（材料学专业论文）可调声表面波滤波器模拟与仿真.pdf

摘要 摘要 本论文以频率可调声表面波滤波器( t u n a b l es u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r , t s f ) 的应用价值为着眼点，对电可调、超导控制薄膜频率可调以及滤波器组可调等t s f 结构进行了分析研究。由于电可调方式工艺难度大、结构复杂，超导控制薄膜频 率可调方式缺乏实用性，滤波器组可调方式体积庞大等不足，本论文拟采用具有 结构简单、实用性强、体积小巧特点的多叉指换能器( i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r , i d t ) 输入t s f 结构进行分析。 多i d t 输入t s f 体系采用平面结构，i d t 垂直于声传播方向平行排列。通过 选取不同的i d t 组合作为输入、输出，实现了频率的调节与i d t 的高效复用，体 积较传统滤波器组t s f 大为减小，频率调节范围得到极大扩展。 为了实现对多i d t 输入t s f 的模拟与仿真，本论文从计算压电介质中的声平 面波波速入手，通过分析材料参数的变换矩阵，编制相应的坐标变换计算程序， 计算出了1 2 8 。y x 铌酸锂基片的材料参数，并求得了该切型中与声表面波同方向 的切变波速度，为仿真提供了重要的模拟参数。此外，对有效介电常数的求解方 法进行了讨论，采用文献中的近似公式计算出了模拟参数占( ) 的近似值。针对多 i d t 输入结构中存在闲置i d t 的情况，通过分析周期性栅阵中波的频散特性，近 似计算了闲置i d t 对频率响应的影响。在对多i d t 输入t s f 进行模拟的过程中， 通过对比各个因素对插入损耗、中心频率的影响，发现叉指电极对所起的影响至 关重要。仿真结果显示，多i d t 输入t s f 的频率对叉指电极对数目的改变非常敏 感，当输入、输出叉指电极宽度为5 u r n 和6 u m ，输入、输出叉指电极对数目取2 0 以内的不同组合时，中心频率可以从1 6 3 m h z 到2 0 5 m h z 连续调节。因此，本论 文提出采用多叉指电极对输入实现中心频率调节的设想，并总结了基本的设计规 律。多叉指电极对输入、输出t s f 结构可以避免多i d t 输入t s f 结构中闲置i d t 的出现，因而能够用现有的函数模型进行准确的理论计算，有望大大降低t s f 的 设计难度。 关键词：滤波器，声表面波，可调 a b s t r a c t a bs t r a c t b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nv a l u eo ff r e q u e n c yt u n a b l es u r f a c e - a c o u s t i c - w a v ef i l t e r ( t s f ) ，t h ec o n f i g u r a t i o no fe l e c t r i c a lt s f , s u r p e r c o n d u c tf i l mc o n t r o lt s fa n df i l t e r b a n k st s fw e r ea n a l y z e d c o m p a r i n gw i t hm u l t i i d ti n p u tt s f , w h i c hi ss i m p l ei n s t r u c t u r e ，p r a c t i c a li nd a i l ya p p l i c a t i o na n dl i t t l es i z e i nv o l u m n , e l e c t r i c a lt s fi s d i f f i c u l ti nt e c h n i c sa n dc o m p l e xi ns t r u c t u r e ，s u p e r c o n d u c tf i l mc o n t r o lt s fi sn o t p r a c t i c a li nd a i l ya p p l i c a t i o n ，a n df i l t e rb a n kt s f i sl a r g ei nv o l u m n i ti so b v i o u st h a t m u l t i i d ti n p u tt s fh a dg r e a tp o t e n c i a li np r a t i c a lu s i n g m u l t i - i d ti n p u tt s fi sp l a c e do nap l a n ei np a r a l l e lp l u m bt ot h ep r o p a g a t i o n d i r e c t i o no fs a w i nt h i sc o n f u g u r a t i o n ，i d t sa r eu s e de f f i c i e n t l l yt h r o u g hs e l e c t i n g d i f f e r e n ti d ta si n p u to ro u t p u tp o r t t h ev o l u m ni sr e d u c e dg r e a t l yt h a nt r a d i t i o n a l f i l t e rb a n kt s fa n dt h ef r e q u e n c ya d j u s t m e n ti sf l e x i b l e i no r d e rt om o d e la n ds i m u l a t em u l t i i d ti n p u tt s f , t h i sd i s s e r t a t i o nb e g a nw i t h t h ec a c u l a t i o no fa c o u s t i cw a v e sv e l o c i t yi np i e z o e l e c t r i c a lm a t e r i a l s a r e ra n a l y z i n g t h et r a n s m i s s i o nm a t r i c so fm a t e r i a lp a r a m e t e r s ，c o d i n gr e l e v a n tc o o d i n a t e st r a n s f o r m r o u t i n e ，m a t e r i a lc o n s t a n t so f12 8 。yr o t a t e dxp r o p a g a t i n gl i n b 0 3w e r ec a c u l a t e d ， a n dt h ev e l o c i t yo fb u l ks h e e rw a v ei nt h es a m ed i r e c t i o no f12 8 。yr o t a t e dx p r o p a g a t i n g s u r f a c ea c o u s t i cw a v e w a sa c h i e v e d ，w h i c hw o u l dp r o v i d eg r e a t c o n v e n i e n c et ot h es i m u l a t i o no fm u l t i - i d ti n p u tt s fi nl a t e rc h a r p t e r m e t h o do f s o l v i n ge f f e c t i v ep e r m i t t i v i t yw a sa l s od i s c u s s e d ，a p p r o x i m a t i o ne q u a t i o ns o l u t i o nc i t e d f r o ms o m el i t e r a t u r ew a sa d o p t e dt oc a c u l a t et h ea p p r o x i m a t i o no ft h es i m u l a t i n g p a r a m e t e rg ( ) c o n s i d e r e dt h a tt h e r ew e r ei d t sh a d n tb e e nu s e db e t w e e nt h ei n p u t a n do u t p u tp o r t ，f r e q u e n c yd i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c si np e r i o d i cm e t a lg r a t i n gw a s a n a l y z e da n dt h u s ，t h ei n f l u e n c eo fu n u s e di d t sh a db e e nc a c u l a t e da p p r o x i m a t e l y i n t h ep r o c e s so fs i m u l a t i n gm u l t i i d ti n p u tt s f , b yc o m p a r i n gw i t hd i f f e r e n tf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ei n s e r t i o nl o s s ( i l ) ，i n t e r d i g i t a le l e c t r a lp a i r sw e r ef o u n dp l a y i n gak e y r o l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ，f r e q u e n c yo fm u l t i i d ti n p u tt s fw a ss e n s i t i v e t ot h ec h a n g eo fe l e c t r i c a lp a i rn u m b e r s f o ri n s t a n c e ，e l e c t r i c a lp a i r s ，w h o s ew i d t h w e r e5 u r na n d6 u mr e s p e c t i v e l y , c o u l dh a v et h e i rf r e q u e n c yt u n a b l e df r o m16 3m h zt o i i 丝型竺!一 一一 2 0 3 m h zm i l l i o nh e r t zb ym i l l i o nh e r t z ，w h i l et h e i re l e c t r i c a lp a l r sn u m b 盱a v n a b l e 舶m1t o2 0r e s p e c t i v e l y t h i n k i n g o ft h ep r o p e r t i e sm e n t i o n e da b o v e ，t h l s d i s s e r t a t i o np r o v i d ea ni d e a t h a tc e n t r a lf r e q u e n c ym i g h tb ec h a n g e db yu s l n g m u l t i e l e 嘶c 巾a i r sc o n f i g u r a t i o n ， a n da l s os u mu paf e wb a s i cd e s l g n r u l e s m u l t i e l e c t r i c - p a i r si n p u t o u t p u ts t r u c t u r ec o u l d a v o i d t h es h o r t a g e so fu n u s e di d t sa si t w a si nm u l t i i d ti n p u tc o n f i g u r a t i o n ，h e n c e ，i tc o u l db ec a c u l a t e da c c u r a t e l yb y u s m g m o d e l sa th a n d ，s u c h 嬲d e l t af u n c t i o n m o d e l ，w h i c hw o u l dg r e a t l yr e d u c e t h e d i f f i c u l t i e si nd e s i g n i n g k e y w o r d s ：f i l t e r , s u r f a c e a c o u s t i cw a v e ，t u n a b l e i u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 醐：节j 月多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名： 嗍：如严刖扣 第一章引言 1 1 背景概述 第一章引言 声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) ，是沿物体表面传播的一种弹性波。早 在1 8 8 5 年，瑞禾i j ( l o r dr a y l e i g h ) 根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同 性固体表面上弹性波的特性，但很长一段时间内它并没有引起工程师们的兴趣。 直到1 9 6 5 年，这种情况才出现转变。怀特( r m w h i t e ) 和沃尔特默( f w v o l t m e r ) 在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声电换能器叉指换能器”的论文， 文章指出通过沉积在压电基片上的叉指换能器( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r , i d t ) 可以有 效地激励和检测声表面波，从而取得了声表面波技术的关键性突破。 声表面波技术就是这时候发展起来的一个学科技术领域，它是声学和电子学 相结合的一门交叉学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它 的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能， 能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时，由于声表面波器件在甚高频和超 高频波段内以十分简单的方式提供了用其他方法不易得到的信号处理功能，因此， 声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广一泛的应用。 二十世纪六十年代，半导体工艺和激光技术取得了蓬勃的发展，利用半导体 器件的光刻技术，能够大批量生产出质量很好的叉指换能器；正确设计的叉指换 能器使得横向滤波器的性能十分出色；再加上人造压电单晶的大量出现，为声表 面波技术的发展提供了必要的技术和物质基础。1 9 6 8 年美国斯坦福大学的研究小 组在铌酸锂基片上用叉指换能器取得了仅4 d b 的声学转换损耗，它使人们清楚地 看到了实际应用声表面波的可能性，大大促进了声表面波技术的研究工作。7 0 年 代中期，从电视中频滤波器开始，大量的各种滤波器和谐振器被开发并生产出来； 8 0 年代中期，迫于价格下跌等原因，许多公司退出竞争，成功的公司也纷纷削减 了研发开支，s a w 研究进入一个低谷；8 0 年代后期，移动通信市场的飞速发展再 次改变了s a w 器件的研究状况，膨胀的市场促进了研究工作的开展，并取得了富 有创新性的工作成果：s a w 器件成功应用于移动电话的天线双工器，批量生产的 s a w 器件频率已经能达到2 5 g h z 以上。我国声表面波技术的研究始于上世纪七 十年代，发展也十分迅速【1 | 。 电子科技大学硕+ 学位论文 声表面波是一种能量只集中在弹性体表面附近传播的波，它的优点主要有【2 】： 1 ) 体积小 声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，因此，与电磁器件相比，s a w 器件尺寸可以小5 个数量级以上； 2 ) 设计灵活 由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，于是在给定的瞬时， 可以对在输入输出端间的信号进行取样和变换，方便了电子器件的设计； 3 ) 重复性好 由于s a w 器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它的一致性和 重复性很好，易于大量生产； 4 ) 抗辐射 由于器件利用的是晶体表面弹性波而不涉及电子迁移，s a w 器件的抗辐射能 力强，动态范围大。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 声表面波滤波器研究进展 1 2 1 1 声表面波滤波器基本原理 声表面波滤波器基本结构如图1 1 所示，它由淀积在压电基片上的两个叉指换 台皂器( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ，i d t ) 组成。输入i d t 利用逆压电效应，将外加的电信 号转变为声信号，并经由压电基片表面传播；输出i d t 利用压电效应，将声信号 重新转化为电信号输出。在电声、声电转化过程中，只有波长五与i d t 周期p 成 倍数关系( p = ，l 矗，以为整数) 或波长在 附近的波才能被i d t 激发并检测出来， 其它频率的波将被极大地抑制，这就是声表面波滤波器滤波的基本原理。滤波器 中心频率由f o = k 厶决定，其中，k 是声表面波的速度，z 厶等于i d t 的周期p 。 输 图1 i 声表面波滤波器原理图 2 输出 第一章引言 1 2 1 2 声表面波滤波器的理论研究 声表面波滤波器( s u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r , s a w f ) 是声表面波技术的重要 应用领域之一。对s a w f 的研究历史悠久，出现了很多研究方法，主要有：6 函 数法，等效电路法，p 矩阵法、耦合模( c o u p l i n go f m o d e s ，c o m ) 法等。 6 函数法【3 】是模拟i d t ( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ) 的基本方法，它广泛应用于 器件设计中。6 函数模型是基于这样一种思想：把i d t 看做是周期性独立波源的 叠加，当外加电压加在第n 对叉指电极对上，而其它指对电压为零时，如果整个 系统是线性的，则第m 对指对上的感应电荷与加在第n 对指对上的电压成j 下比。 根据叠加定理、互易定理进行数学推导，即可得到表征i d t 特性的传输导纳。 s m i t h 等人提出的两种等效电路模型【4 。5 】，一种是根据作厚度振动的串联b a w 谐振器推导出来的共线场模型，另一种是根据作横向振动的串联b a w 谐振器推导 出来的交叉场模型，两种模型都以m a s o n 推导的b a w 谐振器等效电路为基础。 将单个叉指电极对等效电路模型的声学端串联、电学端并联即可对整个i d t 的特 性进行分析。交叉场模型理论结果与实验结果极其一致，因此交叉场模型的应用 比共线场模型要广泛得多。 p 矩阵法【6 】用一个3 3 的矩阵表征一个i d t 单元，把声学端入射波和反射波 的振幅，以及电学端的电压和电流( 峰峰值) 作为变量，代入矩阵中，用微扰法 计算出矩阵元的值，即可得到反射系数、透射系数、激励效率、输入导纳等参数 值。 耦合模法用一组线性微分方程表征i d t 的声学、电学关系。方程之间用互耦 系数联系，表示不同波之间的线性微扰。假设系统是无损耗的，则根据能量守恒、 互易定理及边界条件等，可以得出耦合模方程的解。 1 2 1 3 声表面波滤波器的发展概况 对声表面波滤波器的研究，主要集中在提高工作频率与降低插入损耗( i n s e r t i o n l o s s ，i l ) 等方面。 在频率提高上，主要采用：缩小叉指电极线宽、使用高声速材料等方法实现。 对于第一种方法，它降低了可靠性和功率容量，并受到光刻极限的制约，发展受 到限制；对于第二种方法，目前采用的铌酸锂、钽酸锂、石英等单晶基片，不仅 材料成本高而且声速也不快，频率上限受到限制，因此研究重点主要集中在研究 高声速多层复合薄膜材料上。已报道的高声速材料，如z n o d i a m o n d 、 s i 0 2 z n o d i a m o n d 、c - l i n b 0 3 d i a m o n d 、s i 0 2 c - l i n b 0 3 d i a m o n d 、l i n b 0 3 d i a m o n d 、 电子科技大学硕士学位论文 l i n b 0 3 金属d i a m o n d 等复合薄膜材料，材料声速都在1 0 0 0 0 m s 以上。 在降低插入损耗上，目前已研制成功很多成熟的低损横向滤波器结构： ( 1 ) 交错叉指换能器( i n t e r d i g i t a t e d - i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r , i i d t ) s a w f 。当 i i d t 与激励源和负载都满足阻抗匹配时，器件可以同时实现低插入损耗和低三次 渡越回波( t r i p l et r a n s i te c h o ，t t e ) 电平。同时，随着i d t 数目的增大，插入损耗将 继续降低。 ( 2 ) 镜像阻抗连接结构( i m a g e i m p e d a n c ec o n n e c t i o ns t r u c t u r e ) s a w f 。该结 构实际上是由两个i i d t 串连而成的，可以在不增加通带插入损耗的情况下实现高 的带外抑制。也就是说该结构继承了i i d t 的优点，同时又增加了新的优点。 ( 3 ) 谐振单相单向换能器( r s p u d t ) 滤波器。用单相单向换能器( s p u d t ) 构成横向滤波器，是在不增加插入损耗的情况下抑制t t e 的另一种方法，通过让 s p u d t 谐振，并通过改变s p u d t 结构的部分方向性来扩展或控制它的脉冲响应， 就可以得到低插损的频率响应。 ( 4 ) s p u d t 与反射器构成的低损耗横向滤波器。主要包括：外部耦合谐振器 型滤波器；z 形路径滤波器：多路径滤波器。 1 2 2 可调声表面波滤波器研究进展 可调声表面波滤波器( t u n a b l es u r f a c e a c o u s t i c w a v ef i l t e r , t s f ) 是声表面波 滤波器研究的一个重要方向，它以横向声表面波滤波器结构为基础，通过外部电 路控制以及自身结构的优化设计，实现中心频率与3 d b 带宽的调节。 可调声表面波滤波器主要有以下几种实现方法：电压可调、超导控制薄膜频 率可调和滤波器组可调。其各自的结构、原理、性能和特点总结如下： 1 2 2 1 电压可调声表面波滤波器 这类t s f 将声表面波延迟线、移相器和运算放大器组成一个闭合的反馈回路， 通过电压调节改变移相器的相位变化量，从而达到改变中心频率的目的。 美国伊利诺伊州m a g n a v o xs y s t e m s 公司的f r e d e r i c k yc h o 等人制作的可调高 q 值声表面波梳状滤波器( t u n a b l eh i g h qs u r f a c e w a v ec o m bf i l t e r ) 结构【7 1 ，利 用宽带声表面波延迟线的延迟时间可选、大的动态范围以及极好的线性相位特性 等优点，将声表面波延迟线与电可调移相器组成了闭合反馈回路，实现了频率调 节的目的，q 值变化范围在5 0 0 到5 0 0 0 0 之间。 法国科学家j e a n n i n eh e n a f f 等用类似的原理【8 】制作出了电可调窄带声表面波 4 第一章引言 滤波器( e l e c t r i c a l l y t u n a b l e n m t o w b a n d w i d t hs a w f i l t e r ) h 。 芬兰赫尔辛基大学ve r m o l o v 等人研制的可调声表面波梳状滤波器( t u n a b l e s a wc o m bf i l t c x ) t 】，其基本结构也是声表面波延迟线加运算放大器和移相器，不 同之处在于，它的基片采用成分为n i c o f e q 的铁酸盐，叉指换能器电极用的是 淀积而成的z n o 薄膜，在换能器之间的基片上缠绕着通电线圈。铁酸盐基片上的 声表面波速度与基片上的磁场强度有关。通过改变通电线圈的端电压可以改变基 片上的磁场强度，进而改变基片上声表面波的传播速度，最终达到调节中心频率 的目的。实验表明，当通电线圈的电压从0 到35 v 变化时，频率的变化量是 4 5 0 k h z 。 1 222 超导控制嚣噍顿率可调声表面波滤波器 这类t s f 利用了传输介质的超导特性柬实现l | 心频率和通频带的调节】如 图1 - 2 所示。在声表面波的传播路径上淀积一层超导控制薄膜，在超导温度下，信 号频率可以完全通过超导薄膜；用激光或者电流对超导薄膜局部进行加热升温， 当薄膜局部温度超过临界温度时，该区域将失去超导特性，薄膜阻抗增大，对经 过该区域的声表面波产生极大的衰减。在7 0 0 m h z 的情况下，衰减值可以达到 3 0 d b e m 。通过改变薄膜的超导状态，可以控制特定频率信号的选通与否，进而达 到中心频率与带宽调节的目的。 俾攀竺i l 司 图i - 2 超导频率可调s a w f 示意图图l - 3 多i d t 输入t s f 示意酣 12 23 滤波器组可调声表面波滤波器 这类t s f 运用可编程的电路控制滤波器组的选通组舍达到中心频率与3 d b 带宽调节的目的示意图如图l - 4 所示。 美国空军罗姆研制中心科学家a n d r e wj s i o b o d n i k 等人率先制作了超高频可 变换滤波器组( s w i t c h a b l es a wf i l t e rb a n k sa tu h f ) 1 1 2 1 它有两个连续可调的频 段，低频段频率为3 2 1 3 4 5 m h z ，每个信道带宽3 m h z ，信道插入损耗为1 98 d b ； 电子科技大学硕士学位论文 高频段频率为3 6 0 4 6 8 m h z ，每个信道带宽1 2 m h z ，信道插入损耗为2 5 8 d b 。 图l _ 4 传统滤波器组t s f 示意图图1 5 立体结构t s f 示意图 为了充分利用频带资源，减少信道间的频带浪费，挪威科学家a n d r e a s s e n 等 人在石英晶体上制作出了带宽可调的声表面波滤波器组( b a n d w i d t hs w i t c h a b l e s a wf i l t e r s ，b s s f , o nq u a r t z ) 1 3 】。美国陆军通信与电子指挥研究中心的科学家r p a s t o r e 1 4 】等人针对高频前置滤波应用提出了一种改进型可调滤波器拓扑逻辑【i 引。 俄罗斯科学家s e r g e ia d o b e r s t e i n 等人制作出了立体结构的宽范围可调低损 s w a f ( aw i d e r a n g et u n a b l e s w i t c h a b l el o w l o s ss a wf i l t e r ) 【怕】，该滤波器包 含2 4 个信道，每个信道各包含一个独立封装的三叉指u 型单向滤波器，其结构如 图1 5 所示。滤波器的可调节相对带宽达到9 0 以上，频率范围为6 8 4 1 8 2 m h z ， 通带纹波l d b ，插入损耗在3 d b 左右，阻带抑制大约为4 0 d b ，尺寸为5 5 1 5 m m 。 美籍华裔科学家朱家化【1 7 】等人制作出了多叉指换能器输入可调声表面波滤波 器( am u l t i i d ti n p u tt u n a b l es u r f a c ea c o u s t i cw a v ef i l t e r ) 1 8 - 1 9 j ，该滤波器由1 1 个叉指换能器组成，所有的换能器均在声表面波的传输路径上平行排列，如图1 3 所示。声表面波滤波器的中心频率由i d t 的周期p 决定，不同周期的i d t 可以得 到不同的中心频率。通过选择或者组合周期不同的i d t 作为输入、输出，便可实 现中心频率和3 d b 带宽的调节，这就是该结构声表面波滤波器的调节原理。该原 型t s f 结构的通频带范围为1 2 6 8 1 9 9 1 m h z ，3 d b 带宽为1 5 2 5 8 9 m h z ，在阻抗 匹配后，通带纹波从6 4 4 d b 降到了1 3 7 d b 。该结构滤波器的i d t 指条宽度不等， 声孔径相同；与之对应的另一结构是i d t 指条宽度相等，而声孔径不刚2 0 j ，后一 种结构可以得到较窄的通带宽度。与传统滤波器组t s f 相比，该结构t s f 的体积 小巧、可调性高，在有限的i d t 数目下能够实现宽范围的频率调节。 中国科学院声学所何世堂研究员等人分别在4 l 。、6 4 。和1 2 8 。y - xl i n b 0 3 6 第一章引言 基片上制作了一系列低损耗、高带外抑制可调声表面波滤波器组【2 1 2 3 1 ，滤波器组 的插入损耗最低可低于3 d b ，带外抑制最高可高于5 0 d b ，中心频率范围在 4 0 5 0 0 m h z 。该系列滤波器组有8 、1 6 、3 2 信道三种，体积在1 5 0 c r n 3 左右，是近 年来关于t s f 研究的最新成果。 1 3 本论文的研究目的和内容 1 3 1 本论文的研究目的 t s f 中心频率与3 d b 带宽可调，它的使用可以有效地减少通信终端中s a w f 的使用数量、提高系统稳定性并能降低成本。传统的t s f ，结构复杂( 如电可调 和超导控制薄膜频率可调s a 、v f ) ，体积较庞大( 如传统的滤波器组可调s a 、胛) 。 美籍华裔科学家朱家华提出的多i d t 输入t s f 原型，采用横向排列结构，通过输 入输出i d t 的不同组合，实现频率调节的目的，大大提高了i d t 的使用效率，结 构比传统滤波器组精简，在功能相同的情况下，体积大为减小。由于该结构t s f 尚处在原型阶段，多i d t 输入结构中新增i d t 所带来的问题，如反射增强、插入 损耗增大、实际中心频率偏离理论值等，还未得到充分地研究与解决，给实用设 计带来了困难。本论文通过理论计算，系统分析多i d t 输入t s f 结构下的叉指电 极对数、i d t 间距及输入、输出间闲置i d t 对t s f 性能的影响，力图为多i d t 输 入t s f 结构的实用化设计提供参考依据。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文共分如下五章： 第一章引言，简要地介绍了本论文的研究背景及目的； 第二章可调声表面波滤波器模拟参数计算； 第三章可调声表面波滤波器中s a w 的频散特性： 第四章可调声表面波滤波器仿真研究 第五章全文总结与展望。 7 电子科技人学硕士学位论文 第二章可调声表面波滤波器模拟参数计算 多i d t 输入t s f 结构中闲置i d t 的存在，增；b n - ；反射及插损等方面的复杂性， 对以上这些方面影响的研究目前尚处于空白。为了完成实用化设计，必须就多i d t 结构对滤波器性能所造成的影响进行深入研究。本章将从计算可调声表面波滤波 器各项模拟参数入手，为之后的器件仿真研究做准备。 2 1 模拟参数的确定 2 1 1 仿真模型的选取 由于多i d t 输入可调声表面波滤波器各个i d t 的声孔径相等，并且未经加权， 因此，使用6 函数模型【1 ，3 1 即可得到较准确的仿真效果。考虑到输入、输出i d t 间 存在使用或者未使用的i d t ，必须对这些i d t 采用类似开路栅或短路栅的处理方 法来修正6 函数模型，进而完成对可调声表面波滤波器的仿真研究。 在6 函数模型中，i d t 被看做是周期性叠加的独立波源，其原理如图2 1 所示。 擘 卜 卜一p 卜一l 。一 1 ：j 1 1 ，：。一x 图2 1 单义指电极对输出i d t i d t 中的每一对叉指电极( 包含一根正电极与一个负电极，并且交叉排列) 被视为 独立的波源，当外加的电压以只加在第n 对叉指电极对上，其它指对上电压为零 时，如果系统是线性的，则第m 对叉指电极对上的感应电荷总量g 。与电压丸成正 比，记为五，。丸，k 。是一个比例因子。当所有的叉指电极对上同时加上电压丸时， 根据叠加原理，的表达式为： g 。= k 。九 ( 2 - 1 ) 第二章可调声表面波滤波器模拟参数计算 假设k 。只与第m 和第n 对叉指电极对之间的距离有关，则k 。可以表示为： 丸。= 一j h oe x p ( - j f l l , , , , , ) ( 2 2 ) 式中是s a w 的波数，7 l n 是个常量。 单位表面电场感应的s a w 的电量w h ( x 1 ) 等于2 r l c , k 2 ，r l 是单元因子【2 4 。，代 表s a w 实际激励效率与最大激励效率的比值。i d t 上电荷的分布降低了s a w 的 激励和检测效率，由互易定理，这个比值也等于单元因子，所以h o = 2 r c 。k 2 。 当j i , d 1 1 电压k 加在n 对输入i d t 上，激励的s a w 由一对输出i d t 检测时， 如果两个i d t 都是短路栅，则流入输出i d t 的电流厶为： 厶ki 吒：。= e x p 一_ ，( + ，觋) ) = 缈e x p ( 一f l l ) e e x x p p ( l - 一j ，f l p n p p ，i j ) 一- l i 。= ( 2 3 ) 缈7 1 0e x p 一， + ( 一) 研2 搿 其中，k = l + n p ，。s ：r , i 吒：o 称为传输导纳，用来描述i d t 的特性。i d t 的频率 响应是s i n 蹦( = s i n x x ) 的函数，因为 s i n 觇2 v s i n 所2 焉z 搿，警s i nc ( 肺，r n v 8 亿4 ， ( 一1 ) m 1 ) 、。 将单叉指电极对输出扩展到多叉指电极对输出，如图2 2 所示。 图2 2 多叉指电极对输入输出i d t 当输入和输出i d t 指对数分别为n l 和n 2 时，令k = l + ( m - n ) p i ，则s a w 传播时i d t 的传输导纳x ；为： 9 电子科技大学硕士学位论文 i i 肌一l = 缈e x p _ j p ( l + m - n ) p ，) ) = m = on = o a ) h oe x p ( - j f l l ) e x p ( - j f l m p ，) e x p ( - j f l n p ，) = ( 2 - 5 ) 蛳卅川篙糟篙糟 同理可得，i d t 的输入导纳k l = 4 i v , i ：o 为： n i 一1 l l = 归。 令厶。= m - n i p ，则声表面波的作用即辐射导纳x i 为： ( 2 6 ) 培= 缈h ol e x p - j 7 ( l + m - ，z i p ，) ) l = 缈i 2 ( n - n ) e x p ( - j f l n p ，) + l = 国l2 e x p ( - j f l n p ，) i e x p ( j f l l p ，) + l = ( 2 7 ) 国q 塑丝躺蒜产型+ = 缈j i z d 塑唑笼端幽 静电耦合作用可以用i d t 的静电容来表示，因此i d t 的输入导纳x 。为： x i j o ) c ，n + y , i 根据式( 2 - 5 ) 和( 2 - 7 ) ，传输导纳x ；与输入、输出导纳培的关系为： 2 1 2 模拟参数的确定 = 厢硼e x p ( 一j i l l ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 由式( 2 - 5 ) 可知，传输导纳x ；所涉及的参数主要有：常量，s a w 波数，i d t 1 0 第二章可调卢表面波滤波器模拟参数计算 间距，输入、输出i d t 周期p 。、见，叉指电极对数i 、2 ，以及频率变量彩。 在以上的参数中，= 2 z g ，代表了传播单位距离时，声波相位的改变量； 其中五为s a w 的波长，名= 厂； ，为特定介质中声表面波或者声体波的速度，不 同介质中的，一般不同，压电介质中的1 ，是传播方向的函数，可以通过理论计算或 者实验得到具体的1 ，值2 5 。2 8 1 ；c o = 2 z f ，为s a w 的角频率；j j i ；d = 2 刁e k 2 ，为表征 感应电荷与外加电压吮的比例因子常量。 1 , o 的表达式中，刁为单元因子，它等于实际激励效率与最大激励效率的比值。 单电极i d t 的单元因子为： 刀= 渊 弘 双电极i d t 的单元因子为： 叩=(一)7面pi-,磊2co碉s(4xwp,) ( 2 - 1 1 ) 其中，= i n t ( m + 1 ) 4 。因为i d t 是几何对称结构的，所以当m 为偶数时，r = o 。 j i l d 的表达式中，e 为i d t 一个周期的静电容，单电极i d t 的静电容为： e 珊c o o ，群卷端 仁 双电极i d t 的静电容为： e = 厄( o 。) 碥p - l 4 ； c o s ( 而4 z w 丽p , ) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 2 ) 和式( 2 - 1 3 ) q a ，缈代表i d t 的声孔径宽度；w 代表指条宽度；p a x ) 是勒让 德函数2 9 1 ；s ( s ) 是有效介电常数【3 0 3 1 1 ，其中，s 代表慢波波数，它是速度的倒数， s = 1 k ，占( ) 代表s 趋于无穷时，s ( s ) 的值。在低频近似下，g ( ) 可以表示为： g ( ) = + 擂丽( 2 1 4 ) s r 是在应力为零时测得的介电常数，它不等于应变为零时测得的介电常数s s 。 的表达式中，k 2 为机电耦合系数，它可以由下面的公式近似得到： 电子科技大学硕士学位论文 如下v 歹- v ：2 半兰2 坐v ( 2 - 1 5 ) y ；y f 、 。 这个k 值已足够精确3 2 彤1 。这里的巧、圪分别代表自由表面和金属表面的s a w 速度。吩可以通过求解压电各向异性介质中的波动方程求得，也可以通过求解有 效介电常数s ( s ) 零值点的s 值求得，圪可以通过求解有效介电常数s ( s ) 极值点的 s 值得到。 2 2 模拟参数计算 声表面波的传播速度与材料的种类及传播时的方向有关，声表面波滤波器常 用基片大多为压电各向异性材料，材料的各个方向压电性能一般不同。为了求解 声表面波速度，必须首先求解声表面波传播方向上的材料常数。 2 2 1 材料常数计算 压电各向异性晶体主要的材料常数有：介电常数g 、压电应力常数e 、压电应 变常数d 、弹性刚度常数c 、弹性柔顺常数s 等。文献中的材料常数值都是针对正 常晶体坐标系给出的，而实际使用的晶片，往往经过了旋转切割，其坐标选取与 正常的晶体坐标系不同。因此，在使用材料常数时，必须先对其进行坐标变换【3 4 1 ， 计算出新坐标系下的材料常数值后，方可将其用于具体的计算中。 2 2 1 1 晶体的旋转切割 实际使用的晶片，都有一定的切型。所谓的切型，是指晶体坐标中，对某种 方位的切割。不同切型的晶片，其物理性质( 如压电性质、弹性性质等) 也不相 同，所以要用一定的符号来标明它的切割方位。i r e 标准规定的切型符号包括一组 字母( x ，y ，z ，t ，w ) 和角度。用x 、y 、z 中任意两个字母的先后排列来表示晶片厚 度和长度的原始方向；用字母t ( 厚度) 、，( 长度) 、w ( 宽度) 来表示旋转轴的 位置。从旋转轴j 下方向朝原点看去，逆时针旋转的角度为正，顺时针旋转的角度 为负。例如，( y x 0 3 5 。切型，它表示晶片原始厚度方平行于y 轴，长度方向平行于 x 轴，然后绕x 轴逆时针旋转3 5 。，如图2 3 所示。又如f x y t l ) 5 。一5 0 。切型，它表 示晶片原始厚度平行于x 轴，长度平行于y 轴，