基于128°YX-LiNbO3压电材料的DMS滤波器设计

谭纪伟, 王 方，周杨春，滕洪菠，王华东，王 巍

(重庆邮电大学 光电学院/国际半导体学院, 重庆 400065)

声表面波(SAW)滤波器大量应用于相控阵雷达、卫星通信、移动通信领域中，具有体积小，稳定性高，抗干扰能力强及选择性高等特点[1-2]。

SAW滤波器主要有梯形SAW滤波器(Ladder SAW)和双模耦合声表面波(DMS)滤波器。其中DMS滤波器因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。采用128°YX-LiNbO3作为压电基底材料设计DMS滤波器会在其低端近阻带附近出现一个肩峰[3-4]，与传统DMS滤波器相比，其肩峰出现在高端近阻带，其原因是128°YX-LiNbO3压电衬底的水平剪切(SH)模式与主共振模式相互耦合，在通带左端出现杂散干扰，使其出现肩峰，从而影响矩形系数[5]。为了改善DMS滤波器的低端近阻带抑制，将其与温度补偿技术结合，采用覆盖SiO2薄膜的方式，降低DMS滤波器的耦合系数[6]，以降低SH模式的强度，从而改善低端近阻带抑制问题，使DMS滤波器的肩峰由低端近阻带回到高端近阻带附近，最后采用串联声表面波陷波器的方法改善肩峰问题。

图1为DMS滤波器结构。图中，w为滤波器孔径，re为反射栅的对数，lg为反射栅与输出叉指换能器(IDT)之间的间距，ls为输入叉指换能器与输出叉指换能器之间的间距。其导纳矩阵为

图1 DMS结构

(1)

式中：I为滤波器对外的电流；
U为滤波器对外的电压；
Y为滤波器的导纳。

根据式(1)可推导出滤波器的频响[7]为

(2)

插入损耗(IL)为

IL=-20lg|S12|=

(3)

式中：Gin为源导纳；
Gout为负载导纳。

36°YX-LiTaO3压电材料的中心频率为868.9 MHz，输入叉指换能器(IDT)对数为24.5，输出IDT对数为15.5，孔径为34λ(λ为波长)，反射栅为20对，膜厚h=0.019λ，其频响曲线如图2所示。图中，S21为插入损耗。

图2 基于36°YX-LiTaO3的DMS滤波器频响曲线

由图2可看出，DMS滤波器在其高端近阻带附近有一个肩峰，影响了其矩形系数。常规方式是采用串联SAW陷波器特定的陷波性能，将肩峰抵消。图3为采用128°YX-LiNbO3设计的DMS滤波器频响曲线。

图3 基于128°YX-LiNbO3的DMS滤波器频响

由图3可看出，采用128°YX-LiNbO3设计DMS滤波器时，其肩峰出现在通带左端，这是由于SH模式的杂波与主共振相互耦合致使低端近阻带附近的杂散效应较严重导致。

本文提出覆盖SiO2薄膜用以解决128°YX-LiNbO3设计DMS滤波器时在其低端近阻带出现肩峰问题。利用SiO2薄膜和压电衬底形成温度补偿结构，进而降低滤波器的耦合度，这将降低滤波器的带宽，所以需要权衡SiO2厚度与带宽的关系。图4为所采用滤波器结构的二维模型示意图。图5、6分别为采用SiO2薄膜前后的DMS滤波器频响曲线。图中，S11为端口1的反射系数(回波损耗)。

图5 采用SiO2薄膜前的DMS滤波器频响曲线

图6 采用SiO2薄膜的DMS滤波器频响曲线

由图5、6可看出，与未采用SiO2薄膜相比，采用SiO2薄膜后，DMS滤波器SH模式变小。SH模对DMS滤波器的影响被SiO2薄膜结构减小。图7为采用SiO2薄膜后的DMS滤波器频响曲线。

图7 采用SiO2薄膜后DMS滤波器频响曲线

由图7可看出，在采用SiO2薄膜后，位于低端近阻带附近的肩峰基本消除，同时整个滤波器的肩峰回到高端近阻带附近，方便后续采用陷波器降低这部分的缺陷。这里DMS滤波器的1 dB带宽呈增大的趋势，其原因是未采用SiO2薄膜设计DMS滤波器时，其通带左端凹陷下去，致使可用1 dB带宽仅21.9 MHz。采用SiO2薄膜覆盖，其1 dB带宽为34 MHz。如果补充图3中的缺陷，其1 dB带宽为38 MHz，因此,本质上覆盖SiO2薄膜可降低滤波器的耦合度，降低滤波器带宽。图8为SAW陷波器的结构，也是一个单端对谐振器。SAW陷波器结构的陷波特性如图9所示。

图8 SAW陷波器结构

图9 SAW陷波器陷波特性

由图9可看出，SAW陷波器对既定频率范围有很高的抑制度，同时其特定频率外整体插入损耗较小,因此不会对DMS滤波器的损耗造成很大影响。图10为SAW陷波器与DMS滤波器串联结构。图11为SAW陷波器与DMS滤波器串联的频响。

图10 串联SAW陷波器结构

图11 串联SAW陷波器频响曲线

由图11可看出，采用SAW陷波器串联DMS滤波器的结构，可使DMS滤波器的高端近阻带抑制降低，其肩峰从-18.8 dB下降到-33.1 dB，降低了约14.3 dB。

本文采用叉指电极上面覆盖SiO2薄膜的结构设计了一款DMS滤波器。其中，输入、输出电极周期为4.3 μm(波长λ=4.3 μm)，反射栅周期为2.15 μm，输入、输出叉指对数分别为28.5对、26.5对，输入、输出电极间距为0.005λ，铜电极厚度为0.019λ，输出和反射栅的间距为0.30λ，反射栅数目为35对，孔径为34λ，输入、输出电极指宽为0.24λ。图12为单级DMS的频响曲线。

图12 单级DMS的频响曲线

该单级DMS滤波器的中心频率为891.0 MHz，最小插入损耗为-1.29 dB，1 dB带宽为34.0 MHz，单级DMS滤波器的带外抑制约为-20 dB，相对带宽为3.8%。将本文所设计的单级DMS滤波器与部分文献的性能参数进行对比，如表1所示。

表1 本文所设计的单级DMS滤波器与部分文献的性能参数对比

由表1可看出，与文献[8]、[9] 相比，本文所设计DMS结构滤波器的插入损耗分别降低了0.41 dB和0.61 dB，带外抑制达到平均水平，但相对带宽较小。

本文针对128°YX-LiNbO3作为压电材料设计的DMS滤波器在其低端近阻带附近出现肩峰的问题，提出将SiO2薄膜覆盖在DMS滤波器表面，利用SiO2降低128°YX-LiNbO3与叉指电极的耦合度，从而降低SH模式对DMS滤波器的干扰，以改善DMS滤波器的低端近阻带抑制。利用声表面波陷波器对特定频率的高抑制特性，抵消DMS滤波器高端近阻带附近的肩峰。仿真结果表明，采用该方法基于128°YX-LiNbO3材料所设计的DMS滤波器可基本消除肩峰。

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