基于漏纵波模式的高频宽带低插损滤波器设计.pdf

第4 6卷 第1期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.12 0 2 4年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SF e b.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-0 9-1 1 作者简介:王巍(1 9 6 7-),男,湖南省邵阳市人,教授,硕士生导师,博士。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 1-0 0 0 1-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 1.0 0 1基于漏纵波模式的高频宽带低插损滤波器设计王 巍,张 迎,王 方,滕洪菠,丁 辉,郭家成,吴 浩(重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院,重庆 4 0 0 0 6 5)摘 要:采用常规的瑞利声表面波设计低插损、大带宽的高频声表滤波器,难以满足设计要求。该文设计了一种基于多层膜结构的漏纵波(L L S AW)的高频宽带低损耗声表面波(S AW)滤波器。确定了激发L L S AW的波导结构,建立器件的二维理论模型;研究了电极各项参数对杂散的影响,在此基础上对电极参数进行了优化设计。研究发现,将串联谐振器的反射栅对数设置为6时,可有效抑制通带内的杂散。设计了镜像T型及镜像型L L S AW结构滤波器,并进行性能比较分析。结果表明,镜像T型结构更能抑制杂散响应,设计的镜像T型结构L L S AW滤波器的中心频率为3 5 4 5 MH z,插入损耗为-1.4 1 6 d B,-3 d B带宽为2 7 4 MH z,带外抑制大于-3 0 d B。关键词:漏纵波;电极;反射栅;杂散响应;镜像T型中图分类号:T N 6 5;TN 7 1 3 文献标识码:A D e s i g n o f H i g h F r e q u e n c y B r o a d b a n d L o w I n s e r t i o n L o s s F i l t e r B a s e d o n L o n g i t u d i n a l L e a k y W a v e WA N G W e i,Z H A N G Y i n g,WA N G F a n g,T E N G H o n g b o,D I N G H u i,G U O J i a c h e n g,WU H a o(S c h o o l o f O p t o e l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g/I n t e r n a t i o n a l S e m i c o n d u c t o r C o l l e g e,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o mm u n i c a t i o n s,C h o n g q i n g 4 0 0 0 6 5,C h i n a)A b s t r a c t:I t i s d i f f i c u l t t o m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s o f h i g h-f r e q u e n c y s u r f a c e a c o u s t i c w a v e(S AW)f i l t e r s w i t h l o w i n s e r t i o n l o s s a n d l a r g e b a n d w i d t h u s i n g c o n v e n t i o n a l R a y l e i g h s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e s i g n.I n t h i s p a p e r,a h i g h-f r e q u e n c y b r o a d b a n d l o w i n s e r t i o n l o s s l o n g i t u d i n a l l e a k y s u r f a c e a c o u s t i c w a v e(L L S AW)f i l t e r b a s e d o n m u l t i-l a y e r f i l m s t r u c t u r e h a s b e e n d e s i g n e d.F i r s t l y,t h e w a v e g u i d e s t r u c t u r e e x c i t i n g t h e l o n g i t u d e l e a k y s u r f a c e a-c o u s t i c w a v e(L L S AW)i s d e t e r m i n e d,a n d t h e 2 D t h e o r e t i c a l m o d e l o f t h e d e v i c e i s e s t a b l i s h e d.S e c o n d l y,t h e i n-f l u e n c e s o f v a r i o u s e l e c t r o d e p a r a m e t e r s o n t h e s p u r i o u s a r e s t u d i e d.I t i s f o u n d t h a t w h e n t h e g r a t i n g r e f l e c t o r o f t h e s e r i e s r e s o n a t o r i s s e t t o 6,t h e s p u r i o u s i n t h e p a s s b a n d c a n b e s u p p r e s s e d a s m u c h a s p o s s i b l e.F i n a l l y,t h e m i r r o r T-t y p e a n d m i r r o r -t y p e f i l t e r s a r e d e s i g n e d,a n d t h e p e r f o r m a n c e s a r e c o m p a r e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e m i r r o r T-t y p e s t r u c t u r e i s m o r e e f f e c t i v e i n s u p p r e s s i n g t h e s p u r i o u s r e s p o n s e.T h e d e s i g n e d L L S AW f i l t e r w i t h m i r r o r T-t y p e s t r u c t u r e h a s a c e n t e r f r e q u e n c y o f 3 5 4 5 MH z,i n s e r t i o n l o s s o f-1.4 1 6 d B,-3 d B b a n d w i d t h o f 2 7 4 MH z,a n d o u t-o f-b a n d r e j e c t i o n o f g r e a t e r t h a n-3 0 d B.K e y w o r d s:l o n g i t u d i n a l l e a k y w a v e;e l e c t r o d e;g r a t i n g r e f l e c t o r;s p u r i o u s r e s p o n s e;m i r r o r T-t y p e 0 引言声表面波(S AW)滤波器具有小型化、低成本、可靠性高及性能好等特点,成为了智能手机中不可或缺的元件。在第五代移动通信系统(5 G)的传播和下一代通信系统的开发中,提出了S AW器件具有高频、大带宽、低损耗1的要求。虽然S AW器件已广泛应用于无线通信中,工作在36 GH z高频下S AW滤波器的设计仍具有挑战性。2 0 1 7年,村田团队提出的I.H.P.S A W(i n c r e d i b l e h i g h-p e r f o r m-a n c e s S A W)可在超过3 GH z的频率中工作,且其性能可与体声波(B AW)器件媲美2-4。此后,更多的团队开始研究基于声反射镜结构的S AW器件。大多数 宽 带S AW器 件 都 是 使 用 水 平 剪 切(S H)极化波,这是因为S H-S AW的机电耦合系数较大,更适合大宽带滤波器设计1,5。通常用Y X切-L i N b O3(L N)激发S H波,以提供最大的机电耦合系 数 值。已 有 研 究 表 明,在L N上 的 漏 纵 波(L L S AW)显示了其高速的特质,可实现高频工作,同时也有较大的机电耦合系数6-7。与传统S AW相比,X切-L N上的L L S AW传播损耗较大,且其温度系数较差,所以未应用于移动手机中8。2 0 1 8年,村田团队将L L S AW和声反射镜结构相结合,提高了器件性能,为未来高频器件的设计提供了可选择的路径9。本文设计了一种采用多层膜结构的L L S AW滤波器。通过理论分析确定谐振器的基本结构,再通过对电极参数、声反射镜层数和级联结构的优化设计,充分抑制带内杂散,进而得到高频宽带、低插损滤波器。1 谐振器设计图1为多层膜结构的L L S AW的波导结构。其主要包含了叉指换能器(I D T)、L i N b O3压电薄膜、多层声反射镜和S i基底。多层声反射镜由低声阻抗层和高声阻抗层交替组成,可以反射向下泄漏的波,将泄漏的能量尽可能地限制在表面以提高品质因数。本文中低声阻抗层是S i O2,高声阻抗层是P t。S i O2不仅可作为低声阻抗层,也可作为温度补偿层。与A l N相比,P t的声阻抗较大,传输系数较小,用其构成的S AW器件的阻带宽度较大8,1 0。图1 L L S AW波导结构1.1 谐振器参数S AW谐振器的器件参数包含孔径W、电极厚度h、金属化率、I D T对数Nt、反射栅对数NR、压电薄膜的厚度hL N、欧拉角(,)等。本文主要针对电极分析研究其各项参数对杂散抑制的影响。由于L L S AW在孔径方向无位移,且电极厚度远小于孔径。因此,本研究中模型都在二维中实现。图2为谐振器的2 D模型示意图。图中,叉指周期=2p,金属化率=a/p,其中,p为叉指间距,a为金属电极的宽度。灰色为I D T输入端口,黑色为I D T输出端口,所激发的波沿x方向传播。器件的衬底最下方有完美匹配层(PML),最底端添加了固定约束条件。表1为设置谐振器的原始参数。表中,N为声反射镜的周期,以1个低声阻抗层和1个高声阻抗层为单个周期。图2 谐振器2 D模型表1 谐振器参数材料及结构参数初始数据A l电极厚度h0.0 8 I D T周期/mm2I D T数量Nt1 0 0反射栅数量NR1 0金属化率0.5L i N b O3厚度hLN0.2 L i N b O3的欧拉角(,)(9 0,9 0,4 0)低声阻抗层厚度hL(S i O2)0.2高声阻抗层厚度hH(P t)0.1声反射层周期N2.5S i基底厚度5完美匹配层(PML)厚度0.5孔径W/mm2 51.2 谐振器的分析研究根据表1器件参数在C OM S O L中构建2 D等效模型,首先研究A l电极的金属化率选取。图3为不同 A l 电极金属化率下的导纳曲线。反射栅的金属化率仍为0.5。由图3可看出,随着不断减小,在低于谐振频率附近其导纳曲线的锯齿状越少,曲线越平整。其谐振频率先不断变高,然后在=0.2时变低;而反谐振频率也是先不断变高,在=0.3时变低。当=0.4时,谐振频率和反谐振频率的尖峰差值较大,则其品质因数(Q)值更大;当=0.5时,谐振频率和反谐振频率的差值较大,最终的滤波器带宽也会较大,但与=0.4时相比,相速度较小。设计者针对性能关键指标,综合选择合理参数。由于本研究要达到高频,故选取=0.4更优。2压 电 与 声 光2 0 2 4年 图3 不同金属化率的导纳曲线分别研究Nt、NR改变对器件的影响。图4为不同Nt的导纳曲线图。由图可看出,导纳曲线的平整度与Nt呈正相关,且Nt的增加使谐振频率逐渐变高,分数带宽也增加,导纳曲线整体上移。当Nt8 0时,曲线较平坦,谐振频率附近的杂散基本被抑制。由于滤波器由多个谐振器组成,其Nt总和数量大,杂散基本被抑制。在实际应用生产中,考虑到器件小型化的要求,故而谐振器I D T的对数不宜过多。随着滤波器级联数量的增加可略减少I D T数量。图4 不同Nt的导纳曲线图图5为不同反射栅对数的导纳曲线图。由图可看出,NR对相速度和分数带宽基本无影响。当NR=5、1 0时,低于谐振频率附近的杂散幅值较小,杂散得到抑制。当NR=5时,虽然曲线较平滑,但在谐振频率处有一尖峰杂散。由于梯形滤波器是由串并联谐振器级联组成,受级联效应影响,一阶滤波器的 通 带 内 会 出 现 相 应 的 杂 散,因 此 进 一 步 对NR=51 0进行研究。图5 不同NR的导纳曲线图谐振频率附近的杂散响应主要影响串联谐振器的插入损耗,进而影响滤波器的插入损耗。图6为不同NR串联谐振器的S2 1曲线。同时,杂散响应主要影响谐振频率点和2 7 5 0 2 7 9 5 MH z频率段。其中当NR=7、8、9,频率为2 7 9 5 MH z时,插入损耗的绝对值大于3 d B。由图可见,只有NR=6时,插入损耗的绝对值均未超过2 d B。由于谐振器的杂散响应将影响滤波器的通带平整度,甚至是滤波器的滤波功能,因此取NR=6较优。综上分析可见,Nt、NR对器件影响较大,尤其对通带平整度影响较大。图6 NR=51 0的串联S2 1曲线图对声反射镜周期数N进行分析,图7为传统S AW结构和声反射结构的表面位移图。由图可看出,声反射镜结构的表面能量位移主要在表面0.5内,而传统结构的表面能量向下位移远大于0.5。这是由于中高声速层和低声速层形成反射镜,将向下泄漏的能量反射到结构表面。图8为不同周期下的导纳曲线。由图可看出,当N2时,曲线基本无杂波;当N2时,在低于谐振频率段出现锯齿波,这是由于反射层中P t层为导电材料,与L i N b O3压电层上的A l电极发生电容耦合。谐振频点和反谐振频点的尖峰差值增大,且导纳曲线基本重合,说明器件的性能基本不受声反射层周期影响。因此,本文设置声反射镜周期N=2,在确保能量被限制在表面的基础上也保持了导纳曲线的平坦。图7 表面位移图3 第1期王 巍等:基于漏纵波模式的高频宽带低插损滤波器设计图8 声反射层不同周期下的导纳曲线图2 梯形滤波器设计综上所述,确定谐振器参数如表2所示,并在C OM S O L中构建2 D模型,并通过梯形级联方式搭建一阶滤波器。表2 谐振器参数串联谐振器并联谐振器hL N0.20.2(,)(9 0,9 0,4 0)(9 0,9 0,4 0)hL0.20.2hH0.10.1S i基底厚度55N22h0.0 80.0 8/m1.6 91.8 0Nt8 01 0 0NR660.40.4W/m2 54 0 设计得到串联谐振器(S)和并联谐振器(P)的阻抗曲线图如图9(a)所示。并联谐振器的反谐振点和串联谐振器的谐振点在3.5 GH z基本重合,滤波器实现了高频滤波。其中串、并联谐振器的品质因数分别为2 7 5 4.4,2 5 7 2.1 5,降低了能量损耗。串、并联谐振器的机电耦合系数分别达到1 4.9%和1 5%,分数带宽(F BW=(fa-fr)/fr1 0)均达到6.9%,保证了滤波器的大带宽。图9(b)为一阶滤波器的插入损耗曲线。由图可看出,通带中杂散尖峰值均低于-3 d B。杂散响应得到抑制,保证了滤波器通带内的平坦。由图9(a)可看出,在串联谐振器的阻抗曲线中,低于谐振频率的频段附近出现大量杂散响应,与图9(b)的插入损耗曲线杂散响应出现的位置相对应。因此,滤波器的杂散响应主要是受串联谐振器的影响。图9 谐振器阻抗曲线和滤波器频率响应曲线滤波器常用的梯形拓扑结构分为普通型和镜像型。图1 0为不同拓扑结构的频率响应。由图可知,镜像T型和镜像型结构分别优化了普通结构的高、低频处的凹陷,但带宽相对缩小,带外抑制降低。由于杂散响应主要是由串联谐振器引起,镜像T型结构等效于增添并联谐振器,而镜像型结构等效于增添串联谐振器。因此,镜像T型结构更能抑制杂散响应,保证了滤波器的滤波功能和通带平坦。图1 0 四阶滤波器频率响应曲线图本文选用镜像T型结构设计得到的滤波器中心频率为3 5 4 5 MH z,-3 d B带宽为2 7 4 MH z,带内插入4压 电 与 声 光2 0 2 4年 损耗为-1.4 1 6 d B,其通带内的杂散响应均小于-3 d B,带外抑制大于-3 0 d B。3 结束语通过研究电极各项材料及结构参数对谐振器特性的影响,设置A l电极的金属化率=0.4,I D T叉指电极对数Nt8 0,反射栅对数NR=6,不仅可获得高Q值,同时降低了杂散响应对通带的影响,使通带更趋于平坦。当由低、高声阻抗层交替排列构成的多层反射镜的周期N=2时,多数能量被限制在器件表面。通过级联不同叉指对数的谐振器,并基于镜像T型结构设计的L L S AW滤波器中心频率为3 5 4 5 MH z,插入损耗为-1.4 1 6 d B,-3 d B带宽为2 7 4 MH z,带外抑制大于-3 0 d B。参考文献:1 黄歆,闫坤坤,黄玮,等.超宽带低损耗S AW滤波器的优化设计J.压电与声光,2 0 2 0,4 2(2):1 5 5-1 5 8.HUAN G X i n,YAN K u n k u n,HUAN G W e i,e t a l.T h e o p t i m a l d e s i g n o f u l t r a-w i d e b a n d l o w l o s s S AW f i l t e rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 0,4 2(2):1 5 5-1 5 8.2 T AKAM I N E Y,TAKA I T,I WAMO TO H,e t a l.A N o v e l 3.5 GH z l o w-l o s s b a n d p a s s f i l t e r u s i n g I.H.P.S AW r e s o n a t o r sC/S.l.:A s i a-P a c i f i c M i c r o w a v e C o n f e r e n c e,2 0 1 8:1 3 4 2-1 3 4 4.3 T A K A I T,I W AMO T O H,T A K AM I N E Y,e t a l.I.H.P.S A W t e c h n o l o g y a n d i t s a p p l i c a t i o n t o m i c r o a c o u s t i c c o m-p o n e n t s(I n v i t e d)C/S.l.:I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a-s o n i c s S y m p o s i u m(I U S),2 0 1 7:1-8.4 T AKA I T,I WAMO TO H,TAKAM I N E Y,e t a l.H i g h-p e r f o r m a n c e S AW r e s o n a t o r o n n e w m u l t i l a y-e r e d s u b s t r a t e u s i n g L i T a O3 c r y s t a lJ.I E E E T r a n s-a c t i o n s o n U l t r a s o n i c s,F e r r o e l e c t r i c s,a n d F r q u e n c y C o n t r o l,2 0 1 7,6 4(9):1 3 8 2-1 2 8 9.5 WU S h u x i a n,WU Z o n g l i n,Q I AN H a n g y u,e t a l.H i g h-p e r f o r m a n c e S H-S AW r e s o n a t o r u s i n g o p t i m i z e d 3 0 Y X-L i N b O3/S i O2/S iJ.A p p l P h y s L e t t,2 0 2 2,1 2 0(2 4):2 4 2 2 0 1.6 KAK I I O S.H i g h-p e r f o r m a n c e s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e s u s i n g c o m p o s i t e s u b s t r a t e s t r u c t u r e sJ.J p n J A p p l P h y s,2 0 2 1,6 0:S D 0 8 0 2.7 KO B AYA S H I Y,TANAKA N,MA T S U I K,e t a l.1.9 GH z-b a n d s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e u s i n g s e c-o n d l e a k y m o d e o n L i T a O3J.J p n J A p p l P h y s,1 9 9 6,3 5(5 B):2 9 8 7-2 9 9 0.8 K I MUR A T,OMUR A M,K I S H I MO TO Y,e t a l.A h i g h v e l o c i t y a n d w i d e b a n d S AW o n a t h i n L i N b O3 p l a t e b o n d e d o n a S i s u b s t r a t e i n t h e S HF r a n g eC/S.l.:I E E E T r a n s M i c r o w a v e T h e o r y T e c h,2 0 1 9,6 7(3):9 1 5-9 2 1.9 K I MUR A T,K I S H I MO TO Y,OMUR A M,e t a l.3.5 GH z l o n g i t u d i n a l l e a k y s u r f a c e a c o u s t i c w a v e r e-s o n a t o r u s i n g a m u l t i l a y e r e d w a v e g u i d e s t r u c t u r e f o r h i g h a c o u s t i c e n e r g y c o n f i n e m e n tJ.J p n J A p p l P h y s,2 0 1 8,5 7:0 7 L D 1 5.1 0K I MUR A T,OMUR A M,K I S H I MOT O Y,e t a l.C o m p a r a t i v e s t u d y o f a c o u s t i c w a v e d e v i c e s u s i n g t h i n p i e z o e l e c t r i c p l a t e s i n t h e 3-5 GH z r a n g eJ I E E E T r a n s M i c r o w a v e T h e o r y T e c h,2 0 1 9,6 7(3):9 1 5-9 2 1.5 第1期王 巍等:基于漏纵波模式的高频宽带低插损滤波器设计