CN1287517C - 具有两个不同的抑制补偿通道的声波滤波器 - Google Patents

具有两个不同的抑制补偿通道的声波滤波器 Download PDF

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Abstract

一种表面声波滤波器，包含有第一和第二通道，每一通道包含有至少一个第一输入换能器和一第一输出换能器。第一通道的和第二通道的传输函数在滤波器的通频带内同相，在滤波器的抑制带内反相。此种配置允许使用每一通道的频率响应，具有极大的减少了滤波器的尺寸的宽带同时降低了整个滤波器的抑制带。

Description

具有两个不同的抑制补偿通道的声波滤波器
技术领域
本发明涉及表面声波滤波器，特别是涉及使用单方向DART型换能器的表面声波滤波器。
背景技术
此种类型的换能器具有基本上从单方向上发射和接收声波的优点。这就极大的提高了该种换能器的效率。其由一系列换能器中心和反射中心组成，它们的分布状态使得可以得到非常好的滤波特性。然而，由于此种设计，DART滤波器的尺寸相对较大，一般为λ的数百倍，其中λ为该器件中心工作频率处的波长。
因此，对于包含两个DART型换能器的滤波器，其中该换能器一个在输入端，另一个在输出端，需要使用长度明显大于宽度的基底。这样就需要使用其长度明显大于宽度的非标准封装，该种封装很难在常用的嵌入系统中使用，并且还有扭曲和偏转的缺点。
由此，本发明建议了这样一种表面声波滤波器，其使用具有集成的DART型换能和反射功能的换能器，该滤波器包含两个电连接的通道，每个通道包含一个输入换能器和一个输出换能器，所述的通道具有优化的结构，因而可以在滤波带和抑制带方面得到非常满意的性能，其手段是减少滤波器的长度，该参数目前是滤波器成本的一个决定性因素。
发明内容
特别地，本发明的一个目的是提供一种表面声波滤波器，其包含有换能器，每一换能器被一个加权函数来定义，该加权函数表示在换能器中反射和换能的密度以及反射和换能的相位。该加权函数可以通过离散化方法在换能器上物理实现，该方法对于本领域的普通技术人员是公知的，该方法包含以下选择，即在换能器的每一区域内，选择反射器的密度和声源的密度，该密度与加权函数所给出的值相应。该加权函数还可以通过以下所称的孔隙加权法在换能器上物理实现，其在换能器内，在由加权函数给出的孔隙上，布置声源和反射器。
根据本发明的一方面，提供一种表面声波滤波器，包括若干换能器，每个换能器由一个加权函数定义，该加权函数表示所述换能器的反射中心和换能中心的分布状态，所述滤波器具有通频带和抑制带，并且包含：第一通道，其包含定义第一传输函数的至少一个第一输入换能器和一个第一输出换能器，所述第一通道具有第一合成加权函数；第二通道，其包含定义第二传输函数的至少一个第二输入换能器和一个第二输出换能器，所述的第二通道具有第二合成加权函数；其中，所述第一输入换能器和所述第二输入换能器彼此电连接；其中，所述第一输出换能器和所述第二输出换能器彼此电连接；其中，所述第一和第二通道的合成加权函数不相同，并且使得所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数在滤波器的通频带内同相，而在滤波器的抑制带内反相，以及其中，所述第一和第二输入换能器和所述第一和第二输出换能器至少之一是串行联接。
在本发明的一优选实施例中，第一和第二输入换能器或者所述第一和第二输出换能器具有相同的加权函数。即，更便利地，两个通道的输入换能器或输出换能器可以相同，以减少耦合带来的问题，这种耦合是由于换能器之间的衍射造成，其通常会导致在滤波器的抑制带内出现小圆凸(lobes)。
在本发明的一优选实施例中，第一和第二通道在输入端或者在输出端不可区分，以实现相同的加权函数。
在本发明的一优选实施例中，第一和第二输入换能器和所述第一和第二输出换能器至少之一包含：连接到第一差动或非差动输入之外部总线的第一电极序列，连接到第二差动或非差动输入之外部总线的第二电极序列，连接到具有浮动电势的中心总线的第三电极序列，所述的第三电极序列将所述第一电极序列和所述第二电极序列隔开。
根据本发明的另一方面，提供一种制造滤波器的方法，包括：通过叠加处理确定第一通道的换能器和第二通道的换能器的加权函数，以定义出所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数，它们在该滤波器的通频带内同相，在抑制带内反相；以及将所述加权函数离散化，以得到构造第一和第二通道的换能器的电极掩模。
根据本发明的另一方面，提供一种表面声波滤波器，包含若干换能器，每个换能器由一个加权函数定义，该加权函数表示所述换能器的反射中心和换能中心的分布状态，所述滤波器具有通频带和抑制带，并且包含：第一通道，其包含定义第一传输函数的至少一个第输入换能器和一个第一输出换能器，所述第一通道具有第一合成加权函数；第二通道，其包含定义第二传输函数的至少一个第二输入换能器和一个第二输出换能器，所述的第二通道具有第二合成加权函数；其中，所述第一输入换能器和所述第二输入换能器彼此电连接；其中，所述第一输出换能器和所述第二输出换能器彼此电连接；其中，所述第一和第二通道的合成加权函数不相同，并且使得所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数在滤波器的通频带内同相，而在滤波器的抑制带内反相，以及其中，所述第一和第二传输函数的中心频率基本上相等。
附图简述
参照附图及以下并非对本发明进行限制的实施例，将使得本发明及其优点更加清楚明白，附图中：
图1是依照本发明的滤波器的示意图，该滤波器包含两个通道，每个通道有一个输入换能器和一个输出换能器；
图2是依照本发明的滤波器的示意图，该滤波器在输出端包含单一换能器；
图3示出了在输入端和在输出端包含不同换能器时的声波耦合现象；
图4示出了两串联连接的换能器；
图5示出了一换能器，其被分成两个被偏置了半个波长的相同的通道，且通过一个具有浮动电势的中心总线连接在一起；
图6示出了通过一个浮动总线串联在一起的两个不同的换能器；
图7示出了两个并联的换能器；
图8示出了依照现有技术，两个相同且并联在一起并被偏置了半个波长的换能器。
图9示出了依照本发明，用在一个滤波器中的两个不同且并联的换能器；
图10示出了使用在依照本发明工作在220.38MHZ的实施例滤波器中的，每一通道的两个换能器的加权函数；
图11示出了对加权函数的离散化；
图12示出了确定被隔离通道响应的方法；
图13示出了依照本发明的工作在220.38MHZ的实施例滤波器中的、被隔离的两个通道的传输函数的振幅，和所得到的滤波器的传输函数的振幅；
图14示出了依照本发明的工作在220.38MHZ的实施例滤波器中的、被隔离的两个通道的传输函数的相位，和所得到的滤波器的传输函数的振幅和相位。
具体实施方式
图1是依照本发明的一般滤波器的示意图。该滤波器有一第一通道，于其中有一声波FU传输，此第一通道包含有至少一输入换能器T1U和一输出换能器T2U。该滤波器有一第二通道，于其中有一声波FL传输，该第二通道也包含有至少一个输入换能器T1L和一个输出换能器T2L。输入换能器T1U和T1L电连接到一以IN表示的输入端，输出换能器T2U和T2L连接到一以OUT表示的输出端。
这两个通道具有不同的合成加权函数但这也许有利于在输入端和输出端，使用两个相同因而具有相同的加权函数的换能器。
图2所示的示意图代表依照本发明包含两个不同的输入换能器T1U和T1L，及与两个相同的换能器等同的单一输出换能器T2的滤波器。
此种类型的结构使得可以对由于各个通道完全不同的结构所带来的缺点进行纠正。事实上，如图3所示，由于衍射，在通道之间可能出现耦合。这就导致了与声波1和2不同的声波3和4的出现。声波3和4的振幅较小，但是可能被叠加到声波1和2的振幅上从而使得振幅增加小的凸起而干扰抑制。
如果具有两个相同的换能器T2U和T2L，声波3的路径和声波1的路径除相差一个比例系数外完全相同。对于声波2和4的路径，也是这种情况。由于声波3和4的路径对滤波器的影响，除了相差一个比例系数外，与声波1和2的路径对滤波器的影响相同，所以耦合效应极大降低。
通常的，为连接输入换能器T1U和T1L或者输出换能器T2U和T2L，可以使用串联连接或者并联连接。以下对这些种连接方法的实施例进行说明。
串联连接的实施例
串联连接的物理实现使用了一种公知的用来制造具有两个相同的串接在一起的通道的差动或者平衡驱动换能器方法，其在1997年的IEEE超声波专题论文集的第27-31页中，作者为P.迪菲里、F.鲁、M.索拉尔(P.Dufilie，F.Roux，M.Solal)的文章“平衡驱动的声反射换能器结构(Balanced Drive Acoustic ReflectionTransducer Structure)”中进行了描述。这种方法允许被驱动的换能器由非差动模式转换到差动模式。为实现此目的，换能器被细分成两个相同的通道，它们如图4所示串接在一起。如图5所示，有效(active)电极连接到外部以+和-表示的总线，其它的电极连接到一具有浮动电势的中心总线。为产生对称模式，在这种结构中，一个通道相对于另一通道被偏移半个波长。
在本发明的框架内，为得到具有不同加权的通道，可以仍使用相同的方法，如图6所示，其中有效电极连接到两个外部总线，其它的电极连接到一中心总线。由于在中心轴线AA′两边电极的分布状态不同，因此可以得到两个不同的串联连接的换能器。这些换能器相应于依照本发明的滤波器中使用的输入或输出换能器。
并联连接的实施例
如图7中示意出的，两个换能器T1U和T1L并联电连接，有效电极连接到两个外部总线。
可在本发明中使用的一种实施例并联连接，使用了本申请人的公开号为FR2740908的专利申请中特别描述的方法。
依照该方法，如图8所示，包含两个换能器和四个连接总线的结构，被一种具有仅两个连接总线的结构所取代，连接到电势+V的总线在上部，连接到电势-V的总线在下部。在每一通道中，电极电连接到+V或-V，加权运算相同和在两通道问半个波长的偏移，使得一个通道的电极连接到与该通道相对的总线成为可能，其于段是将相对通道的一电极连接到该总线。
当要获得不同的加权通道时，需要获得两个不同的换能器的并联连接。如图7所示，对于有效电极，需要减少相对的总线的电势。这可以通过如图9所示的连接盘来实现，所述的连接盘相应于图7中表示电连接的电连接线。可准备一算法，以缩短连接同时避免任何可能的交叉。为达此目标，以上参照的的方法应予以修改。即，为连接一通道的电极至相对该通道的总线，可使用另一通道中连接到该总线的一电极，和一倾斜的小互连盘，如图9所示。
依照本发明的应用在移动电话中且中心频率为220.38MHZ的滤波器的实施例
这个滤波器在石英基底上制造，其中，给定工作阻抗，且换能器并联连接。
为制造此种滤波器，开始先确定两通道中各个通道的加权函数以获得优化的传输函数，由此赢得必需的特性，即传输函数在滤波器的通频带内同相，在抑制带内反相。特别的，优化方法可以是REMEZ算法，其可见于1992年的IEEE超声波专题论文集的第71-75页中，作者为P.文图拉(P.Ventura)，题目为“具有反射和换能特性同时优化的SPUDT滤波器的合成方法(Synthesis of SPUDT Filters withSimultaneous Reflection and Transduction Optimization)”的文章；1993年的IEEE超声波专题论文集的第5-8页中，作者为P.文图拉、M.索拉尔、P.迪菲里、S.谢马利(P.Ventura，M.Solal，P.Dufilie，S.Chamaly)，题目为“SPUDT滤波器的综合优化过程(AGlobal Optimization Procedure for SPUDT Filters)”的文章；1995年的IEEE超声波专题论文集的第39-50页中，作者为J.-M.奥德、J.德布瓦、P.迪菲里、M.索拉尔、P.文图拉(J.-M.Hode，J.Desbois，P.Dufilie，M.Solal，P.Ventura)，题目为“SPUDT型滤波器：设计原则和优化(SPUDT-Based Filters：DesignPrinciples And Optimization)″的文章；或者见于1997年的IEEE超声波专题论文集的第33-36页中，作者为J.费朗斯(J.Franz)等，题目为“SAW滤波器设计的混合优化技术(Hybrid OptimizationTechniques For Design Of SAW Filters)”的文章。
图10示出了优化后的滤波器中两个通道的加权函数，其相应于沿着全通道的传输和反射函数。
图11示出了在换能器T1U和T2U的源处的加权函数的离散化。同样的处理过程被用于反射及其它换能器。通过离散化所得到的值指示出应加到该电极上的电势，即该电极必须连接的总线。
图12示出了用于揭示上层通道的响应的一种方法。为此，在测量该滤波器之前，放置一声波高衰减FA于下层通道的声波路径上。对于另一通道，处理过程相同。
图13示出了分别分析出的，第一通道的和第二通道的传输函数的振幅。从中可以发现滤波器的合成传输函数与每一通道的传输函数相比，要更窄并且具有一更好的形状比率。
图14示出了传输函数的相位。
对此种现象的解释基于两个通道的传输函数的相位。在邻近中心频率的位置它们同相。在通频带内振幅互相叠加。
在抑制带内相位相反。振幅被减小，极大的提高了抑制能力和减少了整个滤波器的抑制带。
实际上所得到的具更宽带宽的每一通道的频率响应，使得滤波器的尺寸极大的减小，同时在整个特性上保留了窄的抑制带。
由此可以制造一种被集中到7×5mm2封装的小尺寸滤波器，而现有技术的滤波器需要13.3×6.5mm2尺寸的封装。

Claims (6)

1、一种表面声波滤波器，包括若干换能器，每个换能器具有一个表示所述换能器的反射中心和换能中心的分布状态的加权函数，所述滤波器具有通频带和抑制带，并且包含：
第一通道，其包含具有第一传输函数的至少一个第一输入换能器和一个第一输出换能器，所述第一通道具有第一合成加权函数：
第二通道，其包含具有第二传输函数的至少一个第二输入换能器和一个第二输出换能器，所述的第二通道具有第二合成加权函数：
其中，所述第一输入换能器和所述第二输入换能器彼此电连接；
其中，所述第一输出换能器和所述第二输出换能器彼此电连接；
其中，所述第一和第二通道的合成加权函数不相同，并且使得所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数在滤波器的通频带内同相，而在滤波器的抑制带内反相，以及
其中，所述第一和第二输入换能器和所述第一和第二输出换能器至少之一是串行联接。
2、如权利要求1所述的表面声波滤波器，其中，所述第一和第二输入换能器或者所述第一和第二输出换能器具有相同的加权函数。
3、如权利要求2所述的表面声波滤波器，其中，所述第一和第二通道具有相同的加权函数。
4、如权利要求1所述的表面声波滤波器，其中，所述第一和第二输入换能器和所述第一和第二输出换能器至少之一包含：连接到第一差动或非差动输入的外部总线的第一电极序列，连接到第二差动或非差动输入的外部总线的第二电极序列，连接到具有浮动电势的中心总线的第三电极序列，所述的第三电极序列将所述第一电极序列和所述第二电极序列隔开。
5、一种用于制造如权利要求1至4任何一个的滤波器的方法，包括：
通过叠加处理确定第一通道的换能器和第二通道的换能器的加权函数，以定义出所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数，它们在该滤波器的通频带内同相，在抑制带内反相；以及
将所述加权函数离散化，以得到构造第一和第二通道的换能器的电极掩模。
6、一种表面声波滤波器，包含若干换能器，每个换能器具有表示所述换能器的反射中心和换能中心的分布的加权函数，所述滤波器具有通频带和抑制带，并且包含：
第一通道，其包含：具有第一传输函数的至少一个第一输入换能器和一个第一输出换能器，所述第一通道具有第一合成加权函数；
第二通道，其包含具有第二传输函数的至少一个第二输入换能器和一个第二输出换能器，所述的第二通道具有第二合成加权函数；
其中，所述第一输入换能器和所述第二输入换能器彼此电连接：
其中，所述第一输出换能器和所述第二输出换能器彼此电连接；
其中，所述第一和第二通道的合成加权函数不相同，并且使得所述第一通道的传输函数和所述第二通道的传输函数在滤波器的通频带内同相，而在滤波器的抑制带内反相，以及
其中，所述第一和第二传输函数的中心频率相等。
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