CN109787580B - 一种高品质因素的saw谐振器及其构成的saw滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高品质因素的SAW(生表面波，surface acoustic Wave)谐振器及其构成的SAW滤波器,SAW谐振器包括压电基片、设置在压电基片上的叉指换能器和短路反射栅，且短路反射栅设置在叉指换能器两端；所述叉指换能器又包括汇流条、设置在汇流条上的叉指电极和Busbar，叉指电极和Busbar相互间隔交替设置；所述Busbar为多对，且其宽度从中心位置到两端呈渐变状态线性渐变增加。SAW滤波器由n个串联的谐振器，和n/2或者更多的个并联的谐振器级联而成。本发明通过改变叉指换能器上的结构，形成宽度渐变的Busbar结构，从而具有高品质因素(Q)值。

Description

一种高品质因素的SAW谐振器及其构成的SAW滤波器

技术领域

本发明涉及物联网设备或手机中的射频集成电路滤波器芯片，具体而言，涉及一种高品质因素的SAW谐振器及其构成的SAW滤波器。

背景技术

移动通讯技术快速发展，尤其是以高数据流量传输为代表的4G通信在过去几年的全面推进，带动了智能手机终端市场的蓬勃发展。就无线通信而言，射频前端是无线通信的核心，其中滤波器起着至关重要的作用。由于手机终端的智能化、多功能化、全网通等特点，使得现阶段单只手机所需的滤波器在30～50颗，而声波滤波器具有体积小、质量轻等优点，在目前的手机终端中广泛应用。

声波滤波器主要包括声表面波滤波器(SAW Filter,Surface Acoustic WaveFilter)、体声波滤波器(BAW Filter,Bulk Acoustic Wave Filter)和薄膜体声波谐振器(FBAR,Film Bulk Acoustic Resonator)所构成的滤波器。三种滤波器都是利用压电效应，将电信号转换为声波，通过合理的结构设置来构造滤波器，区别在于实现的方式不同。SAW滤波器是在压电材料表面镀一层叉指电极，通过设置叉指电极间距与宽度，当电信号激励叉指电极两端时，会在压电材料表面激励起同样频率的声表面波，逆压电效应使得信号在电极在另一端输出，多个叉指电极按照一定的方式级联，就能形成滤波器。BAW滤波器激励的结构是两个金属电极压夹着压电薄膜，声波在压电薄膜内垂直传播，震荡形成驻波，相比于SAW滤波器，BAW滤波器适合更高频率，具有插损小，带外抑制大等优点。FBAR滤波器也来源于体声波(BAW)，在电极/压电薄膜/电极的结构上施加交变信号，压电薄膜内产生纵向传播的体声波，当压电薄膜厚度满足半波长的奇数倍时，就能形成声波驻波，在对应的频率上引发谐振。它具有极高的Q值，工作频率高，温度系数小，抗静电能力好等特点。

SAW滤波器通常是由多个的SAW谐振器梯形级联的构成的，这种梯形级联的方式具有高功率容量、插入损耗小等优点。传统的SAW谐振器是利用最基本的均匀叉指单端谐振器的结构，它由两个均匀的叉指换能器(IDT,Interdigital Transducer)和两个均匀的短路反射栅构成，两个短路栅分别位于中心叉指的两侧且到中心叉指的距离相等，短路反射栅的作用是反射压电材料表面所产生的声表面波，将声表面波束缚在谐振器内，防止其泄漏。而事实上，激励的声表面波大部分会朝着短路反射栅两侧纵向传播，但还有一部分会垂直于纵向传播方向，向SAW谐振器两侧横向传播，此外，在压电基板内部也会产生向下传播的声波。因此，激励的声波不能全部被束缚在谐振器内部，会产生一定的声波泄漏。一方面是因为短路反射栅不能完全反射纵向传播的声表面波，另一方还有横向传播和向压电基板下方传播的声波泄漏。声波的泄漏即代表能量的损失，造成的后果是会使SAW谐振器损耗增大，Q值降低。如果用SAW谐振器来做成滤波器，则会使得SAW滤波器产生大的插入损耗，从而影响滤波器的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高品质因素的SAW谐振器及其构成的SAW滤波器，通过改变叉指换能器上的结构，形成宽度渐变的Busbar结构，从而具有高品质因素(Q)值。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：包括压电基片、设置在压电基片上的叉指换能器和短路反射栅，且短路反射栅设置在叉指换能器两端；所述叉指换能器又包括汇流条、设置在汇流条上的叉指电极和Busbar，叉指电极和Busbar相互间隔交替设置；所述Busbar为多对，且其宽度从中心位置到两端呈线性渐变。

进一步地，所述叉指电极与相邻的Busbar位于同一中心线上，且间距为0.2λ，其中λ为声波波长。

进一步地，多对Busbar指条长度统一为1.5λ到3λ之间，指条宽度k1*λ～k2*λ之间，第n对Busbar的指条宽度由式1获得，

Wn＝k1*λ+(k2-k1)*λ(n-1)/(N-1)， 式1；

其中k1*λ为中心位置Busbar的指条宽度，k2*λ为两端Busbar的指条宽度，N为Busbar的总对数。

进一步地，所述Busbar的指条宽度优选在0.25λ～0.4λ间变化。

进一步地，所述压电基板选用LiTaO₃或者LiNbO₃，叉指换能器和短路反射栅均采用铝材料。

进一步地，所述叉指换能器的金属化率η由式2获得，

η＝a/p＝0.5， 式2；

其中a为电极宽度，p为指间距，其中指间距p＝λ/2。

进一步地，所述短路反射栅的栅极宽度和栅极间距均为0.5λ。

进一步地，所述短路反射栅与叉指换能器之间留有边缘间距，且边缘间距与电极宽度之和等于λ/2。

同时，本发明还公开了一种由上述高品质因素的SAW谐振器构成的SAW滤波器，其具体技术方案如下：

一种采用上述高品质因素的SAW谐振器的SAW滤波器，其特征在于：由n个串联的谐振器，和n/2个并联的谐振器级联而成。

本发明的有益效果在于：本发明区别于现有技术，本发明有利于增加谐振器的品质因素，从而使得设计的滤波器具有更小的带内插损，更大的带外抑制，另一方面，采用渐变的busbar金属宽度比例，有利于减小滤波器的杂散寄生谐振，从而使滤波器的响应更为平滑。由本发明提供的高Q值SAW谐振器构成的SAW滤波器测得带内曲线较为平滑，基于此发明设计，可以使得滤波器的响应更好，增加SAW滤波器在高频和高性能环境中的应用范围。

附图说明

图1是本发明提供的高品质因素的SAW谐振器结构示意图一；

图2是本发明提供的高品质因素的SAW谐振器结构示意图二；

图3是本发明提供的高品质因素的SAW谐振器构成的五阶SAW滤波器电路图；

图4是本发明提供的高品质因素的SAW谐振器的短路阻抗响应说明图；

图5是本发明提供的高品质因素的SAW谐振器构成的SAW滤波器响应说明图。

附图标记：

1为短路反射栅、2为叉指电极、3为汇流条、4为Busbar、5为压电基片、6为谐振器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

图1-图5所示，一种高品质因素的SAW谐振器，包括压电基片5、设置在压电基片5上的叉指换能器和短路反射栅1，且短路反射栅1设置在叉指换能器两端；所述压电基板选用LiTaO3或者LiNbO3，它们具有高机电耦合系数；叉指换能器和短路反射栅1均采用铝材料。

所述叉指换能器又包括汇流条3、设置在汇流条3上的叉指电极2和Busbar4，叉指电极2和Busbar4相互间隔交替设置；所述Busbar4为多对，且其宽度从中心位置到两端线性渐变增加。

所述叉指电极2与相邻的Busbar4位于同一中心线上，且间距为0.2λ，其中λ为声波波长，多对Busbar4指条长度统一为1.5λ到3λ之间，指条宽度k1*λ～k2*λ之间，Busbar4的指条宽度优选在0.25λ～0.4λ间变化。

第n对Busbar4的指条宽度由式1获得，

Wn＝k1*λ+(k2-k1)*λ(n-1)/(N-1)， 式1；

其中k1*λ为中心位置Busbar4的指条宽度，k2*λ为两端Busbar4的指条宽度，N为Busbar4的总对数。

所述叉指换能器的金属化率η由式2获得，

η＝a/p＝0.5， 式2；

其中a为电极宽度，p为指间距，其中指间距p＝λ/2。

所述短路反射栅1的栅极宽度和栅极间距均为0.5λ。

所述短路反射栅1与叉指换能器之间留有边缘间距，且边缘间距与电极宽度之和等于λ/2。

再利用上述改进型的SAW谐振器6，设计构成一个5阶的梯形SAW滤波器，如图3所示，该梯形SAW滤波器由4个串联谐振器6和2个并联谐振器6构成。

在实际使用时，当SAW谐振器6两端有电信号激励时，其下方的压电材料表面会激励起横向传播的表面声波，大部分向两侧的短路反射栅1传播，还有少量向汇流条3及压电基板下方传播的声波。一方面，短路反射栅1将反射声波信号，在SAW谐振器6内部形成震荡；另一方面，Busbar4结构也能够起到反射声波的作用，但通过对Busbar4结构的改进，使其宽度沿谐振器6中心到两侧线性递增，能进一步增加声波的反射，从而减小损耗，增加SAW谐振器6的Q值。

如图2所示，叉指换能器的电极宽度a，指间距为p，其中指间距p＝λ/2，且金属化率η＝a/p＝0.5；短路反射栅1的栅极宽度s和栅极间距g均等于λ/2；两个短路反射栅1与叉指换能器之间的边缘间距为d，且其满足d+a＝λ/2。Busbar4与相对应的叉指电极2位于同一条中心线上，且间距k1*λ。Busbar4的长度设计为l＝1.5λ，其宽度在k1*λ～k2*λ之间，在叉指换能器中心位置宽度为k1*λ，从中心位置到叉指换能器两侧，宽度以线性渐变的方式增加到k2*λ。作为优选的，Busbar4的指条宽度优选在0.3λ～0.4λ间变化。

SAW谐振器6有N对叉指电极2，N为偶数，在SAW谐振器6的中心位置，Busbar4的指条宽度为w1＝k1*λ，则根据上述的计算公式，w2＝k1*λ+(k2-k1)*λ/(N-1)，Busbar4的指条宽度呈线性变化，直至达到k2*λ的极限值。从谐振器6中心位置到谐振器6两侧，Busbar4宽度线性递增的结构，可以声波的泄漏，从而减小能量损失，使谐振器6具有高Q值。

实验验证改进型的谐振器6的响应曲线如图4所示，使用我们改进的结构，可以使得谐振器6反射相应曲线更靠近外围圆周，并减少寄生杂散模式。

实验验证基于此改进型的5阶滤波器相应示意图如图5所示，测得带内曲线较为平滑，带外抑制也比较理想。总体而言，基于此发明设计，可以使得滤波器的响应更好，增加SAW滤波器在高频和高性能环境中的应用范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：包括压电基片、设置在压电基片上的叉指换能器和短路反射栅，且短路反射栅设置在叉指换能器两端；所述叉指换能器又包括汇流条、设置在汇流条上的叉指电极和Busbar，叉指电极和Busbar相互间隔交替设置；所述Busbar为多对，且其宽度从中心位置到两端线性渐变；

多对Busbar指条长度统一，在1.5λ到3λ之间，指条宽度k1*λ～k2*λ之间，第n对Busbar的指条宽度由式1获得，

Wn＝k1*λ+(k2-k1)*λ(n-1)/(N-1)， 式1；

其中k1*λ为中心位置Busbar的指条宽度，k2*λ为两端Busbar的指条宽度，N为Busbar的总对数。

2.根据权利要求1所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述叉指电极与相邻的Busbar位于同一中心线上，且间距为0.2λ，其中λ为声波波长。

3.根据权利要求1所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述Busbar的指条宽度优选在0.25λ～0.4λ间变化。

4.根据权利要求1所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述压电基板选用LiTaO3或者LiNbO3，叉指换能器和短路反射栅均采用铝材料。

5.根据权利要求4所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述叉指换能器的金属化率η由式2获得，

η＝a/p＝0.5， 式2；

其中a为电极宽度，p为指间距，其中指间距p＝λ/2。

6.根据权利要求4所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述短路反射栅的栅极宽度和栅极间距均为0.5λ。

7.根据权利要求6所述的高品质因素的SAW谐振器，其特征在于：所述短路反射栅与叉指换能器之间留有边缘间距，且边缘间距与电极宽度之和等于λ/2。

8.一种采用上述1-7任一一项所述的高品质因素的SAW谐振器的SAW滤波器，其特征在于：由n个串联的谐振器，和至少n/2个并联的谐振器级联而成。

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