CN1131478A - 声表面波装置 - Google Patents
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Abstract
一种声表面波(SAW)装置(300),它包含有组合在声轨(308、310)上的叉指换能器(302、304、306)。谐振的叉指换能器(302、304)在公共声轨(308)上有串联的电耦合和声耦合,而处于第二声轨(310)上的反谐振也即并联谐振换能器(306)与串联换能器(302、304)之间有电耦合。本SAW器件比之常规的SAW器件插入损耗小,滤波器带宽较宽,并且在制造上所需压电基片表面积可减小,还易于生产。
Description
本发明涉及声表面波(SAW)装置。
声表面波装置是利用在一种弹性固体表面上传播的波,来进行电信号处理。典型的SAW装置利用一个换能器将以光速传播的电磁信号波转换成比光速慢的、以105米/秒量级速度传播的声频信号波。这种显著的波长减小可使设计人员在比传统的电路设计所需空间小得多的空间内实施一些复杂的信号处理功能。鉴此,设计得用来执行复杂信号处理功能的SAW装置,在价格和体积方面的显著优点胜过其它有竞争性的技术。SAW技术已被日益增长地广泛地被用,诸如用于滤波器、谐振器、振荡器、延时线和其它类似的装置中。
SAW装置典型地制作在一个压电基片上,通常利用设置在该压电基片表面上的叉指换能器(IDT)来产生和检测声波。压电基片上IDT的几何尺寸(叉指的条高(beam width)、节距和数目)对于一个SAW装置的信号处理和频率响应特性起着重要作用。SAW装置的设计者通常在使SAW装置达到工作所需的频率响应时,是把注意力集中在IDT的几何尺寸以及压电基片所使用材料的选择上。
常规的SAW滤波器中具有并排地处于公共声轨上的换能器,并利用声耦合在换能器之间实现耦合,然而,每个声轨必须调谐于同一谐振工作频率上。历来,SAW装置具有插入损耗问题,SAW滤波器的典型插入损耗值大于3.5dB。对于现有高耦合系数的SAW滤波器,其损耗大的机理之一是声波的衰减。声波衰减是当表面波沿压电基片表面传播时所引入的能量损失量或转换成为不可复原整体的能量损失量。
对于常规SAW滤波器所作的一种改进是SAW梯形滤波器。常规SAW梯形滤波器是将常规的非梯形SAW滤波器求微分得来的,使得梯形设计的换能器在声学上参差调谐,它们只应用电耦合,工作在以中心频率为f0的不同频率(谐振和反谐振)上。
现在,参看图1和图2,它们示出先有技术SAW梯形滤波器100及其有关的等效电路模型200。滤波器100含有处于一个压电基片101中7个分离声轭上的7个谐振器150-162。每个谐振器150-162由一个换能器102-114和两上反射器116-142组成。谐振器150-162之间通过它们各自的换能器在节点1-5上进行电耦合。常规的SAW梯形滤波器设计中,谐振器的声波通路有它们不同的传播路径,因而离开一个换能器终端时的声能不会干扰另一个换能器的响应特性。这些SAW梯形滤波器在设计中可以带有或不带有反射器。然而,无反射器的设计中,离开换能器的声能通常会在滤波器中产生大的损耗。
反射器的用途是使换能器终端损失的能量反射回到换能器中,保存下这种声能而使空载Q(Qu)增大。然而,反射器并不是理想的装置,在反射器中具有声能损耗。反射器中能量损耗的原因在于,表面波传播到反射器中并从那里返回过程中会引入声波衰减。衰减的第一个成分是声波在均匀的表面上传播时会从表面模式逐渐转换成体模式。衰减的第二个成分是当表面波到达诸如反射器指齿之类的不连续处时会发生声波散射。表面波在反射器中的整个时间内换能器中没有声能可利用。因此,反射器损耗会使滤波器的插入损耗恶化。
虽然,对常规的非梯形滤波器作了改进,但梯形滤波器装置的典型插入损耗仍然大于2.5dB。常规SAW梯形滤波器设计中的一个缺点是严格的阻抗要求,它迫使各别换能器的叉指条高和节距有很紧的制约。还有,由于所有的换能器需分隔开以及有附加的反射器,因而SAW梯形滤波器历来需要大的表面积才能实现。
据此,现在需要有一种改进的SAW装置,它能使声波损耗最小,提供出改善的滤波器性能,尤其是插入损耗性能良好,同时,在实现时所需的表面积可以减小。
图1示出先有技术的SAW梯形滤波器。
图2示出图1中SAW梯形滤波器的等效电路模型。
图3示出按照本发明的SAW装置。
图4示出图3中SAW器体的等效电路模型。
图5示出按照本发明的一个SAW滤波器。
图6示出按照本发明的另一个SAW滤波器。
图7示出先有技术的扭绞线对结构。
图8示出按照本发明的另一个SAW滤波器。
图9示出按照本发明的一个无线电话机的方框图。
现在,参看附图的图3和图4,它们示出按照本发明的一个SAW装置300及其有关的等效电路模型400。图3示出配置在压电基片301上的一个T形网络,它有两个串联的换能器302、304组合在一个公共声轨308上、一个并联的换能器306组合在第二声轨310上,并有三个标记号1、2和3的三个连接节点。串联换能器302、304工作在谐振频率f0上,而并联换能器306工作在并联谐振的频率f0上,这里的f0是通带频率特性的目标中心频率。每一个换能器单元由第一和第二对立的电极母条(bus bar)312和314组成,并包括有各自从所述第一和第二对立的电极母条上延伸出的电极指齿318和316。电极母条也可简单地称为电极。电极指齿318和316这样地自对立的电极312和314上伸出,即它们组成叉指结构。两个相邻换能器302和304之间的电耦合由第一换能器的电极314与第二换能器的电极320在电气上进行连接来形成(例如,通过导线接合或金属化布图),另有的电耦合可由连接于电极322上的并联换能器306予以控制。因此,在公共声轨308上的相邻换能器302和304之间形成声耦合。对于串联换能器302和304两者,可以用一个实质上为λ/4(λ为波长)的间距或者其它声学长度,通过控制声学上相邻的换能器之间的声波相位关系来隔离开。
如前所述,组合在公共声轨308上的换能器302和304调谐到谐振工作频率f0上,而并联换能器306,并联调谐于谐振频率f0上。组合在公共声轨308上的串联换能器302与304之间的声耦合容许电极指齿318和316具有实质上相同的叉指条高和节距,故它们能方便地制造出来。节距决定了一个给定换能器的工作频率,它本身则由指齿条宽加上指齿条间间隔之和决定。叉指条高决定了相邻换能器之间声波耦合的大小,它本身则极母条312与314之间(但不包括电极母条312和314自身)的间隔决定。图3中的SAW装置将两个工作在不同频率上的换能器声轨组合在公共声轨上这一事实,给出了这样的优点,它们具有声耦合和电耦合,但不存在必须使诸换能器的谐振频率相互参差以隔离开它们的缺点。
图4示出等效电路模型400,其中包括有阻抗单元402、404和406,它们分别对应于图3中的换能器302、304和306。在阻抗单元402与404之间形成有电耦合和声耦合,而在阻抗单元406与阻抗单元402和404两者之间形成电耦合。
如果将图3电极314连接到对立的电极324上并从电极320取出输出,则这样的电耦合能得到与图4相同的等效电路模型。
换能器阻抗取决于电极指齿与压电基片之间的静态电容(C0)参数。相邻换能器之间的声耦合取决于由这两个耦合的相邻换能器所分配的声能量值。在临近换能器终端处被激励出声能,仅仅这个声能才能激励该换能器而被另一个换能器所分享。高耦合系数的材料其内部反射较大,导致总能量的一个大百分比在谐振的换能器中被捕获。通过对换能器内的叉指条数目与叉指条高作相对调整而保持C0恒定,可使声耦合的调整能独立于电耦合来进行。这种附加的可调整耦合能用来限SAW装置300中阻抗值的变动,并最后对实施SAW装置300的设备的调谐提供灵活性。
图5示出本发明的第二个实施例,其中利用对图3中所示SAW装置作出变更来设计出一个三声轨滤波器500。该三声轨声学滤波器由配置在压电基片501上的三个并联换能器502、504和506、四个串联换能器508、510、512和514、以及六个反射器516-526组成。
图5中的节点类似于图1中节点的编号,即节点1-5,其等效电路模型与图2中的等效电路模型200相同。现在,比之先有技术的滤波器,声轨数目从7个减少到3个,反射器数目也从14个减小到6个。为了实现此SAW装置,将图1先有技术中梯形滤波器设计的相同换能器组合在三个声轨530、532和534内。参看图5中的换能器,为了便于说明诸换能器之间的相互连接起见,换能器的顶电极可认为是第一电极,换能器的底电极可认为是第二电极。滤波器500的输入连接到换能器508的第一电极(节点1)上,滤波器500的输出连接至换能器514的第一电极(节点5)上。换能器508与510之间的电耦合依靠将它们的第二电极与并联换能器504的第一电极(节点2)相连接来形成。换能器510和512的第一电极电连接到并联换能器502的第二电极(节点3)上。换能器512和514的第二电极电连接到并联换能器506的第一电极(节点4)上。因此,只是在声轨532上才发生公共声轨内串联接能器之间的声耦合。串联地组合在声轨532上的诸换能器都调谐工作于谐振频率上,而声轨530和534上的换能器调谐工作于并联的谐振频率上。该附加的声耦合容许在公共声轨上的诸如电极叉指的条高和节距是一样的。
在节点1-5处制作出换能器电连接时,最好在压电基片上应用金属化布图来实现;不过,也可以采用导线接合或倒装片接合之类的技术。三声轨滤波器的仿真响应表明,应用64度LiNbO3的插入损耗为1.7dB,3dB带宽为42MHz。
正如本发明所描述的,三声轨滤波器利用了当诸换能器共用一个声轨时发生声耦合的优点。这种额外的耦合降低了常规的SAW装置严格的阻抗要求,并在设计换能器的叉指条高和节距中容许一定的灵活性。本发明的组合式三声轨的另一个优点在于,它将所需的各种换能器节距数目从4个减少到3个。
图6示出本发明的第二个实施例,其中,声轨数目进一步从3个减少到2个。SAW滤波器600含有配置在具有两个声轨616和618的压电基片601上的四个串联式叉指换能器602、604、606、608和三个并联式叉指换能器610、612、614。为便于说明诸换能器之间的电连接,可以说每个换能器包括有第一和第二电极,其第一电极为换能器的顶电极,第二电极为换能器的底电极。滤波器600的输入连接至换能器602的第一电极(节点1)上,而滤波器600的输出连接至换能器608的第二电极(节点5)上。诸换能器之间的电耦合是依靠将换能器602的第二电极连接到(例如,通过导线接合或其它方法)相邻换能器604的第一电极并耦合到并联换能器610的第一电极(节点2)上以形成类似于图3中的SAW装置那样的一个T形网络来实现的。换能器604的第二电极连接到换能器606的第一电极以及换能器612的第一电极(节点3)上。换能器606的第二电极连接到换能器608的第一电极以及换能器614的第一电极(节点4)上。换能器610、612和614的第二电极均连接到地电位上。反射器620-626分别与声轨616和618上的终端换能器602、608、610和614进行声耦合,以对来自终端换能器的声能予以捕获和反射。这种两声轨滤波器除电耦合外还利用了声耦合,使滤波器具有图1和图2中所示的先有技术滤波器方面那样相同的等效电路模型,但其声轨较少,反射器较少。
同一声轨中的诸多换能器通过声能的同相相加(同步传输)或者声能的反相而部分抵消(非同步传输),在相邻换能器终端处达到了相干声能传输或部分声能传输。如本发明所叙述的,两声轨滤波器只有四个反射器,故减小了声波损耗,使滤波器的插入损耗最小。按本发明所述的两声轨SAW滤波器,其优点包括有:由于在每个谐振器对之间的互补声耦合,因而容许叉指节距和条高对于所有串联接能器是相同的,并在所有并联换能器中也是相同的。于是,在两声轨滤波器设计中每个滤波器器件只需有两个节距值和两个条高值,简化了生产过程。
两声轨滤波器600与三声轨滤波器500的区别在于,两声轨中的声耦合仅仅发生在需要有电耦合的那些点上。这对于并联换能器和串联换能器都是成立的。虽然,图示和说明中在公共声轨终端处都具有反射器,但在SAW滤波器500和600的设计中也可以不带有反射器,这时要计及在声轨终端处声能的损失。
在两声轨滤波器600中当将并联换能器组合进一个公共声轨时,需要从各个串联换能器上作出电连接,它们横跨声轨616。这种连接也可以通过将一个换能器中一种电极指齿的金属化布图与下一个相邻换能器中对立的电极指齿的金属化布图相连结来实现。这种连结示于附图的图8中,并能采用图7中所示的先有技术换能器对的一种变型来予以实现。先有技术的换能器对中基本上应用3λ/4(λ为波长)的宽度将一个换能器的最后一个电极指齿连接到相邻换能器的第一个电极指齿上,而所有其它电极指齿保持于λ/4上,由此来互相连接类同的换能器。
图8所示的两声轨滤波器中在串联换能器之间应用类似的电耦合和声耦合,不过,T形网络的并联换能器对提供其余的电连接,还在相邻的并联换能器之间提供出声耦合。在滤波器800中,诸串联换能器之间有电耦合和声耦合,它们工作在谐振频率上,而诸并联换能器之间只有声耦合,它们工作在并联谐振频率上。在一个公共声轨上应用声耦合,容许其一个声轨工作在谐振状态下,而另一个声轨工作在反谐振也即并联谐振状态下。图8中所表明的两声轨滤波器800可以做到在所示的单一平面上形成损耗极低的滤波器。图6和图8两图中表明的两声轨梯形滤波器容许换能器之间的声耦合和电耦合一起工作。
借助于将类同的换能器组合在公共声轨上,并减少反射器数目以及它们有关的损耗,可使SAW滤波器的总插入损耗下降。两声轨设计的仿真数据表明,应用耦合系数K2为11%的64度LiNbO3的仿真数据已经表明,二声轨设计高性能低通滤波器可做到在850MHz上的插入损耗约为1.7dB,3dB带宽为42MHz。应用更高耦合系数的材料,诸如41度的LiNbO3,可做到更宽带宽的滤波器。实验数据表明,按本发明所述、以三声轨实现的SAW滤波器设计,应用41度LiNbO3压电基片时插入损耗小于2dB,3dB带宽增加9.5%,带外衰减为33dB。
换能器愈长时,耦合到相邻换能器的总声能的百分数愈小。所以,如本发明中所述的两声轨和三声轨设计,容许在谐振换能器之间有声和电两种形式的耦合。这种极其的耦合自由容许串联换能器的设计具有相同的叉指条高和相同的叉指节距,从制造观点上看这是有利的。处于共声轨上的并联换能器又能设计得沿该公共声轨具有相同的叉指节距和相同的叉指条高。如前面所述,声耦合可以独立于电耦合进行调整,方法是使换能器中的叉指条高与叉指数目作相对的变化。
现在,参看图9,该图示出应用本发明所述的SAW装置组成的一个诸如便携式双向无线电话900之类的通信装置的方框图。无线电话900中包含有一个发射机906和一个接收机908,它们经由天线开关912选择性地连接到天线914上,天线开关912为常规的天线开关形式,或是一个双工器。接收机906和发射机908受控制器902的控制,控制器902存储并执行控制软件。
受话器904连接于接收机906上,以向无线电话用户提供声音信号。送话器910连接于发射机908上,以将用户的话音转换成电信号,供发射机908使用。本发明着眼于利用SAW技术来处理通信信号。
在接收机906中,接收的信号加到一个滤波器(未示出)上,该滤波器内包含有一个诸如本发明所述的、利用拓扑结构的一个SAW带通滤波器,以便为接收机906提供选择性。尽管所述的内容应用于接收机中,但本发明表明的SAW滤波器同样能应应用于发射机链路中。
借助于公共声轨上类同换能器之间的声耦合,减少反射器数目以及它们有关的损耗,同时有效地利用换能器之间本来会损失的声能。结果,可用SAW装置作为滤波器而提供出比常规梯形或非梯形SAW滤波器为小的插入损耦。附加上如本发明中所述的声耦合,并结合较大的调谐灵活性,可做到的较宽带宽的滤波器。如本发明所述的SAW装置的再一个优点在于,由于减少了反射器数目和不需要使诸换能器参差调谐,可以减小压电基片上所需的表面积。
Claims (10)
1.一种声表面波(SAW)装置,工作在具有中心频率f0的一个通频带内,其特征在于,包含有:
一个压电基片,具有第一和第二声轨;
一个第一叉指换能器,处于第一声轨上;
一个第二叉指换能器,处于第一声轨上、与第一叉指换能器间有串联的电耦合和声耦合而形成一种串联节点连接;
一个第三叉指换能器,处于第二声轨上、与串联节点连接间有电连接、叉并联到地电位上;
所述第一和第二叉指换能器可通过电耦合和声耦合独立地调谐到谐振地工作于通带的中心频率f0上,而所述并联换能器可独立地电调谐到反谐振也即并联谐振地工作于通带的中心频率f0上。
2.一种SAW滤波器,工作在具有中心频率f0的一个通频带内,其特征在于,包含有:
一个压电基片,具有多个声轨;
多个换能器,在多声轨之一上串联的电耦合和声耦合,形成一些工作在谐振频率f0上的串联连接换能器;
多个并联换能器,工作在反谐振频率f0上,每个与在至少一个别的声轨上的串联连接的换能器的每个之间有电耦合,同时其另一个电极接通地电位;
声耦合和电耦合可独立地调谐,以控制该SAW滤波器的带宽和插入损耗。
3.权利要求2所述的SAW装置,其特征在于,诸多声轨具有第一和第二终端,并进一步包含有在声轨的所述第一和第二终端上与多个换能器间进行声耦合的反射器。
4.一种SAW滤波器,工作在具有中心频率f0的一个预定的通频带内,其特征在于,包含有:
一个压电基片,具有诸声轨;
多个叉指换能器,在一个公共声轨上有串联的电耦合和声耦合,在相邻的串联耦合的叉指换能器之间形成有串联节点连接,每一个串联耦合的换能器在通常带内工作在相同的谐振频率f0上;
多个并联的叉指换能器,其每一个与在至少一个别的声轨上的一个串联节点连接间有电耦合,每一个并联的叉指换能器在通带内工作在相同的并联谐振频率f0上;
电耦合和声耦合是独立地受控的,以调整预定的通带频率。
5.权利要求4所述的SAW装置,其特征在于,每一个串联的叉指换能器具有一个叉指节距和叉指条高,且公共声轨上的所有串联叉指换能器具有实质上相同的叉指节距和实质上相同的叉指条高。
6.权利要求5所述的SAW装置,其特征在于,每一个并联的叉指换能器具有一个叉指节距和叉指条高,且任一个给定声轨上的并联叉指换能器都有着实质上相同的叉指节距和实质上相同的叉指条高。
7.权利要求6所述的SAW滤波器,其特征在于,通过改变相邻的串联叉指换能器和相邻的并联叉指换能器的叉指条高来控制声耦合。
8.权利要求4所述的SAW滤波器,其特征在于,串联换能器之间的串联节点连接是通过将同一声轨上串联换能器之间对立的电极连接起来而形成的,而并联换能器方面电耦合的形成是通过将串联节点连接与一个第二声轨上并联换能器的第一电极相连接,并将该并联换能器的第二电极连接到地电位上。
9.权利要求4所述的SAW滤波器,其特征在于,串联换能器之间串联节点连接的形成是通过将一个换能器的第二电极连接到相邻换能器的第一电极上,下一个串联节点连接的形成是通过将该相邻换能器的第二电极连接到之后的相邻换能器的第一电极上,并且沿着该声轨继续进行这种交变连接,并联换能器上电耦合的形成是通过将串联节点连接之每一个连接到处于两声轨上并联换能器的每一个电极上。
10.一种用以在具有叉指换能器和声轨的一个SAW滤波器中减少插入损耗的方法,其特征在于,包含有以下步骤:
确定出具有中心频率f0的一个通频带;
在一个公共声轨上对诸叉指换能器进行串联的电耦合和声耦合,以形成相邻的串联换能器;
对串联连接之间的并联换能器实现电耦合,以形成在至少一个别的公共声轨上的相邻并联换能器;
对串联换能器进行独立的电调谐和声调谐,调谐到串联谐振在频率f0上;
对并联换能器进行独立的电调谐和声调谐,调谐到并联谐振于频率f0上;
在相邻的串联换能器之间传输声能;
在相邻的并联换能器之间传输声能。
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