CN101978599B - Saw滤波器 - Google Patents

Abstract

一种滤波器，其包括形成在压电基片上的至少一个声通道。在每个通道上布置至少一个SAW输入换能器和至少一个SAW输出换能器。每个通道具有RSPUDT结构并且因此具有分布式激励。激励函数包括被布置在主瓣和包括至少一个尾瓣的尾函数中的源。通过将所述尾函数中的激励强度至少降低到原来的1/2来得到对所期望的连续激励函数的精细而准确的逼近。可以通过以串联方式或者以并联方式连接第一通道和第二通道的尾瓣子换能器来改变所述激励强度。可以串联方式将电容器连接在主瓣和尾瓣子换能器之间。

Description

SAW滤波器

本发明涉及具有增强带外抑制的RSPUDT(谐振型单相单向换能器)或DART(分布式声反射换能器)型的带有递归(recursive)特征的横向滤波器。

例如，从1995年的IEEE超声波会议论文集第39-50页上J.M.Hode等人的文章“基于SPUDT的滤波器：设计原理及优化”(J.M.Hode et al.，″SPUDT-Based Filter：Design Principles and Optimization″，1995IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM，pages 39-50)中知道RSPUDT型的换能器。RSPUDT换能器被用在横向滤波器中。使用这样的换能器的滤波器具有低插入损耗。

设计具有所期望的传递函数的RSPUDT滤波器需要对源和反射器在换能器的长度上的分布进行优化。选择压电基片材料来实现所期望的带宽，这取决于所述材料的耦合系数。三次渡越信号(triple transitsignal)的消除(suppression)和高带外抑制是与充分谐振的结构和换能器的长度有关的问题。

本发明的目标是以RSPUDT结构提供具有离散源分布的提高的准确性的滤波器，从而提高相对带外抑制的水平并且对所期望的传递函数建模。

这个问题通过根据权利要求1的横向滤波器来解决。在从属权利要求中给出了所述换能器的实施例。

发明人发现，没有反射器的任何变迹换能器(apodized transducer)的使用由于没有充分消除三次渡越信号而会产生过高的插入损耗。获得充分的三次渡越消除和小的插入损耗的唯一方法是使用声反射(acoustical reflection)。

所用的另一种方案是部分换能器(partial transducer)的串联连接，SAWTEK将其用于逼近(approximate)扇形加权，但是它对于非常长的换能器绝对不是好的方案而这种非常长的换能器对用于高带外抑制以及通带和阻带之间的陡变过渡的这种类型的滤波器是必需。

本发明的一个目的是解决由不能使用高反射结构(声腔)制造的相对大频带的滤波器所导致的问题，所述高反射结构更适合于小频带的滤波器(高选择性滤波器)。

另一个目的是提供结合低插入损耗与简单的抽指(withdrawal)的滤波器以在远离通带处实现优良的抑制水平。

另一个目的是结合由横向滤波器所给予的抑制性能来提供低损耗滤波器。

横向滤波器被提供，其包括：

-压电基片；

-形成在所述基片上的至少一个声通道(acoustic track)；

-被布置在每个通道上的至少一个SAW输入换能器和至少一个SAW输出换能器。输入换能器和输出换能器中的至少一个具有通过将激励的源分布在所述换能器的长度上而形成的分布式激励(distributed excitation)。源的分布形成具有主瓣(main lobe)和具有比所述主瓣的激励强度低的激励强度的至少一个尾瓣(tail lobe)的连续激励函数。通过相对所述主瓣的激励强度S减小所述尾瓣的激励强度G来限制(confine)激励的分布。优选的是S＝x×G，其中x是实数并且8≥x≥2。

减小所述尾瓣的激励强度G产生非常适合于理想地修改(adapt)所述传递函数的小权重的激励。

在优选实施例中，至少将每个通道的输入换能器划分成两个部分以提供主瓣子换能器和尾瓣子换能器。这通过将所述输入换能器的至少一个汇流条电分离成两个部分来完成。沿平行于声波的传播方向的纵轴布置这两个彼此邻接的子换能器。得到部分换能器或者子换能器的“分割”被完成使得所述激励的主瓣被分配给(assigned to)所述主瓣子换能器，所述至少一个尾瓣被分配给所述尾瓣子换能器。现在有可能用不同的电压或者不同的信号幅度来驱动所述子换能器以产生不同的激励强度。由此避免了所述换能器的变迹(apodization)并且因此避免了所述换能器的声孔径(acoustic aperture)的减小。因此，这样的换能器非常适合于应用在整个孔径上的反射结构的使用。这产生具有极低损耗(例如远低于10dB)的滤波器。

至少一个换能器是递归的(recursive)并且因此具有优选的波传播方向。可以使用SPUDT单元和/或RSPUDT单元来构造这样的换能器。所述至少一个递归换能器可以包括具有正、负或者零激励的单元。每个单元可以是或者可以不是反射性的，反射系数是正的、负的或者是零。反射被用于在所述换能器的内部形成谐振腔以延长响应并且获得具有非常小的过渡带的陡变信号。

在优选实施例中，输入和输出换能器是相同类型的。两者都可以被抽指加权(withdrawal weighted)。在这两种换能器中，源是分布式的以按换能器形成包括一个主瓣和至少一个尾瓣的波瓣(lobe)。

所述滤波器可以具有在声波传播的横向方向上彼此直接邻接(adjoin)的两个通道。在这两个通道上，电极指条布置是一致的。指条布置(finger arrangement)以及这两个通道的电路连接(circuiting)在所述滤波器的整个孔径上提供具有连续波前的被激励的声波，所述孔径是这两个通道的孔径之和。

根据优选实施例，通过以串联方式电连接两个子换能器来减小施加于换能器的电压。如果所述尾瓣和所述主瓣换能器的电容相同，则通过串联连接第一和第二通道的两个尾瓣子换能器，所述尾瓣的激励强度G减小至原始值(original value)的四分之一。在这种情况下，施加于每个子换能器的电压减小至一半。如果所述滤波器的第一和第二通道上的主瓣子换能器以并联方式电连接，则所述尾瓣中的激励强度G相对所述主瓣中的激励强度S被减小。这等价于这样的布置，即其中所述两个通道的主瓣子换能器共同形成唯一的(unique)换能器，该换能器的孔径A₀等于第一和第二通道的孔径A₁加A₂的和。在优选实施例中，这两个通道具有相同的孔径A₁＝A₂。

可以通过分别在两个输入端子和/或输出端子之间以串联方式连接所述子换能器而在所述输入换能器中和/或在所述输出换能器中实现尾瓣子换能器的串联连接。在优选实施例中，输入和输出换能器的子换能器同样各自以串联方式连接。

如果主瓣和尾瓣子换能器的电容在每个通道上相等，则所述主瓣(子换能器并联)的源强度比尾瓣(子换能器串联)的源强度高，是其四倍。

如果主瓣和尾瓣子换能器的电容在每个通道上不同，则至少在所述第一通道上可以在主瓣和尾瓣子换能器之间以串联方式连接电容器。所述第二通道也可以包括这样的电容器。借助于这些电容器，可以调整施加于所述尾瓣子换能器的电压以更准确地对所述换能器在所述尾瓣中的权重进行建模。

调整所述电容器的电容允许对激励强度关系S/G的精细调节并且因此允许对所述过滤器中的传递函数进行更精确的建模而不改变换能器结构。优选地，S是G的x倍并且3≤x≤5。优选地，x约为4。

此外在这个实施例中，电容器也可以被包括在输入和输出换能器中的相应的子换能器之间。

根据实施例，所述电容器通过具有叉指结构(interdigital fingerstructure)的金属化(metallization)形成。优选地，所述叉指结构中的指条相对于所述换能器的电极指条交替(rotate)。用这种方式，所述电容器可以容易地被并入所述滤波器而不会与所述声学结构相互影响。

另一个实施例包括第一、通道、第三和第四通道。第一和第二通道形成第一滤波器单元，第三和第四通道形成第二滤波器单元。这两个滤波器单元彼此直接邻接并且以串联或者并联方式电连接。

所述第一滤波器单元的结构可以与第二滤波器单元的结构一致。这两个滤波器单元可以在纵向方向上相对于彼此偏移2π的倍数。

作为这四个通道所提供的新的优点，可以观察到在远离通带处的更好的抑制水平。

所述滤波器可以在其长度上具有固定孔径。所述滤波器的长度由输入换能器的长度加上输出换能器的长度构成。这是不使所述换能器变迹的结果。

本发明的实施例包括滤波器，其中每个通道包括输入换能器和输出换能器。输入换能器和输出换能器相似地被划分成子换能器使得输入和输出换能器的尾瓣子换能器彼此直接邻接。所述输出换能器的子换能器被连接在两个输出端子之间。在两个输入端子之间的所述子换能器的电连接与在两个输出端子之间的子换能器的电连接相对于垂直于所述通道的镜平面对称。

可以通过将高耦合基片材料用于所述滤波器来实现具有例如大于3％的高相对通带宽度的滤波器。为此目的，所述材料可以从铌酸锂17或128和具有xy旋度112°切割的钽酸锂(a lithium tantalate havea rot xy 112 cut)中选择。钽酸盐(tantalate)是优选的，考虑到它的更好的温度特性以及它的更低的频率温度系数。

参考实施例和相关附图更详细地描述本发明。就滤波器结构被示出而言，附图是示意性的并且不是按比例绘制的。

图1示出源在换能器的长度上的分布，每个源具有相等的源强度。

图2示出源在换能器的长度上的分布，其中主瓣和尾瓣具有不同的源强度。

图3示出用不同的源强度加权的两个实施例。

图4示出根据本发明的换能器布置的框图。

图5示出本发明的另外的实施例的框图，其使用电容器来调整尾瓣子换能器中的源强度。

图6示出具有四个通道的滤波器的实施例的框图。

图7示出另一个四通道实施例。

图8示出优选的四通道实施例。

图9示出四通道实施例的滤波器的传递函数。

设计具有源分布(a distribution of sources)的滤波器包括通常由计算机程序完成的优化。图1作为结果示出沿换能器的长度L_T的源强度曲线。图1中的连续函数产生于在考虑被连续地散布(spread)在换能器的长度上的源的情况下的优化。注意这个函数，可以看到存在具有高强度水平，即大量的源(激励中心)的一个主瓣ML和处于较低水平的被称为尾函数TF的若干次级波瓣。这种类型的声强分布常常通过用于这种类型的滤波器(接近于横向滤波器)的优化工具被找到。源通过激励单元来实现，每个单元可具有长度λ，其中λ是相应地处于换能器或者滤波器的中心频率的声波的波长。

优选地，这些单元具有SPUDT结构并且因此具有与声波的辐射和传播有关的单向特性(unidirectional behaviour)。在邻接的波瓣之间，即在主瓣和第一尾瓣之间以及在邻接的尾瓣之间存在激励符号(signofexcitation)的改变。在两个邻接的波瓣之间可以布置许多非激励的单元。这些单元可以或者可以不反射。换能器被设计为具有长的过渡响应。但是得到产生优良的滤波器传递函数的离散源分布是非常困难的。所得到的传递函数不能很好地与所期望的传递函数匹配。因这种抽指采样而产生的传递函数与使用连续函数的传递函数相比显著地受到损害。这特别地归因于对极少离散源位于其中的尾部区域的不良的逼近。

所期望的和所得到的传递函数之间的主要差异在于带外衰减。找到能满足所期望的滤波器的具体要求或者能产生具有所期望的滤波器性质的滤波器的离散源分布一直是不可能的。

本发明的思想是在主瓣和尾函数(tail function)之间实现源强度的差异。通过这样做，有可能在离散源分布中达到优良的的源饱和(sourcesaturation)度。离散源分布的响应与连续分布的响应非常相似。

图2示出了根据本发明的源分布，其中尾函数中的源强度在这个实施例中大约被减小至原来的四分之一。因此，所述思想是将强度S的源用于主瓣，强度S将恰当地描述这个具有高饱和度的波瓣。为了在尾瓣(次级波瓣)中也实现优良的饱和度，另一个源强度水平G被使用。在此处所示的情况中，G≈S/4。通过这样做，由于连续源分布的离散化所带来的抽指误差将被最小化并且所述离散分布的传递函数满足所期望的用户要求。

所建议的是在一个换能器内产生呈现两种不同源强度的两个区域。优选的是高的相应源幅度的比S/G。所述换能器沿其长度L_T可以具有固定孔径。因此，孔径变迹的技术被排除。

为了在一个换能器中产生不同源强度的两个区域，所述换能器沿其长度被分割以将主瓣与尾函数分离。对这两个部分可施加不同的电压或者信号幅度。

图3a示出了换能器，其可以是在分割前的、所述滤波器的输入换能器。所述换能器具有孔径A₀。图3b示出了在垂直分离之后的换能器，该垂直分离提供主瓣子换能器MLT和尾瓣子换能器TLT。电压U₁可以被施加于尾瓣子换能器TLT，该电压U₁不同于原始的输入电压(信号幅度)U₀。减小的电压是由于原始电压U₀的电压减小。

如图3c所示，至少沿尾瓣子换能器TLT中的孔径进行进一步分割。这个分割可以是将换能器孔径A₀一分为二的划分，即在中间进行分离。但是也有可能将所述换能器划分成具有不同孔径A₁、A₂(其中A₁≠A₂)的两个通道。这样所产生的两个部分换能器可以串联方式电连接。通过这样做，在A₁＝A₂的情况下，有效电压减小至U₁＝0.5×U₀。如果A₁≠A₂，部分换能器中的有效电压也不同但是加起来始终等于原始电压U₀。

也在主瓣子换能器MLT中完成了第二分割之后，所得到的对应于主瓣子换能器的上部和下部的两个部分换能器将以并联方式电连接。这种并联连接等价于没有沿孔径的水平分割的主瓣子换能器并且因此对应于将部分换能器的源强度乘以2。

对于所述尾瓣子换能器，产生了对应于尾瓣子换能器的上部和下部的两个部分换能器TL1和TL2。在这个实施例中，部分换能器TL1和TL2以串联方式电连接。这种串联连接等价于将源强度除以2。

图4示出了所述滤波器的部分换能器的电连接的示意框图。通过所述水平分割，所述滤波器现在具有两个声通道T1和T2。每个通道包括输入换能器和输出换能器，这两个换能器都被划分成主瓣和尾瓣子换能器。主瓣换能器的部分换能器，即换能器MLT_IN1和MLT_IN2以并联方式连接。尾瓣换能器的部分换能器，即换能器TLT_IN1和TLT_IN2以串联方式连接。在输出换能器处相应地构成部分换能器和子换能器的相同连接以产生四个部分换能器TLT_OUT1、TLT_OUT2、MLT_OUT1和MLT_OUT2。

如果换能器MLT_IN1(或者MLT_IN2)和TLT_IN1(或者TLT_IN2)的电容相等，则并联的MLT_IN1/MLT_IN2的源强度比串联的TLT_IN1/TLT_IN2的源强度高，是其4倍。尾瓣换能器的低权重允许更容易且精确地使尾函数离散化。因此传递函数显示出更好的抑制。

如果换能器的电容在主瓣和尾瓣部分中不相等，则有可能通过在输入端子INT1和尾瓣子换能器TLT_IN1之间增加串联电容器C1_IN来调整所期望的源强度比(比S/G：主瓣换能器的源的幅度除以尾换能器的源的幅度)。图5示出了这样的布置。这个选择给出另一种自由度，因为尾瓣子换能器中的源强度随着C1_IN的电容增加而减小。相应的电容器C1_OUT可以被连接在输出端子OUT1和尾瓣子换能器TLT_OUT1之间。较低的源强度允许更准确地逼近源的连续分布以在执行抽指加权的同时在传递函数上得到更好的抑制水平。

图6示意性地示出包括四个通道T₁、T₂、T₃和T₄的滤波器的实施例。每个通道包括RSPUDT单元。所述滤波器结合了双通道RSPUDT滤波器的优点，即低损耗、小尺寸以及平衡的结构。这些4通道布置的新的优点是由通过串联和并联连接的源加权(sourceweighting)所带来的更好的通带外抑制水平。上面的两个第一通道T₁、T₂形成第一滤波器单元FU1并且对应于图4或5所示的双通道滤波器。第三和第四通道T₃、T₄形成第二滤波器单元FU2。第一和第二滤波器单元FU1、FU2是一致的但是相对于彼此在相位上偏移n倍的λ/2并且被施加的电势具有相反的符号。这有助于更好的抑制水平。可以通过简单地连接这两个滤波器单元的相应的输入和输出端子而以串联方式电连接这两个滤波器单元，如图6所示。

与所描绘的布置相反，这两个滤波器单元可以如图8所示被布置为彼此直接邻接，从而在向输入端口施加RF信号之后可以得到共有的并且连续的波前。可替换地，这两个滤波器单元FU1、FU2可以并联方式电连接，如图7所示。取决于是并联连接还是串联连接，所述滤波器的阻抗可以被加倍(相对单个滤波器单元)或者在并联的实施例中保持不变。

沿两个邻接的通道的整个孔径的连续波前被产生以使可能由窄孔径的通道产生的衍射减至最少。这可以通过以下各项来完成：

-主瓣子换能器MLT是在两个通道上延伸的一个换能器。

-尾瓣子换能器TLT₁、TLT₂在两个通道上是一致的并且将一个置于另一个上方而相对水平对称轴没有任何对称性。

因此，在主瓣和尾瓣子换能器之间没有相位中断。

在实施例中，具体的滤波器要求包括以下特征：

相对带宽：4.8％

过渡带宽(在信号从-3dB衰减到-10dB的通带边带处)：0.1％

插入损耗：小于等于10

带外抑制：低于50dB。

通过根据本发明的使用像xy旋度112°(rot xy 112°)的钽酸锂的压电基片材料的滤波器以及与该滤波器的优良的电匹配而得到这些特征。精细的离散逼近允许获得非常准确的时间响应。所述滤波器包括提供充分谐振的结构的DART和或RSPUDT结构以实现优良的三次渡越过渡水平并且因此实现平坦的通带。

图9示出了根据这个实施例的滤波器的传递曲线。四通道布置被使用。围绕468MHz的中心频率的宽的通带和在近阻带和远阻带中非常优良的抑制水平是显著的，证明了可以通过根据本发明的滤波器而得到的优点。

本发明不应当受所描绘的附图和所描述的实施例限制，所述附图和实施例仅是代表性的示例而不覆盖权利要求所允许的所有变化。在不同实施例中给出的特征的组合以及在不背离本发明的实质的情况下对所给出的准确值的变化都是可能的。

Claims (17)

1.一种横向滤波器，所述滤波器包括：

-压电基片以及形成在其上的至少一个声通道；

-被布置在每个通道上的至少一个SAW输入换能器和至少一个SAW输出换能器；

-输入换能器和输出换能器中的至少一个具有分布式激励，所述分布式激励包括：

-具有主瓣和带有不同于所述主瓣的激励符号的至少一个尾瓣的连续激励函数；

-所述主瓣中的激励强度S比所述尾瓣的激励强度G大x-1倍，其中8≥x≥2，x是实数。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于

至少一个换能器是递归的并且因此具有优选的波传播方向。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于

所述输入换能器被抽指加权并且包括SPUDT型的单元。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于

其中输入和输出换能器是相同类型的。

5.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于，

所述滤波器包括至少两个通道

所述两个通道上的指条布置一致；

所述两个通道在声波传播的横向方向上彼此直接邻接；

所述换能器的布置和电路连接使得被激励的声波在所述滤波器的整个孔径上具有连续的波前。

6.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于

其中通过将每个通道的输入换能器的至少一个汇流条电分离成两个部分而至少将所述输入换能器划分成主瓣子换能器和尾瓣子换能器；

两个子换能器在纵向方向上彼此邻接，

所述激励的主瓣被分配给所述主瓣子换能器，至少一个尾瓣被分配给所述尾瓣子换能器。

7.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于

所述滤波器包括两个通道，

在第一和第二通道上，所述输入换能器的主瓣子换能器是具有两个通道的孔径之和的孔径的唯一的换能器，

所述主瓣予换能器电连接于两个输入端子；

以串联方式将所述第一和第二通道上的输入换能器的尾瓣子换能器电连接在所述输入端子之间。

8.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于

其中将电容器连接在所述主瓣子换能器的输入汇流条和所述尾瓣子换能器的输入汇流条之间。

9.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于

其中所述电容器通过具有叉指结构的金属化形成，所述叉指结构中的指条相对于所述换能器的电极指条交替。

10.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于

所述滤波器包括

形成第一滤波器单元的第一和第二通道，

形成第二滤波器单元的第三和第四通道，

所述第一和第二滤波器单元彼此直接邻接并且以串联方式或者以并联方式电连接。

11.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于

在所述滤波器的长度上有固定孔径，所述滤波器的长度由输入换能器的长度加上输出换能器的长度构成，所述换能器不是变迹的。

12.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于

其中S是G的x倍并且3≤x≤5。

13.根据权利要求12所述的滤波器，其特征在于

其中x为4。

14.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于

其中每个通道包括输入换能器和输出换能器；

输入换能器与输出换能器相似地被划分成子换能器；

输入和输出换能器的尾瓣子换能器彼此直接邻接；

输出换能器的子换能器被连接在两个输出端子之间；

在两个输入端子之间的所述子换能器的电连接与在两个输出端子之间的子换能器的电连接对称。

15.根据权利要求1至4中任意一项权利要求所述的滤波器，其特征在于

其中所述基片包括高耦合材料。

16.根据权利要求15所述的滤波器，其特征在于

其中所述基片包括具有xy旋度112°切割的钽酸锂。

17.根据权利要求10所述的滤波器，其特征在于

包括第一和第二通道的第一滤波器单元与包括第三和第四通道的第二滤波器单元一致，

其中所述一致的滤波器单元在纵向方向上彼此相对偏移，以使它们的相位匹配并且所述滤波器具有连续的波前。

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