CN114531129A - 一种双模声耦合表面波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种双模声耦合表面波滤波器，它是一种基于128°YX‑LiNbO3压电衬底的带通滤波器，其包括一个128°YX‑LiNbO3压电衬底，三个叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)，两个反射栅(Mirror Grid)，以及一层覆盖在叉指换能器和反射栅上面的SiO2膜。相比于传统的DMS滤波器，本发明引入了SiO2薄膜结构，该结构不仅解决了128°YX‑LiNbO3压电衬底设计DMS滤波器出现的肩峰问题，而且还大大降低了***损耗。并且128°YX‑LiNbO3压电衬底在一般被用作梯形声表面波滤波器的设计，本发明将其应用到DMS滤波器上，且性能相对于传统的基于36°YX‑LiNbO3的DMS滤波器有所提升。
Description
技术领域
本发明属于电子元件设计领域，尤其涉及到声表面波滤波器的设计。
背景技术
目前声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave Filter，SAWF)大量应用于相控阵雷达、卫星通信、移动通信领域，具有体积小、稳定性高、抗干扰能力强、选择性高等特点。
声表面波滤波器主要有两种类型，梯形声表面波滤波器(Ladder SAW)和双模耦合声表面波滤波器(Double Mode SAW,DMS)，其中DMS结构因为其带外抑制较高和体积比较小的特点而广泛应用于双工器和滤波器设计中。目前DMS滤波器主要采用LiNbO3和LiTaO3作为压电基底材料。在采用128°Y-X LiNbO3作为压电基底材料时，会在通带的左端出现一个肩峰。本文采用铜电极，并在滤波器的叉指电极上面覆盖一层SiO2膜的设计方法解决了其肩峰问题。通过参数优化，设计出一款中心频率为891MHz，最小***损耗为-1.29dB，1dB带宽为30MHz，带外抑制能够达到-20dB，相对带宽为3.4％的单级DMS滤波器。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出一种双模声耦合表面波滤波器，其包括一个压电衬底、三个叉指换能器和两个反射栅：
其中，结构7表示128°YX-LiNbO3压电衬底，结构1表示第一叉指换能器、结构2表示第二叉指换能器、结构3第三叉指换能器，两个结构4表示两个反射栅，结构5表示一层覆盖在叉指换能器和反射栅上面的SiO2膜，结构6表示叉指换能器的铜电极。其中结构2作为需要滤波的信号输入端，并行排列在第结构2两端的结构1、结构3作为滤除杂波过后的信号输出端，同时在1、3的两端分别放置一个短路或者开路的结构4，结构4一般被用作于反射向外部辐射的能量，形成一个谐振腔，同时采用结构1作为产生声表面波的基底材料，结构6作为叉指电极材料，并在叉指换能器和反射栅上覆盖结构5，用于避免在通带左端出现肩峰；
滤波信号经由结构2输入，这时叉指换能器与压电衬底共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由结构2向两侧的结构1、结构3进行传播，声表面波传播到结构2和3，与反射栅传播反射回来的波峰共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在结构2和3处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。
进一步的，所述三个叉指换能器为结构1、2、3，三个叉指换能器并行排列，结构2放置在中心，1和3放置在结构2两端，两个反射栅并行放置在结构1、3的两端，形成谐振腔，用以反射叉指换能器向外辐射的能量；所有的叉指换能器和反射栅均被刻蚀在结构7的表面，SiO2薄膜覆盖在结构1、2、3、4表面。
进一步的，双模声耦合表面波滤波器的参数设计包括：输入输出叉指电极对数Input与Output、反射栅对数re、反射栅周期、输入输出叉指电极周期、输入输出叉指电极之间的距离ls、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg、铜电极厚度h、反射栅指宽、输入输出叉指电极指宽、孔径w。
进一步的，所述结构2的数目为28.5对，结构1和3的数目为16.5对，结构4的数目为35对，结构4的周期为2.15μm，结构1、2和3的周期为4.3μm，结构1和2之间的距离ls为0.005*λ，结构1和4的距离lg为0.25*λ，铜电极5厚度h为0.019*λ，结构4的指宽为0.125*λ，结构1、2、3和4指宽为0.24*λ，孔径为34*λ，λ为输入输出叉指电极周期。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明结合温度补偿技术，使用SiO2薄膜解决了常规双模耦合结构在通带左端出现肩峰的问题，同时成功使用128°YX-LiNbO3作为压电衬底设计出DMS滤波器，其中心频率为891MHz，最小***损耗为-1.29dB，1dB带宽为30MHz，带外抑制能够达到-20dB，相对带宽为3.4％。
传统的声表面波滤波器在64°YX-LiNbO3和41°YX-LiNbO3压电衬底表面设计DMS滤波器，128°YX-LiNbO3压电衬底一般被用作梯形声表面波滤波器的设计。如果直接采用传统的设计方法，即将叉指换能器和反射栅直接制备在压电128°YX-LiNbO3表面设计出的DMS滤波器，始终会在通带左端出现肩峰，并且***损耗较大，往往超过了-3dB，带宽也只有十几兆赫兹。因此采用常规方法在128°YX-LiNbO3设计DMS滤波器有着很大的弊端。
而基于铜电极并覆盖SiO2薄膜的双模声表面波滤波器设计模型，解决了采用常规的铝电极直接在压电衬底表面设计DMS滤波器会在通带左端出现肩峰的问题，并设计出一款性能良好的DMS滤波器。
本发明解决了传统的方法设计基于128°YX-LiNbO3压电衬底的DMS滤波器出现的问题，同时改进过后的优点共同如下所示：
1.64°YX-LiNbO3的一般被用于设计DMS滤波器，而128°YX-LiNbO3一般被用于梯形声表面波滤波器。在采用128°YX-LiNbO3设计DMS滤波器一般会在其通带左端出现一个肩峰，且其***损耗普遍高于-3dB，因此常常用来设计梯形声表面波滤波器。在DMS结构的滤波器中，由于受到压电材料本身布拉格频率的影响，会在其通带的边缘出现一个台阶，而且铌酸锂这种压电材料本身受温度的影响比较大，在常规的情况下，由于128°YX-LiNbO3会使得其本身的布拉格频率低于器件设计的频率，因此如果直接采用128°YX-LiNbO3设计DMS滤波器，会因为器件的布拉格频率低于器件设计频率，致使在通带的左端出现肩峰。因此为了改善128°YX-LiNbO3材料的布拉格频率，引入温度补偿技术中的正温度系数材料SiO2，来改善128°YX-LiNbO3的布拉格频率，从而设计出DMS滤波器。同时，为了改善滤波器的***损耗，将常规的铝电极改为电导率更低的铜电极。
2.所提出的铜电极覆盖SiO2薄膜的结构成功的在128°YX-LiNbO3压电材料表面设计出DMS滤波器，并且性能良好，其中心频率为891MHz，最小***损耗为-1.29dB，1dB带宽为30MHz，带外抑制能够达到-20dB，相对带宽为3.4％。
3.所提出的铜电极覆盖SiO2薄膜结构成功的解决了传统的设计方法出现的肩峰以及***损耗较大的问题。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例采用128°YX-LiNbO3时DMS滤波器性能示意图；
图2为采用36°YX-LiTaO3时DMS滤波器的性能示意；
图3为本发明提供优选双模声表面波滤波器二维剖面图；
图4为设计的双模声表面波滤波器叉指电极结构示意图；
图5为使用本发明的滤波器结构对比未改进结构示意图；
图6为所提出本发明的滤波器结构性能示意图；
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提出的双模耦合声表面波滤波器采用COMSOL进行仿真，同时采用COMSOL仿真分析了采用铝电极在128°YX-LiNbO3表面制备DMS滤波器的性能，以及采用SimplyFortran对其他压电材料制备的DMS滤波器和采用铝电极与128°YX-LiNbO3压电材料制备的DMS滤波器进行仿真分析，并进行综合对比。如附图1所示，采用128°YX-LiNbO3时，会在通带左端出现肩峰，且其***损耗普遍大于-3dB。
可以看到，在附图2中采用传统的36°YX-LiTaO3，会在通带右端出现一个肩峰。
为了解决上述出现的问题，提出了本文的DMS滤波器结构，其原理如下。
在直接采用128°YX-LiNbO3作为DMS滤波器的压电衬底时，压电衬底材料会提供负的温度系数，导致布拉格频率的位置漂移，因为传统的能够激发DMS滤波器所需要的漏波的压电材料的布拉格频率一般会高于DMS滤波器所设计的频率，因此，直接采用128°YX-LiNbO3作为DMS滤波器的压电衬底会因为布拉格频率低于DMS滤波器的设计频率，致使通带的左端一个肩峰。一般SiO2能够提供正的温度系数，加载在128°YX-LiNbO3表面能够抵消本身压电材料导致的布拉格频率的改变，因此也就实现了在128°YX-LiNbO3这种压电材料上面的DMS滤波器的设计。
这时，如附图3所示：
一种双模声表面波滤波器的设计模型，其特征在于，包括双模耦合滤波器结构组成部分，其中：
包含一个双模声表面波滤波器和一层SiO2薄膜，所述双膜声表面波滤波器是结构2作为信号输入端，并行排列在结构2两端的结构1和3作为信号的输出端，同时在结构1和3的两端分别放置一个短路或者开路反射栅，结构4被用作于反射信号向外部辐射的能量，形成一个谐振腔。同时采用结构7作为产生声表面波的基底材料，所需叉指换能器和反射栅均采用结构6作为电极材料。并在叉指换能器和反射栅上覆盖一层SiO2薄膜。
同时双模声表面波滤波器核心结构具体含有：结构1、2和3作为换能器，结构4作为反射栅，结构7作为压电衬底，结构5作为SiO2薄膜，结构6作为铜电极。三个叉指换能器包括一个输入结构2，两个输出结构1和3，三个叉指换能器并行排列，结构2放置在中心，结构1和3放置在结构2的两端。两个反射栅并行放置在两个输出叉指换能器的两端，形成谐振腔，用以反射叉指换能器向外辐射的能量。所有的叉指换能器和反射栅均被刻蚀在128°YX-LiNbO3压电材料表面。SiO2薄膜覆盖三个叉指换能器和两个反射栅。
同时进一步包括双模耦合声表面波滤波器的设计参数部分。
各个设计参数包括，输入输出叉指电极对数Input与Output、反射栅对数re、反射栅周期、输入输出叉指电极周期、输入输出叉指电极之间的距离ls、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg、铜电极厚度h、反射栅指宽、输入输出叉指电极指宽、孔径w。
其各个具体的设计参数如下，结构2数目为28.5对，结构1和3为16.5对，结构4数目为35对，结构4周期为2.15μm，结构1、2和3的周期为4.3μm，结构1和2之间的距离ls为0.005*λ，结构1个和3的距离lg为0.25*λ，结构6的厚度h为0.019*λ，结构4的指宽为0.125*λ，结构1、2和3的指宽为0.24*λ，孔径为34*λ。
整体滤波过程如下文所示:
滤波信号经由结构2输入，这时叉指换能器与压电衬底共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由结构2向两侧的结构1、结构3进行传播，声表面波传播到结构2和3，与反射栅传播反射回来的波峰共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在结构2和3处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。
本发明提出一种双模声表面波滤波器的设计模型，通过扩宽DMS结构基底材料的选择范围，使用128°Y-X LiNbO3设计得到高频、宽带、低插损及高带外抑制的DMS结构声表面波滤波器。
其包括三个部分：
(1)使用Simply Fortran设计基于36°YX-LiTaO3压电材料的DMS滤波器以及基于128°YX-LiNbO3压电材料的DMS滤波器、(2)使用COMSOL设计铜电极覆盖SiO2的改进的双模耦合声表面波滤波器、(3)根据COMSOL设计的双模耦合声表面波滤波器进行优化。
设计双模耦合声表面波滤波器。采用COM耦合方法在Simply Fortran建立数学模型，设计基于128°YX-LiNbO3的DMS滤波器，再设计基于36°YX-LiTaO3压电材料的DMS滤波器，其中设计的两种模型均采用铝电极直接刻蚀在压电基底材料表面，不添加任何薄膜。再采用COMSOL模拟本文中提出的结构，即采用铜电极覆盖SiO2薄膜的方式。其设计参数为输入叉指电极数目为28.5对、输出叉指电极数目为16.5对、反射栅数目为35对、反射栅周期为2.15μm、输入输出叉指电极周期为4.3μm、输入输出叉指电极之间的距离ls为0.005*λ(λ为输入输出叉指电极周期)、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg为0.25*λ、铜电极厚度h为0.019*λ、反射栅指宽为0.125*λ、输入输出叉指电极指宽为0.24*λ、孔径为34*λ。其中各种结构的频响对比如下图5所示，其中图3为本文提出的铜电极覆盖SiO2结构在COMSOL中的二维剖面图，图4为所设计的DMS结构叉指电极排列图。
通过对COMSOL中建立的二维结构进行逐步优化，主要优化输入输出叉指电极周期、反射栅周期、输入输出叉指电极数目、铜电极厚度、输入输出叉指电极间距等主要参数。优化过后所得双模耦合滤波器参数如附图6所示。
本发明提出了一种声表面波滤波器，它是一种基于128°YX-LiNbO3压电衬底的带通滤波器，其包括一个128°YX-LiNbO3压电衬底，三个叉指换能器(InterdigitalTransducer,IDT)，两个反射栅(Mirror Grid)，以及一层覆盖在叉指换能器和反射栅上面的SiO2膜。相比于传统的DMS滤波器，本发明引入了SiO2薄膜结构，该结构不仅解决了128°YX-LiNbO3压电衬底设计DMS滤波器出现的肩峰问题，而且还大大降低了***损耗。并且128°YX-LiNbO3压电衬底在一般被用作梯形声表面波滤波器的设计，本发明将其应用到DMS滤波器上，且性能相对于传统的基于36°YX-LiNbO3的DMS滤波器有所提升。同时在直接采用128°YX-LiNbO3作为DMS滤波器的压电衬底时，压电衬底材料会提供负的温度系数，导致布拉格频率的位置漂移，传统的能够激发DMS滤波器所需要的漏波的压电材料的布拉格频率一般会高于DMS滤波器所设计的频率，因此，直接采用128°YX-LiNbO3作为DMS滤波器的压电衬底会因为布拉格频率低于DMS滤波器的设计频率，致使通带的左端一个肩峰。一般SiO2能够提供正的温度系数，加载在128°YX-LiNbO3表面能够抵消本身压电材料导致的布拉格频率的回归到正常位置，因此也就实现了在128°YX-LiNbO3这种压电材料上面的DMS滤波器的设计。基于本发明的DMS滤波器的设计方法有很好的效果，其中心频率为891MHz，最小***损耗为-1.29dB，1dB带宽为30MHz，单级DMS滤波器的带外抑制能够达到-20dB，相对带宽为3.4％。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种双模声耦合表面波滤波器，其特征在于，包括一个压电衬底7、三个叉指换能器和两个反射栅4：
其中，结构7表示128°YX-LiNbO3压电衬底，结构1表示第一叉指换能器、结构2表示第二叉指换能器、结构3第三叉指换能器，两个结构4表示两个反射栅，结构5表示一层覆盖在叉指换能器和反射栅上面的SiO2膜，结构6表示叉指换能器的铜电极，其中结构2作为需要滤波的信号输入端，并行排列在第结构2两端的结构1、结构3作为滤除杂波过后的信号输出端，同时在1、3的两端分别放置一个短路或者开路的结构4，结构4一般被用作于反射向外部辐射的能量，形成一个谐振腔，同时采用结构1作为产生声表面波的基底材料，结构6作为叉指电极材料，并在叉指换能器和反射栅上覆盖结构5，用于避免在通带左端出现肩峰；
滤波信号经由结构2输入，这时叉指换能器与压电衬底共同作用，将输入电信号转变为声表面波，声表面波由结构2向两侧的结构1、结构3进行传播，声表面波传播到结构2和3，与反射栅传播反射回来的波峰共同形成一个通带，在这个频率范围内的信号将被传输过去，其余频段的信号将被抑制，在结构2和3处，叉指电极将声表面波转换为电信号由输出端口向外传播，经此完成一个滤波过程。
2.根据权利要求1所述的一种双模声耦合表面波滤波器，其特征在于，所述三个叉指换能器为结构1、2、3，三个叉指换能器并行排列，结构2放置在中心，1和3放置在结构2两端，两个反射栅并行放置在结构1、3的两端，形成谐振腔，用以反射叉指换能器向外辐射的能量；所有的叉指换能器和反射栅均被刻蚀在结构7的表面，SiO2薄膜覆盖在结构1、2、3、4表面。
3.根据权利要求1所述的一种双模声耦合表面波滤波器，其特征在于，双模声耦合表面波滤波器的参数设计包括：输入输出叉指电极对数Input与Output、反射栅对数re、反射栅周期、输入输出叉指电极周期、输入输出叉指电极之间的距离ls、输出叉指电极与反射栅之间的距离lg、铜电极厚度h、反射栅指宽、输入输出叉指电极指宽、孔径w。
4.根据权利要求3所述的一种双模声耦合表面波滤波器，其特征在于，所述结构2的数目为28.5对，结构1和3的数目为16.5对，结构4的数目为35对，结构4的周期为2.15μm，结构1、2和3的周期为4.3μm，结构1和2之间的距离ls为0.005*λ，结构1和4的距离lg为0.25*λ，铜电极5厚度h为0.019*λ，结构4的指宽为0.125*λ，结构1、2、3和4指宽为0.24*λ，孔径为34*λ，λ为输入输出叉指电极周期。
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| CN202210162297.6A CN114531129A (zh) | 2022-02-22 | 2022-02-22 | 一种双模声耦合表面波滤波器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116633312A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-22 | 常州承芯半导体有限公司 | 滤波器及滤波器的形成方法 |
-
2022
- 2022-02-22 CN CN202210162297.6A patent/CN114531129A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116633312A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-22 | 常州承芯半导体有限公司 | 滤波器及滤波器的形成方法 |
| CN116633312B (zh) * | 2023-07-24 | 2023-10-24 | 常州承芯半导体有限公司 | 滤波器及滤波器的形成方法 |
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