CN1091326C - 声表面波反射电极宽度加权单相单向换能器滤波器 - Google Patents

声表面波反射电极宽度加权单相单向换能器滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及声学技术中的一种声表面波滤波器，它由高耦合系数压电基片及两个单相单向换能器所组成。反射电极的反射主要来自于压电短路的贡献；反射电极的反射系数幅度加权采用宽度加权，可提高反射系数幅度加权的精度；最窄反射电极宽度为八分之一波长，可增加反射信号强度。本发明在相同带宽条件下可降低SAW滤波器的插入损耗，或者在相同插入损耗条件下可增加SAW滤波器的带宽。

Description

声表面波反射电极宽度加权单相单向换能器滤波器
本发明涉及声学技术中的一种声表面波滤波器(以下简称SAW滤波器)，它由压电基片上的两个单相单向换能器构成，尤其是指单相单向换能器的反射电极加权采用改变反射电极的宽度来实现，并能增加反射信号的强度和反射系数幅度加权的精度的滤波器。
作为例子，常规的SAW滤波器1，如图1所示，如1EEE 1989Ultrasonics Symposium Proceedings pp 79-89所述的有两个控制电极宽度单相单向换能器(简称EWC/SPUDT)3和4放置于压电基片2的上表面。上述换能器3和4的单向性是靠置于其中的反射电极5来实现的。其宽度为四分之一波长。其他作为声电换能的叉指电极的宽度为八分之一波长。反射电极的位置是根据这样的原则来安排的：反射电极反射的声波在对着另一个换能器的方向与辐射声波同相相加，在另一个方向反相相消。
作为另一例子的常规SAW滤波器6，如图2所示，如IEEE 1989Ultrasonics Symposium Proceedings pp 59-64中，它有两个分布声反射型单相单向换能器(简称DART/SPUDT)7和8放置于压电基片2的上面。DART/SPUDT的工作原理与EWC/SPUDT相同，只是反射电极9的宽度为八分之三波长。
如上所述，滤波器1和滤波器6的单向性是靠反射电极5或9对声波的反射来实现的。从而降低了滤波器的插入损耗。然而在滤波器1中，反射电极5的宽度为四分之一波长，反射电极阵的加权只能采用抽指加权。研究表明，反射电极的反射系数主要来自于反射电极对压电基片的压电短路效应和力学负载效应。压电短路对反射系数的贡献与基片材料的机电耦合系数成正比，且与反射电极的金属化比(即反射电极宽度与二分之一波长之比)有关。图3是反射电极的压电短路引起的反射系数幅度Re与反射电极金属化比的关系。其中K2 s是基片材料的机电耦合系数。从图3可见，金属化比等于0.25时，压电短路引起的反射最强，随着金属化比增加，反射逐渐减小。力学负载的贡献与反射电极的归一化厚度(即厚度与波长之化)成正比，也与金属化比有关，金属化比为0.5时最强。对于高耦合系数材料，如各种切型的铌酸锂(LiNbO3)和旋转36°Y切，X传播钽酸锂(简写Y36°LiTaO3)，反射系数主要来自于压电短路对反射系数的贡献，且幅度较大，因而所需的反射电极的数量较少。此时，抽指加权的误差较大。在滤波器6中，虽然反射幅度的加权比较精确，但反射信号在垂直于声传播方向上存在不均匀性。而且，由于反射电极宽度为八分之三波长，即金属化比为0.75，从图3可见此时压电短路引起的反射系数幅度很弱，只及金属化比为0.25时的约22％。
本发明的目的在于提出一种由压电基片和两个反射电极宽度加权单相单向换能器所组成的声表面波滤波器，它能增加反射信号的强度和反射电极加权的精度，较现有技术在相同带宽条件下降低插入损耗或在相同插入损耗条件下增加带宽。从而解决了现有技术所存在的问题。
本发明所采用的技术方案在于：有一压电基片和沿声波传播方向放置于压电基片上的两个单相单向换能器且压电基片的机电耦合系数较大，反射电极的反射系数主要来自于压电短路的贡献。其特征在于反射电极(即反射系数幅度)的加权采用宽度加权，即通过改变反射电极的宽度来实现，可提高反射系数幅度加权的精度，最窄的反射电极宽度为八分之一波长，可增加反射信号的强度。
反射电极的加权也可以采用宽度加权与抽指加权相结合的混合加权，即当采用电极宽度加权，反射电极宽度增加到大于八分之三波长时，电极宽度固定为八分之三波长，改用抽指加权。
反射电极宽度加权的具体实施步骤如下：根据SAW滤波器设计确定的反射电极反射系数加权函数，确定最大的单根反射电极反射系数幅度，使所有反射电极的反射系数的代数和等于1。从图3可见，反射电极宽度在八分之一到八分之三范围内变化时，压电短路反射系数幅度是逐渐下降的，相对幅度从1变化到0.215。因此，反射系数在1-0.215范围内，反射幅度的加权可由改变反射电极的宽度来实现。先由最大的单根反射电极反射系数幅度确定最强反射的反射电极宽度，也就是最窄的反射电极宽度。由图3可见，最大的单根反射电极反射系数幅度约为0.52K2 s(K2 s为基片材料的机电耦合系数)，出现在金属化比等于0.25附近。因此，最窄的反射电极宽度大于或等于八分之一波长。其他反射电极的宽度即可根据相对反射幅度的大小由图3确定，但最宽的电极宽度以不超过八分之三波长为宜，以免增加光刻的难度，当反射系数幅度小于0.11K2 s时，反射电极宽度取八分之三波长，改用抽指加权。此时虽然也采用抽指加权，由于反射系数幅度最大值的21.5％，精确度大大提高。而且克服了滤波器6中分布声反射加权所引起的声反射信号在垂直于声波传播方向的不均匀性。
从图3可知，反射电极宽度为八分之一波长时，压电短路反射系数是反射电极宽度为四分之一波长时的1.45倍，是反射电极宽度为八分之三波长时的4.66倍。因此，在插入损耗相同的条件下，本发明可增加滤波器的带宽；或者在带宽较宽时，在的带宽条件下，本发明可降低滤波器的插入损耗。
图1是展示一常规EWC/SPUDT型的SAW滤波器的一平面略图；
图2是展示一常规DART/SPUDT型的SAW滤波器的一平面略图；
图3是展示反射电极压电短路反射系数随反射电极金属化比变化的曲线图；
图4是展示本发明实施例SAW滤波器的结构图；
图5图示了本发明实施例SAW滤波器的频率响应曲线；
图6图示了一常规SAW滤波器的频率响应曲线。
为了更好地理解本发明，现在将结合上述各附图来描述本发明的一较佳具体实施例。
图4展示了本发明实施例SAW滤波器10，SAW滤波器10由一矩形压电基片11和沿声波传播方向放置于其上表面的两个单相单向换能器12和13组成。换能器的换能加权函数均为海明加权，加权方式一个采用切指加权，总长71λ；一个采用抽指加权，总长66λ，最大孔径20λ，反射系数加权函数为换能加权函数的卷积。
本实施例的特征在于反射电极14的加权采用宽度加权。即由设计确定的反射系数加权函数，将反射系数幅度最大的反射电极宽度确定为八分之一波长，然后根据其他反射电极的相对反射系数，由图3求出每根反射电极的宽度。最宽的反射电极宽度为八分之三波长。
如图4所示的实施例，制备了滤波器的样品，基片材料采用旋转127.86°Y切，X传铌酸锂(简写Y128°LiNbO3)，电极厚度约1500埃，它的频率响应曲线如图5所示，它的插入损耗为2.7dB。
为了比较，如图1所示的结构制备了滤波器的样品，即反射电极宽度为四分之一波长，反射电极加权采用抽指加权，其他条件，如叉指电极数量，换能加权方法，最大孔径，反射加权函数，电极厚度，基片材料等与图5所示频率响应曲线的SAW滤波器相同，它的频率响应曲线如图6所示，插入损耗4.6dB。
比较图5和图6，采用本发明设计的SAW滤波器的插入损耗比现有技术降低了1.9dB。
上面叙述的设计方法是在力学负载对反射系数的贡献为零时才严格成立的。由于本发明的前提是高耦合系数压电基片，在滤波器的设计中，反射电极的反射系数主要来自于压电短路的贡献，并且反射系数幅度加权的精度要求远小于换能加权，实验表明，即使力学负载对反射系数的贡献达到压电短路对反射系数贡献的20％，用上述设计方法仍然能得到很好的结果。由于力学负载对反射系数的贡献与反射电极的厚度成正比，为了保证上述设计方法的准确度，应尽量减薄反射电极的厚度。在某些对滤波器群时延特性要求严格的场合，可对上述设计方法进行修正。具体办法是由设计确定的每根反射电极的反射系数减去力学负载的贡献，所得结果即为压电短路的贡献，再进行宽度加权。

Claims (7)

1.一种声表面波滤波器，其特征在于它包括：
一个压电基片；
沿声表面波传播方向放置于所述的压电基片上的两个单相单向换能器，其中任一单相单向换能器单向辐射声波的正向指向另一个单相单向换能器；
所说单相单向换能器中反射电极的反射主要来自于反射电极引起晶体表面切向电场短路对反射的贡献；
所说反射电极的反射幅度的加权采用宽度加权，即反射电极的加权
由改变反射电极的宽度来实现；
所说的反射电极的加权采用宽度加权，最窄宽度为八分之一波长，
最宽宽度为八分之三波长。
2.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的反射电极的加权也可以采用宽度加权与抽指加权相结合的混合加权，即当采用电极宽度加权，反射电极宽度增加到大于八分之三波长时，电极宽度固定为八分之三波长，改用抽指加权。
3.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片由128°Y切割X传播铌酸锂构成。
4.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片由Y切割Z传播铌酸锂构成。
5.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片由36°Y切割，X传播钽酸锂构成。
6.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片由64°Y切割，X传播铌酸锂构成。
7.按照权利要求1所述的声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片由41°Y切割，X传播铌酸锂构成。
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