CN1357970A - 声表面波滤波器 - Google Patents

Abstract

一种声表面波滤波器,通过发现实现其宽带和低损耗的叉指型换能器和反射器电极的电极宽度的最佳值,从而使其不包含由阻抗失配所引起的任何损耗。声表面波滤波器包括叉指型换能器以及位于该换能器两侧的反射器。压电基片所具有的电极厚度h与声表面波的波长λ的比值h/λ位于0.05≤h/λ≤0.15的范围内,且压电基片具有的反射器电极宽度wr与电极间距pr的电极宽度比wr/pr位于0.5≤wr/pr≤0.6的范围内,且压电基片具有的叉指型换能器的叉指电极宽度wi与间距pi的电极宽度比wi/pi位于0.6≤wi/pi≤0.9的范围内。

Description

声表面波滤波器

                    发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及声表面波滤波器，特别是，涉及具有加宽了带宽以及较低的插入损耗的声表面波滤波器，它在应用于无线电设备的高频电路时很有优势。

2.相关技术的说明

无线电装置的高频电路一般都使用滤波器。对于作为滤波器中所不可缺少的关键器件的SAW(声表面波)器件，需要其具有宽带滤波器的性能。

由这种SAW(声表面波)器件构成的一个声表面波滤波器包括一个压电基片，在该基片上，形成有叉指型换能器(IDT)，该叉指型换能器具有叉指电极和具有栅电极的反射器。众所周知，是通过增加电极的厚度来实现声表面波滤波器的宽带的。但是，增大的电极厚度可能会损害作为滤波器的一个关键特性的插入损耗。

如此，到目前位置，电极厚度被增大以便能实现宽带，而不管插入损耗的恶化，也不管阻抗失配而产生的附加通带。

因此一个本质问题是，实现声表面波滤波器的宽带以及低插入损耗。

                    发明概述

以上述问题的观点来看，本发明的一个目的是基于这样一种假设而实现的，所使用的电极厚度能加宽带宽，而且具有对压电基片的最佳的切割方向。

本发明的另一个目的是提供一种声表面波滤波器，它不包含由阻抗失配而产生的任何损耗，这是通过为叉指型换能器的电极以及反射器电极的宽度选择一个最佳值，从而实现宽带以及低损耗而实现的。

依据本发明的一个方面，为实现上述目的，提供了一种声表面波滤波器，它在压电基片上形成有叉指电极，这种声表面波滤波器包括一个叉指型换能器，在该换能器两侧安装有叉指电极和反射器，其中，厚度h与声表面波波长λ的比值h/λ位于0.05≤h/λ≤0.15的范围内，其中，压电基片具有反射器电极宽度wr与反射器电极间距pr的一个电极宽度比wr/pr，该比值位于0.5≤wr/pr≤0.6的范围内，其中压电基片具有叉指型换能器的电极宽度wi与叉指型换能器的电极间距pi的一个电极宽度比wi/pi，该比值位于0.6≤wi/pi≤0.9的范围内。

最好是，为实现上述目的，当换能器的叉指电极的电极宽度wi与电极间距pi的比值wi/pi位于0.62≤wi/pi≤0.9的范围内时，叉指电极的电极宽度wi与反射器的电极宽度wr之间的关系被给定为wi＞wr，叉指电极的电极间距pi与反射器的电极间距pr之间的关系被给定为pi＜pr。

最好是，为实现上述目的，当叉指电极的相邻电极指的中心与反射器电极之间的距离被给定为(1/2+HD1)×λi时，其中λi为叉指电极内的波长，系数HD1被定义在0＞HD1≥-0.04的范围内。

最好是，为实现上述目的，通过在Z轴方向上，将Y轴围绕X轴旋转40°到44°，而得到LiTaO₃的旋转的Y片，从而形成压电基片，换能器的叉指电极以及反射器的电极都是由一种电极材料构成的，该材料主要是Al。

                  附图的简要说明

通过以下参照附图所作的详细的说明，可以使本发明的上述的以及其它的目的、方面、特征以及优点将变得明显，其中：

图1是一张图，它通过本发明所采用的例子，显示了多路复用模式的声表面波滤波器的电极结构；

图2图示了与电极宽度比wr/pr相关的反射系数的电极厚度的相关性，该电极宽度比是反射器4和5的电极宽度wr与电极间距pr的比值；

图3图示了比带宽相对于反射器电极宽度比wr/pr的变化；

图4图示了依据电极宽度比wi/pi而对最小插入损耗以及特定带宽进行测量的结果，其中电极宽度比wi/pi是叉指型换能器的电极宽度wi与电极间距pi的比值；

图5图示了与电极宽度比wr/pr以及wi/pi的变化相对应的声表面波的具体速度；

图6是一个史密斯圆图，它显示了依赖于叉指电极的宽度比wi/pi的幅度的阻抗变化；

图7是一个史密斯圆图，用于说明依据叉指电极的孔径长度AP，而图6的阻抗变化进行校正；

图8图示了系数HD1与通带波动之间的关系；

图9图示了依据本发明来设定条件，从而获得的声表面波的特性，与由传统滤波器所得到的那些特性的比较结果；

图10是一张频率特性图，它显示了在本发明的一个实施例中，反射器电极宽度比wr/pr的改变所带来的插入损耗的变化；

图11是一张频率特性图，它显示了在本发明的一个实施例中，叉指型换能器的电极宽度比wi/pi的改变所带来的插入损耗的变化；

图12是一张频率特性图，它显示了系数HD1的改变所引起的插入损耗的变化；以及

图13是一张史密斯圆图，它显示了系数HD1的改变所引起的阻抗变化。

                  最佳实施例的说明

现在，将参照附图对本发明进行说明，这些附图以非限制方式解释了当前的最佳实施例。应当注意，图示的实施例仅仅是用于理解本发明的目的，本发明的应用并不受这些实施例的限制。

图1图示了多路复用模式的声表面波滤波器的电极结构，作为本发明所采用的一个例子。所示结构包括表现为由压电基片上的薄膜电极所构成的三个叉指电极形式的叉指型换能器(IDT)1、2和3，以及位于该换能器外侧的两个栅状反射器4和5(以下简称为反射器)。

叉指型换能器1、2和3中的每一个都具有若干叉指电极，反射器4和5中的每一个都具有若干以预定间隔平行排列的电极。

这里，为了获得具有良好通带特性的声表面波滤波器，建议本发明LiTaO₃基片作为压电基片，这种压电基片是由42° YX(在Z轴方向上，将Y轴围绕X轴旋转42°)形成的，且本发明还建议将比值h/λ设定在0.05≤h/λ≤0.15的范围内，其中h是电极厚度，λ是声表面波的波长，对于叉指型换能器来说，它是由压电基片上的薄膜电极构成的，对于反射器来说，它位于该换能器的两侧。

这样，假定使用了这样的设定，则由本发明可以直接获得这样一种声表面波滤波器，即它能发现可以确保宽带和低损耗的叉指型换能器和反射器的电极宽度的最佳值，且不会有由阻抗失配而引起的任何损耗。

如果多路复用模式的声表面波滤波器的使用模式是这样的，例如是将叉指型换能器1和3用于输入，叉指型换能器1和3中每一个叉指型换能器的一个电极都与一个输入端相连，而相对的叉指电极接地。叉指型换能器2的用于输出的一个电极与一个输出端相连，而相对的叉指电极接地。

由叉指型换能器1、2和3所激励的若干声表面波被限制在反射器4和5之间，作为叉指型换能器1、2和3之间相互耦合的结果，着重激励一些谐振模式，这样，谐振模式的终止显示出作为多路复用模式的声表面波滤波器的功能。

声表面波滤波器的频率带宽特性是由反射器4和5所限定的任意的带宽特性以及叉指型换能器1、2和3的通带特性的交迭来确定的。

在图1中，λi表示叉指型换能器1、2和3的声表面波的波长，wi表示叉指型换能器1、2和3的电极宽度，pi表示叉指型换能器的电极间距。

同样，wr表示反射器4和5的电极宽度，pr表示反射器的电极间距。

图2图示了反射系数相对于反射器4和5的电极宽度wr与电极间距pr的电极宽度比wr/pr的关系对电极厚度的依赖程度。在图2中，曲线I表示对于电极厚度为h的h/λi＝4.9％的反射系数特性，曲线II表示对于h/λi＝8.5％的反射系数特性。横坐标轴表示电极宽度比wr/pr，纵坐标轴表示反射系数值。

从上述图中，可以了解，较大的电极厚度产生了较大的反射器4和5的反射系数的峰值(最大值)。还可以进一步看到，提供了峰值的反射器4和5的电极宽度也向较大值一方移动。这可以使带宽加宽。

图3图示了用于反射器4和5的电极宽度wr与电极间距pr的电极宽度比wr/pr的比(specific)带宽。从图3中，我们可以看到，为了获取滤波器所需的比带宽4.47％或更多，反射器4、5的电极宽度比wr/pr仅仅被设定在0.5到0.6的范围内。应当理解，从0.5到0.6的这一电极宽度比wr/pr的范围是这样一个区间，它同样提供了如图2中的反射器4和5那样的较大的反射系数。

图4图示了当反射器4和5的电极宽度比wr/pr被设定在0.5到0.6(wr/pr＝0.55和0.6)的范围内时，所测量的最小插入损耗特性以及比带宽的结果，电极宽度比wr/pr依赖于叉指型换能器1、2和3的电极宽度wi和内部电极间距pi的电极宽度比wi/pi。

从图4中，可以看到，有可能通过增大叉指型换能器1、2和3的电极宽度wi，从而减小损耗。

这样，通过将电极宽度比wi/pi设定到值0.6或更大，就可以将作为滤波器所不可缺少的参数的最小损耗(Min.损耗)抑制到与3.7％或更低的百分比相对应的2dB。那时，滤波器的比带宽基本上是恒定的。最好是，0.62或更高的电极宽度比产生与大约36％或更低的百分比相对应的1.97dB或更低的最小损耗(Min.损耗)，同时，滤波器的比带宽基本上是恒定的。

这里，当电极宽度比wr/pr以及wi/pi被设定在上述范围内时，声表面波的速度随电极宽度比wr/pr以及wi/pi的变化而变化，如图5所示。

因此，为了将叉指型换能器及其反射器的中心频率设定到一个合适频率，当电极宽度的关系被设定为wi＞wr时，需要将周期的关系设定为pi＜pr。在图5中，等于0.9的电极宽度比wr/pr以及wi/pi显示了电极制造的极限值。

在以上述方式对叉指型换能器1、2和3进行设定的情况下，叉指型换能器1、2和3的叉指电极的宽度有可能促成阻抗失配。图6是用于说明这一点的图。

图6是一张史密斯圆图，其中随着电极宽度比wi/pi不断增大，阻抗按箭头所示的方向漂移，结果导致失配。因而需要对其进行校正。

通过改变图1的叉指电极的交迭宽度AP，有可能如图7所示，以与图6中箭头所示的方向相反的方向，实现阻抗补偿。但是，如图7所示，由于在图7所示的阻抗频率内所增大的偏移，所以，很难对具有加宽带宽的滤波器进行完全补偿。

这样，发明人发现，当相邻的叉指型换能器1、3以及反射器4、5的最接近的叉指指以及反射器电极指的中心线之间的距离被给定为：

(1/2+HD1)×λi时，有可能通过改变用于适当补偿的系数HD1而得到阻抗匹配，这里，HD1是一个系数。

这意味着，将系数HD1设定为一个任意值的作法使得可以实现宽带以及低损耗。

图8图示了HD1和通带波动之间的关系。在这里所使用的通带内波动意味着通带内的最小损耗与由抖动而引起的最大损耗之间的差异值。

在高频(HF)滤波器的情况下，由于滤波器的输出频率偏移变大而使通带内抖动具有较大的值是不理想的，这会引起所跟随的放大器内的校正量较大。

在中频(IF)滤波器的情况下，通过通带的调制信号的频偏变大，结果，解调信号趋于不理想，出现了较大的失真。

返回用于说明的图8，与HD1＝0时的波动相比，在0＞HD1≥-0.04的范围内，波动减小。

图9图示了通过依据上述的本发明而设定条件所得到的声表面波的特性，与由传统滤波器所得到的声表面波的特性的比较结果。图9显示了可以在比带宽内实现大约12％的带宽加宽，同时，具有0.9dB级别的低插入损耗。[实施例1]

图10图示了本发明的一个实施例的性能。图10描绘了当反射器的电极宽度比wr/pr变化为0.4、0.55和0.7，而固定厚度h/λ＝8.5％，固定叉指电极宽度比wi/pi＝0.6时，所获得的性能的变化。从这张图中，我们可以看到，通过修改电极宽度比wr/pr，就可以改变滤波器的相对的2.6dB的比带宽。

参见用于确认的图3，通过修改反射器的电极宽度比wr/pr，可以使滤波器的相对的2.6dB的比带宽与0.5≤wr/pr≤0.6范围内的系统所必需的4.47％相等或超过它。[实施例2]

图11显示了当叉指电极的电极宽度比wi/pi变化为0.4、0.6和0.7，同时具有固定厚度h/λ＝8.5％，固定反射器的电极宽度比wr/pr＝0.6时，所获得的性能的变化。从这张图中，我们可以看到，通过改变叉指电极的宽度比wi/pi，可以改变滤波器损耗。

参见用于确认的图4，通过修改叉指电极的电极宽度比wi/pi，可以在0.62≤wi/pi的范围内，使滤波器的最小插入损耗低于与36％或更低的百分比相应的2dB。

叉指电极的宽度比wi/pi的上限为wi/pi≤0.9，它是制造的极限。[实施例3]

图12和13显示了当与反射器4、5最接近的叉指电极的中心线与与该叉指电极最接近的反射器电极的中心线之间的距离被给定为(1/2+HD1)×λi时，其中h/λi＝8.5％，叉指电极宽度比wi/pi＝0.7，反射器电极宽度比wr/pr＝0.55，且电极的交迭宽度AP＝55λ时，通过将系数HD1从0改变到-0.04，所获得的性能的变化。

从图12中，可以看出，通过修改系数HD1，可以改变滤波器的绝对2.5dB的比带宽。参见用于确认的图8，与HD1＝0的情况相比，在0＞HD1≥-0.04的范围内，滤波器的内部通带波动变小，结果可用带宽变宽。[实施例4]

在图9中，对于h/λ＝8.3％，滤波器A表示当叉指电极宽度比wi/pi＝0.4，反射器电极宽度比wr/pr＝0.45，电极的孔径长度AP＝75λ以及HD1＝0时的滤波器通带特性，同时，滤波器B表示当叉指电极宽度比wi/pi＝0.7，反射器电极宽度比wr/pr＝0.55，电极的孔径长度AP＝55λ且HD1＝-0.03时的滤波器通带特性。

作为两个滤波器的比较结果，在绝对的4.5dB的比带宽内，使带宽加宽了大约12％，同时还将插入损耗降低了大约0.9dB。[压电基片]

在上述实施例中所使用的压电基片是通过将LiTaO₃单晶体的朝向Z轴的Y轴围绕X轴旋转40°到44°而形成的。在本发明的应用中，这种声表面波压电基片的材料并不仅限于LiTaO₃，还可以采用其它具有高耦合系数的基片来达到相似的效果。

依据本发明的实施例，正如参照附图所作的上述说明那样，可以得到低损耗和宽带的声表面波滤波器。所提供的声表面波滤波器被假定为不包含由阻抗失配引起的任何损耗。

尽管本文已经详细描述了所说明的以及出现的本发明的最佳实施例，但应当理解，可以采用其它变化来实现本发明的概念，试图将附加的权利要求解释为包含除已有技术所限定的范围外的上述这类改变。

Claims (4)

1.具有形成于压电基片之上的叉指电极的声表面波滤波器，所述声表面波滤波器包括：

具有叉指电极的一个叉指型换能器；以及

位于所述换能器外侧的反射器，

其中

叉指电极的厚度h与波长λ的比值h/λ位于0.05≤h/λ≤0.15的范围内，

反射器电极宽度wr与电极间距pr的比值wr/pr位于0.5≤wr/pr≤0.6的范围内；以及

叉指电极宽度wi与间距pi的比值wi/pi位于0.6≤wi/pi≤0.9的范围内。

2.依据权利要求1的声表面波滤波器，其中

当所述叉指型换能器的叉指电极的电极宽度wi与间距pi的所述电极宽度比wi/pi位于0.62≤wi/pi≤0.9的范围内时，所述叉指电极的电极宽度wi和所述反射器的电极宽度wr之间的关系被给定为wi＞wr，所述叉指电极的电极间距pi与所述反射器的电极间距pr之间的关系被给定为pi＜pr。

3.依据权利要求1的声表面波滤波器，其中

当所述叉指电极的相邻电极中心线和所述反射器电极的相邻电极的中心线被给定为

(1/2+HD1)×λi，其中λi，为所述叉指电极内的一个波长时，所述系数HD1被定义在以下范围内

0＞HD1≥-0.04。

4.依据权利要求的声表面波滤波器，其中

所述压电基片是由LiTaO₃的旋转Y片形成的，它是通过在Z轴方向上，将Y轴围绕X轴旋转40°到44°切割而得到的，所述叉指电极和反射器电极是由主要由Al构成的电极材料形成的。

Images