Dn)抽头(金属指条)组成。每个抽头都由系数An进行加权。信号通过一定数量的延迟并将这些延迟信号进行叠加来实现滤波。这些延迟抽头对应基片上叉指换能器指条的位置，An对应着由叉指换能器指条给出的加权系数。滤波器的叉指换能器频率响应H(f)由离散傅里叶变换给出，在频率为f时，表达为

$H\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\exp (-j2\mathrm{\πf}{T}_n)---\left(1\right)$

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(2\right)$

式中Tn为第n个抽头的累计延时。

具体地，所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为***指结构；所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为三指结构。

进一步地，采用***指结构的叉指换能器的指条宽度为1.44微米，采用三指结构的叉指换能器的指条宽度为1.526微米。

更进一步地，基于极窄带技术指标要求，需要选用耦合系数低、湿度稳定性好的基片材料，故选择40°Y-X STQz，其主要特征如表1所示。

切型	声速/(m/s)	耦合系数/％	温度系数/u℃-1
				40°Y-X	3144	0.14	0

根据带外抑制和矩形度的要求，2个叉指换能器均用抽指加权方式，以避免大量小抽头，可实现高带外抑制、高矩形度的指标。

调整滤波器的设计参数，进行电路因子补偿、然后对滤波器进行衍射分析，补偿和修正。图3为衍射分析频率响应图。

波导效应产生的条件：换能器孔径的平方小于换能器长度；声表面波纵向速度的不均匀性。

图4叉指换能器中的波导效应。由图可看出，由于该设计的叉指换能器阵列非常长，高端、近端带外就会产生波导效应，影响滤波器性能。本发明利用假指及孔径的优化设计，并采用特殊工艺技术，有效抑制波导效应，如图5所示。

由于上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明极窄带声表面波滤波器采用横向滤波器设计方法，通过优化抽指加权设计，衍射分析及修正，同时采取措施有效抑制波导效应。本发明的声表面波滤波器具有极窄带宽、高矩形度、高带外抑制的优点。所述极窄带声表面波滤波器的***损耗约-21dB，1dB相对带宽约1‰，带外抑制大于5OdB，通带波纹0.3dB，整体综合性能优异，完全能够满足在极窄带宽信号选择功能。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种极窄带声表面波滤波器，包括压电基片和叉指换能器，所述叉指换能器布置在压电基片上，其特征在于，

所述叉指换能器为***指结构或三指结构，所述叉指换能器包括第一叉指换能器、第二叉指换能器，所述第一叉指换能器与第二叉指换能器相邻布置，组成第一输入口、第二输入口、第一输出口和第二输出口共四个端口，其中，第一输入口和第一输出口分列在所述第一叉指换能器相对的两侧，所述第二输入口和第二输出口分列在所述第二叉指换能器相对的两侧，并且，所述第一输入口与所述第二输入口同侧，所述第二输出口与所述第一输出口同侧。

2.根据权利要求1所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，当在所述第一叉指换能器上加一交变信号时，由逆压电效应，压电基片上激励出与所述第一叉指换能器电极周期相等的声表面波，并向两边传播，当经过所述第二叉指换能器时，由正压电效应，所述第二叉指换能器将与其叉指周期同步的声信号转换成电信号，所述电信号可通过负载取出。

3.根据利要求1或2所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，所述第一叉指换能器和第二叉指换能器由多个独立的延迟抽头组成，所述延迟抽头与压电基片上叉指换能器指条的位置相对应，信号通过一定数量的延迟并将这些延迟信号进行叠加来实现滤波。

4.根据利要求3所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，每个所述抽头都由系数An进行加权，系数An对应着叉指换能器给出的加权系数，所述叉指换能器频率响应H(f)由离散傅里叶变换给出，在频率为f时，表达为

$H\left(f\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{A}_n\exp (-j2\mathrm{\πf}{T}_n)---\left(1\right)$

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i---\left(2\right)$

式中Tn为第n个抽头的累计延时。

5.根据利要求1、2或4所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为***指结构；所述第一叉指换能器和/或第二叉指换能器为三指结构。

6.根据利要求5所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，采用***指结构的叉指换能器的指条宽度为1.44微米，采用三指结构的叉指换能器的指条宽度为1.526微米。

7.根据利要求6所述的极窄带声表面波滤波器，其特征在于，所述压电基片的材质型号为40°Y-X STQz。