CN113678373A - 改进的saw换能器、saw谐振器以及包含其的saw滤波器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种由长度为L的连续布置的单格组成的SAW换能器和SAW谐振器。这些单格之间的轻微的几何形状或材料变化(诸如金属化比例η或影响间距的单格长度L的变化)使得寄生模式抑制得以改善，同时主模式性能不受影响。

Description

改进的SAW换能器、SAW谐振器以及包含其的SAW滤波器
背景技术
除了期望主SAW模式(其通常是瑞利类模式或SH类模式)之外，SAW谐振器中还可能出现几个寄生谐振。这些寄生谐振可能由于例如横向模式、不同极化模式、音量模式或其他不想要的模式。由于仿真和/或制造不准确或由于如高带宽、低温漂移或小尺寸等之类的竞争优化目标，可能无法完全抑制这些不想要的寄生谐振。
典型SAW谐振器(包括温度补偿SAW谐振器和薄膜SAW谐振器)由叉指换能器(IDT)组成，该IDT由两个反射光栅围合，制造在压电衬底的顶部上。例如，衬底和/或电极顶部上的附加层可用于温度补偿或钝化。衬底可以是块状材料或由几层组成，其中至少一层为压电层。IDT和反射器通常由金属薄膜制成，该金属薄膜可能由几层组成，并且可以沉积在粘附层或介电底层的顶部上。
IDT由沿纵向方向连续布置的n个相等单格的串联形成，其中i为范围从1到n的整数，其中依据特定设备，n可以为15至250或适于达到期望声学激励的任何其他数字。
每个单格由连接到不同电位的两个或更多个电极指部组成。大多数单格具有相同结构。在具有两个相同指部的单格的典型情况下，单格的几何形状主要由其符合单格的长度L的一半和金属化比例η(即，电极指部宽度除以节距)的节距决定。
已知沿横向方向(即，沿着指部)施加指部几何形状的某种变化来成形横向模式分布。这种变化可以包括加宽或加厚的指尖以避免激励横向模式。IDT的单格中的一些单格(具体地，靠近反射器的单格)可以具有不同的节距和/或金属化比例，以便沿着主SAW传播方向成形模式分布(称为纵向活塞模式设计)。
通常，单格UCi的长度Li等于换能器的期望操作频率处的主SAW模式的波长λ。
同样，SAW反射器通常由沿纵向方向连续布置的n个相等单格的串联形成，其中i为范围从1到n的整数，其中依据特定设备，n可以为3到30或适于实现期望声学反射的任何其他数字。
每个单格由连接到公共电位或接地的一个或多个反射器指部组成。大多数单格具有相同结构。在具有一个指部的单格的典型情况下，单格的几何形状主要由符合单格的长度L和金属化比例η(即，反射器指部宽度除以节距)的节距决定。
与换能器类似，可以应用指部几何形状沿横向方向(即，沿着指部)的某些变化。这种变化可以包括加宽或加厚的指部。
当集成在SAW谐振器中时，反射器的单格中的一些单格(具体地，靠近换能器的单格)可以具有不同的节距和/或金属化比例，以便沿着主SAW传播方向成形模式分布(称为纵向活塞模式设计)。通常，单格RUCi的长度Li等于pr*λ，其中λ是谐振器的期望操作频率处的主SAW模式的波长，pr是比例因子，其通常介于0.7与1.3之间。
在由具有换能器和反射器的谐振器组成的滤波器中，寄生谐振通常会导致当前滤波器目前无法完全避免的不良影响。这些影响可能包括通带中或其裙边处的不想要的骤降、最小插入衰减的劣化、带外反射的减少、频率微调精度的降低、群延迟均匀性的降低、功率耐久性的下降、以及压缩行为变差。另外，因为通常必须避免这些谐振落入非常关键的频率范围，所以寄生模式的存在给设计人员带来了限制。因此，如裙边陡度、近频带选择/隔离或最大插入衰减之类的其他目标参数可能会受到影响。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种SAW谐振器，该谐振器避免了上文所提及的非期望影响中的至少一些非期望影响。
根据权利要求1所述的SAW换能器和根据权利要求9所述的SAW谐振器满足了这个和其他目的。其他特征和有利实施例以及包括这种换能器或谐振器的SAW谐振器和SAW滤波器设备是从属权利要求的主题。
大体的想法是向单格的至少两个频率相关参数施加变化，以使局部地(即，对于每个单格)，一个/几个寄生模式的本征频率增加/减小，而主SAW模式的本征频率不受影响。改变声学模式的本征频率有多种可能性；最明显方式是节距和η的变化；而且，金属高度和/或介电层高度、层材料/成分或横向几何形状的局部变化可以用来实现一个/几个不想要的声学模式的本征频率的局部变化。作为示例，相应金属化比例ηi和长度Li被指派给单格UCi中的每个单格，其中对于每两个后续相邻的单格而言，金属化比例ηi和长度Li略有不同。这种换能器的每个单格UCi适于为每两个后续相邻的单格产生相应小波W_。
这种参数变化可以在SAW换能器和/或用于SAW谐振器或SAW滤波器设备的反射器处进行。通过这两种变化，可以实现期望效果并且抑制寄生模式。
这种变化的有利效果是，可能作为相应小波的一部分的任何寄生模式的本征频率也取决于这种变化，但方式不同，因此，变化的影响对主模式和寄生模式的本征频率产生不同的偏移。
作为其他影响，修改不想要的谐振(例如，不同极化的寄生模式和/或横向模式)的本征频率，因此在相邻单格之间略有不同。因此，这些不需要的模式不能在换能器的整个长度上以谐振方式激发，并且这些不想要的模式对换能器的导纳的最终贡献得以减少，并且分布在更大的频率范围内。进一步地，可以对沿着谐振器的纵向方向的不想要的模式的声学激励的包络进行修改，并且可以以减小不想要的模式的激励强度和/或使其频率偏移的方式成形。关于在换能器的所有单格上保持恒定的主模式的本征频率，所有单独单格的激发小波的叠加对于该频率具有建设性。
在SAW谐振器中，单格之间的类似变化还可以应用于反射器，这可能会影响反射器阻带宽度和频率，从而改变谐振器的传输、反射和损耗行为。
在包括这种谐振器和/或反射器的滤波器设备中，这改进了插入衰减、使裙边更平滑、减小了组延迟纹波、增加了带外反射、改善了压缩和功率耐久性行为，并且潜在地减少由不为零的寄生模式产生的设计约束。当使用两个或更多个这样的谐振器，其中单格的主SAW模式的本征频率相同但滤波器中寄生模式的本征频率不同时，由于寄生模式激励引起的阻抗贡献会以部分破坏性方式叠加，从而可能会降低这些不想要的模式对滤波性能的影响。
可以以各种方式实现单格的上述局部变化。η和L的局部变化最容易实现并且与最先进的制造技术一致。而且，还可以应用更复杂的途径，例如，层高度的局部变化、电极材料/成分、复杂电极边缘分布或横向几何变化变化。
根据一个实施例，这些参数从单格到单格的“缓慢”变化是可优选的。根据一个实施例，可以实现从换能器的一端到另一端的准线性参数变化，其中Li连续增加并且ηi连续减小。
可替代地，参数L和η随IDT端的节点的正弦状变化和IDT中心的最大变化是可能的，使得表示L和η过程的两个正弦函数具有相位差π。在叉指式换能器的中间，参数Li和ηi中的一个参数可能具有最小值，因此另一参数具有最大值。
而且，依据所使用的材料系统或谐振器设计，可能优选更复杂的参数分布。所有这些变化的相关约束是主模式的本征频率和/或耦合不会(或仅略微)由所施加的单格之间的变化而改变。
单格的电极指部可以具有横向几何分布，使得其横截面在每个电极指部的尖端附近最大。
除了换能器单格的局部变化之外，还可以实现反射器单格的变化。这些可能包括反射器与IDT之间的频率相关参数的特定偏移，如节距和η。这允许例如相对于一个/多个寄生模式的谐振频率移位反射器阻带，而谐振器的主模式性能不受影响。因为这种途径会对不影响主模式的这些不想要的模式招致附加声学损失，所以它还可以减少不想要的模式的激励。
根据一个实施例，SAW谐振器由一个或多个换能器和一个或多个反射器组成。至少一个反射器由沿纵向方向连续布置的反射器单格组成。每个反射器单格RUCi包括两个或更多个反射器指部并且在反射器的长度上示出至少两个频率相关参数的变化。结果，在每个反射器单格RUCi中，期望的主SAW模式的反射率不变，并且所反射的小波在主SAW模式的频率下相长叠加。另一方面，一个或多个寄生模式的反射率因单格而略微发生变化，因此(多个)寄生模式的所反射的小波以部分破坏方式叠加。
SAW滤波器设备可以包括至少一个单端口谐振器，该至少一个单端口谐振器具有这种换能器或反射器设计。谐振器可以以串联臂谐振器和并联臂谐振器的梯形布置或格子型布置来环形。
这个想法可以直接转移到准周期结构，如DMS滤波器，该DMS滤波器包括由两个或更多个IDT组成的谐振器。换能器可以在它们相应的纵向端具有啁啾区域。如上文所描述的，每个换能器IDT都可以单独修改，从而在声轨的所有部分单独改进对寄生模式的抑制。包括改进换能器和/或反射器的这种DMS滤波器改善了插入衰减、使裙边更平滑、减少了组延迟纹波、增加了带外反射、改善了压缩和功率耐久性行为，并且潜在地减少了由不为零的寄生模式而产生的设计约束。
附图说明
下文具体实施例和附图对本发明进行更详细的解释。这些图只是示意性的，并未按比例绘制。
图1示出了两个参数长度Li和金属化比例ηi随换能器的单格指数的变化；
图2示出了主模式和寄生模式的本征频率随根据图1的换能器的单格指数的过程；
图3示出了带有根据图1的换能器的谐振器的导纳的实部；
图4示出了与图3相同的谐振器的导纳的幅度；
图5示出了包括如图3和图4所示的两个谐振器的SAW滤波器的通带；
图6A示出了换能器的单格UCi；
图6B示出了反射器的单格RUCi；
图7示出了包括换能器和反射器的谐振器；
图8示出了由串联谐振器和并联谐振器组成的SAW滤波器；以及
图9示出了根据实施例的体现为使用换能器的DMS滤波器的SAW滤波器。
具体实施方式
图1示出了，在第一实施例中，根据单格指数，换能器的两个参数沿纵向方向随换能器的所提出的参数变化的可能实现。在示例中，示出了由100个单格组成的传感器。左侧y轴指派给单格UCi的长度Li，该长度Li与该换能器可以激发的节距和波长成比例。右侧y轴指示单格UCi的金属化比例ηi。金属化比例可以通过将电极指部的宽度除以节距来得出。
在该实施例中，长度Li和金属化比例η从换能器的第一单格到最后一个单格发生线性变化。选取相对变化，以使主模式的本征频率在所有单格中相同，但是一个(或几个)寄生模式的本征频率随换能器的长度发生变化。
图2示出了这两个本征频率随具有如图1所示的参数变化的换能器长度的过程，该变化经过优化以实现上文所提及的结果。主模式的过程不会随换能器而发生变化，但寄生模式会。因此，每个单格UCi产生寄生模式，其本征频率不同于相邻单格UC(i+1)或UC(i-1)的本征频率。因此，换能器的所有单格所产生的小波的寄生模式的各部分一起不会完全相长叠加，因此，干扰寄生谐振峰值得以降低或完全消失。只要没有通过叠加消除，寄生模式的贡献就分布在频率范围内，不会出现在单个寄生模式频率处。
图3的图中的实线示出了与由虚线描绘的标准SAW谐振器的相应导纳相比的包括如图1所示的参数变化的SAW谐振器的导纳的实部。在主模式的频率下的显著最大值上方，标准SAW谐振器示出了由不同极化声学模式的激发引起的小峰值。根据被描绘为实线的所提出的参数变化，该小峰值在换能器的导纳曲线中几乎消失或至少在高度上明显降低。
在比较标准谐振器和实施例的谐振器的导纳的幅度的图4的图中也可以检测到这种积极效果。在主模式的谐振保持恒定的同时，寄生模式的峰值显著降低。
根据实施例，使用两个谐振器形成包括一个串联谐振器和一个并联谐振器的具有梯型结构的SAW滤波器，每个谐振器都具有换能器。在图5中描绘了在这种滤波器的通带区域中计算的透射率。作为参考，虚线描绘了包括两个标准SAW谐振器的滤波器的相应通带。串联和并联谐振器的导纳特点对应于如图3和图4所示的具有不为零的寄生模式的标准SAW谐振器(虚线)和根据实施例的SAW谐振器(实线)的导纳特点。可以看出，与标准SAW谐振器相比较，根据实施例的实线示出的通带骤降显著减小。
图6A示出了由单格UCi组成的换能器的结构。通常，每个单格UCi由连接到不同母线排BB因此连接到不同电位的两个电极指部EF组成。每个长度Li符合声波的波长λ，当向两个母线排BB施加RF信号时，可以激发该声波。依据应用于相应单格中的金属化比例，需要不同的几何长度来激发相同的频率。由于微小的差异，所以仅通过观察所描绘的结构看不到两个参数的变化。
图6B示出了反射器REF的单格RUCi。每个反射器单格包括由两个“母线排”短路的两个反射条带。相同的频率确定参数可以随这种反射器的长度而发生变化，类似于换能器单格的变化，以产生反射器性能，其中主模式的小波相长叠加，因此被全反射，同时由于相应小波的相长叠加，所以减少寄生模式的反射。可替代地，反射器单格的至少两个频率相关几何形状和/或材料参数与邻居换能器中的对应参数不同，以使反射器阻带相对于换能器谐振的频率对于不同声学模式而言不同。
图7示出了可以包括具有提议参数变化的换能器IDT的SAW谐振器R。SAW换能器IDT布置在两个反射光栅REF之间，可以使两个反射光栅REF短路以形成反射器。在图的右侧上，示出了用于框图的谐振器R的电路符号。
图8示出了具有梯形结构的SAW滤波器的可能结构。这种滤波器由串联连接在串联信号线中的若干个串联谐振器Rs和各自布置在从串联信号线分支的分流臂中的若干个并联谐振器Rp组成。滤波器中谐振器的数目取决于期望选择性程度。根据滤波器设计规则在本领域中是公知的。
从串联谐振器和并联谐振器中选取的任何类型的至少一个谐振器具有带有提议参数变化的换能器和/或反射器。此外，在这种类型SAW滤波器中，可以有利地减少寄生模式，从而改善插入衰减，使裙边更平滑，减少组延迟纹波，改善带外反射，改善压缩，以及改善功率耐久性行为。
图9示出了DMS类型的示例性简化SAW滤波器，该示例性简化SAW滤波器可以由具有提议参数变化的换能器和/或反射器构成。DMS滤波器包括布置在两个声学反射光栅REF之间的声轨中的若干个换能器IDT1至IDT3。IDT分别交替连接到滤波器的输入端子和输出端子。优选对称结构。从输入换能器和输出换能器中选取的一种类型的谐振器中的至少一个谐振器示出了提议参数变化。此外，在这种类型的SAW滤波器中，可以有利地减少寄生模式，从而改善插入衰减，使裙边更平滑，减少组延迟纹波，改善带外反射，改善压缩，以及改善功率耐久性行为。
尽管仅对所描绘的实施例进行了解释，但是本发明不受所示实施例和附图的约束。范围仅由权利要求限定并且可以包括与附图不同的变化。
所使用的术语和附图标记列表
Figure BDA0003281423220000091
Figure BDA0003281423220000101

Claims (13)

1.一种SAW换能器
由沿纵向方向连续布置的单格(UC)组成，
其中每个单格UCi
-包括连接到不同电位的两个或更多个电极指部(EF)，
-适于产生小波Wi，
其中所述单格示出至少两个频率相关参数在所述换能器(IDT)的所述长度上的变化，使得对于每个单格UCi，主操作SAW模式的所述本征频率不变，并且所述小波在所述主操作SAW模式的所述频率下相长叠加。
2.根据前述权利要求所述的SAW换能器，
其中通过所述单格的所述变化，在相邻单格之间，不期望的谐振的所述本征频率略有不同，并且因此
-所述小波在寄生模式的所述频率下至少以部分破坏形式叠加；
-和/或寄生模式沿着所述换能器的所述包络被成形为使得所述激励最大值得以减小和/或其频率偏移。
3.根据前述权利要求中一项所述的SAW换能器，其中每个单格UCi
-具有长度Li；
-具有金属化比例ηi；
其中所述单格示出Li和ηi在所述换能器(IDT)的所述长度上的变化。
4.根据前述权利要求中一项所述的SAW换能器，其中所述单格在示出所述参数Li和ηi所述SAW换能器的所述长度上的准线性变化，其中Li连续增加而ηi连续减小。
5.根据权利要求1至3中一项所述的SAW换能器，
其中所述单格示出所述参数Li和ηi根据具有相位差π的两个正弦函数的变化。
6.根据权利要求1、2、3、5中一项所述的SAW换能器，
其中，在所述叉指换能器的中间，所述参数Li和ηi中的一个参数具有最小值，而另一参数具有最大值。
7.根据前述权利要求中一项所述的SAW换能器，其中所述电极指部具有横向几何分布，使得其横截面在每个电极指部的所述尖端附近最大。
8.一种由一个或多个换能器和一个或多个反射器(REF)组成的SAW谐振器，包括根据前述权利要求中一项所述的换能器。
9.一种SAW谐振器，由一个或多个换能器和一个或多个反射器组成，其中
-所述反射器由沿纵向方向连续布置的反射器单格(RUC)组成，
-每个反射器单格RUCi包括两个或更多个反射器指部，
-所述反射器单格示出至少两个频率相关参数在所述反射器的所述长度上的变化，使得对于每个反射器单格RUCi，所述期望主SAW模式的所述反射率保持不变，并且所反射的小波在所述主SAW模式的所述频率下相长叠加，而一个/多个寄生模式的所述反射率因单格而略微发生变化，因此所述(多个)寄生模式的所反射的小波以部分破坏方式叠加。
10.一种SAW谐振器，由一个或多个换能器和一个或多个反射器组成，其中
-所述反射器由沿纵向方向连续布置的反射器单格(RUC)组成，
-每个反射器单格RUCi包括两个或更多个反射器指部；
-所述反射器单格的至少两个频率相关几何形状和/或材料参数不同于所述邻近换能器中的所述对应参数，以使所述反射器阻带相对于所述换能器谐振的所述频率对于不同声学模式是不同的。
11.根据权利要求8、9和10中一项所述的SAW谐振器，其中一个或多个不期望的模式的所述谐振位于所述反射器阻带外部，而所述主SAW谐振在其反射器阻带内。
12.一种SAW滤波器设备
包括根据前述权利要求中一项所述的至少两个叉指换能器，其中所述换能器布置在两个反射器之间以形成DMS滤波器。
13.一种SAW滤波器设备
包括串联连接的SAW谐振器(R)和并联连接的SAW谐振器(R)的电路，至少一个SAW谐振器根据权利要求8、9、10或11体现。
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