CN1360395A - 表面声波滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种表面声波滤波器,在该表面声波滤波器内,纵向连接的双模式共振器滤波器与共振器串联连接,纵向连接的双模式共振器滤波器是将多个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器沿着表面声波的传播方向彼此相邻排列构成的而共振器具有一个或多个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器。纵向连接的双模式共振器滤波器的通带高频侧的截止频率与共振器的反共振频率基本相等。在表面声波滤波器内,通带高频侧截止频率附近的锐度很高,能够得到充分的衰减,并且输入和输出阻抗匹配的很好。
Description
技术领域
本发明涉及一种在移动通讯设备中用作高频装置的表面声波滤波器(SAW滤波器)。
背景技术
表面声波(SAW)是一种压电基板等弹性体表面附近的能量聚集而产生的波，使用表面声波的电子设备已付诸应用，如滤波器、共振器、延迟线和振荡器等。
图1为作为其中一种SAW滤波器的纵向连接的双模式共振器滤波器结构，在该纵向连接的双模式共振器滤波器1中，三个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器4、3、4(IDTs)沿着表面声波的传播方向设置在压电基板10上，两个用于反射表面声波的反射器5沿着表面声波的传播方向设置在上述三个中间数字传感器4、3、4的两侧。
在每一个中间数字传感器3或4中，具有多个(图1中未示出)电极指针12的两个IDT电极彼此相对排列，以使得它们的电极指针12彼此间具有相同的间隔；在三个中间数字传感器4、3、4中，中心的中间数字传感器3一侧的ITD电极具有纵向连接的双模式共振器滤波器1的输入端IN，而中心的中间数字传感器3另一侧的IDT电极接地；两端的每一个中间数字传感器4一侧的IDT电极都接地，而两端的中间数字传感器4另一侧的IDT电极连接在一起，并具有纵向连接的双模式共振器滤波器1的输出端OUT。
在每一个反射器5中，与中间数字传感器3和4中的电极指针12相似的多个(图1中未示出)电极指针以阶梯形式排列，其间隔与中间数字传感器3和4中的间隔基本相同；三个中间数字传感器4、3、4和反射器5基本上具有相同的开口长度W，该长度是在垂直于表面声波传播方向上的长度。
在具有这样一种结构的纵向连接的双模式共振器滤波器1中，当交流电压施加到输入端IN时，压电效果使得压电基板10在相邻电极指针12间产生变形，从而激发出表面声波，当表面声波的波长与电极指针12的间隔彼此相等的时候，其激发出的表面声波最强，由于被激发出的表面声波受到两个反射器5的反射，振动能量被封闭在两个反射器5之间，从而产生驻波以共振，该共振输出可从输出端OUT获得。该驻波具有双重模式，其中存在具有如图2A所示变位分布的第一模式波和具有如图2B所示变位分布的第三模式波。
在上述纵向连接的双模式共振器滤波器1中，滤波器的各种特性可以通过设置设计参数而获得。然而在通常情况下，关于通带特性，在其高频侧的截止频率附近的锐度(如图3A所示)不令人满意，因此，它所存在的问题是不能获得充分的衰减。
此外，输入端和输出端之间电极结构上的不同导致了输入和输出阻抗匹配较差的问题。在图3B中，反射特性曲线通过由电压驻波比(VSWR)表示S11和S22中的每一个示出，其中，S11是来自输入端(IN)的入射波与从滤波器返回到输入端的反射波之间的关系，S22是来自输出端(OUT)的入射波与从滤波器返回到输出端的反射波之间的关系。电压驻波比(VSWR)是当传播路径上所产生的驻波用电压显示时，其最大电压和最小电压的比率。当其值接近1时，匹配状态改善。如图3B所示，特性曲线S11示出在通带内基本为2或更小的数值，这是令人满意的，而特性曲线S22不如特性曲线S11。
为了结合现有技术以解决上述问题，如图4所示，将上述纵向连接的双模式共振器滤波器1在压电基板11上垂直连接成两级的形式。其结果是高频侧的截止频率附近受到抑制。然而这种结构带来了大量的插入损失(当滤波器是插入时的衰减和其不是插入时的衰减之间的差别)。
关于解决类似问题而使用纵向连接的双模式共振器滤波器技术的例子，如在日本公开专利说明书No.8-191229(1996)中公开了一种“纵向连接的双模式共振器SAW滤波器”。在该“纵向连接的双模式共振器SAW滤波器”中，中心IDT和两侧IDT最里面的面对的电极指针的中间间隔不同。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，并且本发明的目的是提供一种表面声波滤波器，其在通带高频侧的截止频率附近具有良好的锐度，并且能够获得充分的衰减，以及具有良好的输入输出匹配状态。
根据本发明的表面声波滤波器包括纵向连接的双模式共振器滤波器，其中用于激发和接收表面声波的多个中间数字传感器沿着表面声波的传播方向彼此相邻排列，及共振器，其具有一个或多个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器。纵向连接的双模式共振器滤波器与共振器串联连接。纵向连接的双模式共振器滤波器在通带高频侧的截止频率与共振器的反共振频率基本相等。
两个用于反射表面声波的反射器沿传播方向设置在布置在纵向连接的双模式共振器滤波器内的多个中间数字传感器的两侧，表面声波的振动能量可以被封闭在两反射器之间。
共振器是单端口共振器，两个用于反射表面声波的反射器沿着表面声波的传播方向设置在共振器的两侧。
在本发明的表面声波滤波器中，纵向连接的双模式共振器滤波器和反射器安装在单个压电基板上。从而可以实现具有较小尺寸的表面声波滤波器。
图5所示为使用了表面声波的单端口共振器的结构，在该单端口共振器中，两个用于反射表面声波的反射器7安装在压电基板9上，并沿表面声波的传播方向设置在用于激发和接收表面声波的中间数字传感器6(IDT)的两侧。
在中间数字传感器6中，具有多个(图5中未示出)电极指针13的两个IDT电极彼此相对排列，以使得它们的电极指针13彼此间具有相同的间隔。中间数字传感器6一侧的IDT电极具有单端口共振器2的输入端IN，而另一侧的IDT电极具有输出端OUT。
在每一个反射器7中，与中间数字传感器6的电极指针13相似的多个(图5中未示出)电极指针以阶梯形式设置，其间隔与中间数字传感器6中的间隔基本相同。
在具有这样结构的单端口共振器2中，当交流电压施加穿过输入端IN和输出端OUT时，压电效果使得压电基板9在相邻电极指针13间产生变形，并激发出表面声波。当表面声波的波长与电极指针13的间隔彼此相等时，激发出的表面声波最强。由于激发出的表面声波受到两个反射器7的反射，振动能量被封闭在两个反射器7之间，从而产生驻波以共振。
例如，单端口共振器2具有如图6所示的频率特性，并具有反共振频率f1。在本发明中，纵向连接的双模式共振器滤波器1和单端口共振器2串联连接，纵向连接的双模式共振器滤波器1在通带高频侧的截止频率与单端口共振器2的反共振频率f1基本相等。从而通带的特性曲线在高频侧的截止频率附近显示了更高的锐度，并获得充分的衰减。
在本发明的表面声波滤波器中，共振器的中间数字传感器内电极指针的间距比纵向连接的双模式共振器滤波器的中间数字传感器内电极指针的间距要大。由于中间数字传感器的反共振频率通过调整其波长调整，因此，在本发明中将共振器的中间数字传感器的反共振频率调整到纵向连接的双模式共振器滤波器的截止频率高频侧的一个频率。
另外，在本发明的表面声波滤波器中，纵向连接的双模式共振器滤波器设置有三个中间数字传感器，因为为了得到比75MHz(具有4.1-4.3％的分数带宽)高的通带，两个以上的中间数字传感器是必不可少的。由于纵向连接的双模式共振器滤波器仅包括三个中间数字传感器，其满足了最低要求，因此为滤波器设定的参数数量能够减少。
本发明的上述及其他目的和特征，在下面结合附图的详细说明中将更明显。
附图说明
图1是纵向连接的双模式共振器滤波器的结构示意图；
图2A和2B是驻波变位的分布状态模式的示意图；
图3A和3B是纵向连接的双模式共振器滤波器的特性曲线图；
图4是纵向连接的双模式共振器滤波器垂直连接成两级时的结构示意图；
图5是单端口共振器的结构示意图；
图6是单端口共振器的频率特性曲线图；
图7是本发明表面声波滤波器(SAW滤波器)实施例的实质部分的结构示意图；
图8A和8B是根据试验1的本发明表面声波滤波器(SAW滤波器)的特性曲线图；
图9A和9B是未经很好调节的表面声波滤波器(SAW滤波器)的特性曲线图；
图10A和10B是根据试验2的本发明表面声波滤波器(SAW滤波器)的特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例附图对本发明进行详细说明。
图7是本发明表面声波滤波器(SAW滤波器)实施例的实质部分的结构示意图，该SAW滤波器是通过将纵向连接的双模式共振器滤波器1和单端口共振器2串联连接在压电基板8上构成的。
在所述纵向连接的双模式共振器滤波器1中，三个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器4、3、4(IDTs)沿着表面声波的传播方向设置。两个用于反射表面声波的反射器5设置在上述三个中间数字传感器4、3、4的两侧，并沿着表面声波的传播方向排列。
在每一个中间数字传感器3或4中，具有多个(图7中未示出)电极指针12的两个IDT电极彼此相对排列，以使得它们的电极指针12彼此间具有相同的间隔；通过调节中间数字传感器3和4中相邻电极指针12间的距离(所谓的连接长度)可以调节滤波器的特性。
在每一个反射器5中，与中间数字传感器3和4中电极指针12相似的多个(图7中未示出)电极指针以阶梯形式设置，其间隔与中间数字传感器3和4中的间隔基本相同；三个中间数字传感器4、3、4和反射器5基本上具有相同的开口长度W1，该长度也就是在垂直于表面声波传播方向上的长度；然而它们的开口长度W1不必是相等的。
在单端口共振器2中，两个用于反射表面声波的反射器7沿表面声波的传播方向设置在用于激发和接收表面声波的中间数字传感器6的两侧。
在中间数字传感器6中，具有多个(图7中未示出)电极指针13的两个IDT电极彼此相对排列，以使它们的电极指针13彼此间具有相同的间隔。
在每一个反射器7中，与中间数字传感器6中的电极指针13相似的多个(图7中未示出)电极指针以阶梯形式设置，其间隔与中间数字传感器6中的间隔基本相同；中间数字传感器6和反射器7基本上具有相同的开口长度W2，该长度即是在垂直于表面声波传播方向上的长度；然而它们的开口长度W2不必是相等的。
在纵向连接的双模式共振器滤波器1的三个中间数字传感器4、3、4中，中心的中间数字传感器3一侧的IDT电极具有该SAW滤波器的输入端IN，该中心的中间数字传感器3另一侧的IDT电极接地；两端的每一个中间数字传感器4一侧的IDT电极均接地，而两端的中间数字传感器4另一侧的IDT电极连接在一起，并与单端口共振器2的端点相连。
纵向连接的双模式共振器滤波器1中的中间数字传感器4另一侧的IDT电极与单端口共振器2中的中间数字传感器6一侧的IDT电极之间具有一共用连接。中间数字传感器6另一侧的IDT电极具有该SAW滤波器的输出端OUT。
在具有这样结构的SAW滤波器中，当交流电压施加到输入端IN上时，纵向连接的双模式共振器滤波器1的压电效果使得压电基板8在相邻电极指针12间产生变形，从而激发出表面声波，当表面声波的波长与电极指针12的间隔彼此相等时，激发出的表面声波最强。由于激发出的表面声波受到两个反射器5的反射，振动能量被封闭在两个反射器5之间，从而产生驻波以共振，该共振输出供给到单端口共振器2上。
在单端口共振器2内，根据纵向连接的双模式共振器滤波器1输出的供给，压电效果使得压电基板8在相邻电极指针13间产生变形，从而激发出表面声波，当表面声波的波长与电极指针13的间隔彼此相等的时候，激发出的表面声波最强，由于激发出的表面声波受到两个反射器7的反射，振动能量被封闭在两个反射器7之间，从而产生驻波以共振，该共振输出从SAW滤波器的输出端OUT输出。
单端口共振器2的频率特性如图6所示，其中具有反共振频率f1，该反共振频率f1与纵向连接的双模式共振器滤波器1在通带高频侧的截止频率基本相同，因此该SAW滤波器的全部通带特性在高频侧的截止频率附近具有非常高的锐度，从而获得充分的衰减。
对于压电基板8来说，可以使用42°Y(切断)-X(传播)LiTaO3、36°Y-XLiTaO3、64°Y-XLiNbO3、41°Y-XLiNbO3或128°Y-XLiNbO3，它也可以使用X-cut LiTaO3或X-cut LiNbO3，而其它压电体也可以用于压电基板8，例如晶体和langasite，此外它不但可以使用单晶体，还可以使用薄膜压电体，例如AlN(氮化铝)、ZnO、PbTiO3和BaTiO3等。
中间数字传感器(IDT)和反射器所用的材料是Al或Al-Cu(1％)，为了得到1.7-2.0GHz的通带，中间数字传感器覆盖层的厚度例如为80～220nm，而考虑到带通特性(在截止频率附近的带通长度和锐度)优选为140～180nm，此外，连接长度被制成一有效长度。
虽然反射器5包含于上述纵向连接的双模式共振器滤波器1的结构中，但反射器5不是必须的，一种没有反射器5的结构可以依靠一定数量的中间数字传感器3、4和其定位方法而实现，使用晶体端面反射等。此外，在单端口共振器2中，也可以使用没有反射器7的中间数字传感器6。
此外，纵向连接的双模式共振器滤波器表面声波的传播方向与共振器表面声波的传播方向可以制成是不同方向的，例如，中间数字传感器有时定位成彼此垂直交叉的形式。
此外，这里只介绍了使用单端口共振器2的结构，而共振器不仅限于单端口，双端口共振器结构也可以使用。
上述SAW滤波器的设计过程如下。首先，纵向连接的双模式共振器滤波器1一段的参数设计成在通带的低频侧获得较好的抑制特性和锐度。
其次，通带在高频侧的抑制特性和锐度设计成从而单端口共振器2的反共振频率与通带在高频侧的截止频率基本相同。为此，在单端口共振器2中，波长(电极指针间隔的两倍)、间隔长度和电极指针的数量可以调节；尤其是，在单端口共振器2中，通过调节影响滤波器波形的间隔长度、电极指针13的数量和反射器7中电极指针的数量，从而调节滤波器通带的波形。
再次，最适合的调节方法是：单端口共振器的参数调节成使上述特性S11和S22在通带附近是相似的。在设置好单端口共振器2的参数之后，进一步调节纵向连接的双模式共振器滤波器1的参数，从而调节通带的长度和通带中的电压驻波比(VSWR)。
实验1
上述SAW滤波器的实验是在如下设定设计参数完成的。
对于纵向连接的双模式共振器滤波器1来说，中间数字传感器3中电极指针的数量为27，中间数字传感器4中电极指针的数量为19，中间数字传感器3和4的波长(电极指针间隔的两倍)为2.13μm，中间数字传感器3和4中电极指针的金属化比为65，反射器5的波长(电极指针间隔的两倍)为2.19μm，反射器5的金属化比为65，间隔长度为170μm。
对于单端口共振器2来说，中间数字传感器6中电极指针的数量为251，中间数字传感器6的波长(电极指针间隔的两倍)为2.14μm，中间数字传感器6的金属化比为50，反射器7的波长(电极指针间隔的两倍)为2.14μm，反射器7的金属化比为50，间隔长度为50μm。
图8A中示出了根据实验1的表面声波滤波器的通带特性曲线。在图8B中，通过电压驻波比(VSWR)显示S11和S22中的每个从而示出了反射特性，其中，S11是来自输入端(IN)的入射波与滤波器中返回到输入端的反射波之间的关系，S22是来自输出端(OUT)的入射波与滤波器中返回到输出端的反射波之间的关系。从这两个特性曲线S11和S22中可以看出，它们的数值在通带内基本为2或更小并且匹配。
对于上述参数，通带为1805～1880MHz。为了获得1710～1785MHz的通带，首要调节波长，而其它参数基本不变。
此外，图9A中示出了在与上述SAW滤波器类似结构(图7)中，当单端口共振器的反共振频率变位到较高频率侧时的通带特性曲线。由于特性曲线S11和S22的电压驻波比特性不相匹配，如图9B所示，它们的锐度(图9A)和电压驻波比特性(图9B)不如图8A和8B所示的锐度和电压驻波比特性。
实验2
上述SAW滤波器的实验是如下设定设计参数完成的。
对于纵向连接的双模式共振器滤波器1来说，中间数字传感器3中电极指针的数量为37，中间数字传感器4中电极指针的数量为25，中间数字传感器3和4的波长(电极指针间隔的两倍)为2.035μm，中间数字传感器3和4中电极指针的金属化比为60，反射器5的波长(电极指针间隔的两倍)为2.081μm，反射器5的金属化比为60，间隔长度为90μm。
对于单端口共振器2来说，中间数字传感器6中电极指针的数量为251，中间数字传感器6的波长(电极指针间隔的两倍)为2.050μm，中间数字传感器6的金属化比为50，反射器7的波长(电极指针间隔的两倍)为2.050μm，反射器7的金属化比为50，间隔长度为50μm。
图10A中示出了根据实验2的表面声波滤波器的通带特性曲线。在图10B中通过电压驻波比(VSWR)显示S11和S22从而示出了反射特性曲线，其中，S11是来自输入端(IN)的入射波与从滤波器中返回到输入端的反射波之间的关系，S22是来自输出端(OUT)的入射波与从滤波器中返回到输出端的反射波之间的关系。如图所示，根据本发明的SAW滤波器可以在1.8～1.9GHz之间的频段应用。
实验1示出了本发明关于频段在1700～1800MHz的情况，而实验2示出了本发明关于频段在1.9～2.0GHz的情况。然而，本发明也可以应用于移动通信的RF和IF频段，尤其是在300～500MHz频段、800～900MHz频段、1500MHz频段、1.9～2.0GHz频段和2.4～2.5GHz频段。
Claims (12)
1.一种表面声波滤波器，它包括：
纵向连接的双模式共振器滤波器，其中多个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器沿着表面声波的传播方向彼此相邻排列；和
共振器，其具有一个或多个用于激发和接收一表面声波的中间数字传感器，该共振器与所述的纵向连接的双模式共振器滤波器串联连接，
其特征在于，所述纵向连接的双模式共振器滤波器的通带高频侧的截止频率与所述共振器的反共振频率基本相等。
2.如权利要求1所述的表面声波滤波器，其特征在于，两个用于反射表面声波的反射器沿传播方向设置在所述纵向连接的双模式共振器滤波器内排列的多个中间数字传感器的两侧，用以将表面声波的振动能量封闭在所述两反射器间。
3.如权利要求1所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述共振器是单端口共振器。
4.如权利要求1所述的表面声波滤波器，其特征在于，两个用于反射表面声波的反射器沿着表面声波的传播方向设置在所述共振器的两侧。
5.如权利要求1所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述纵向连接的双模式共振器滤波器和所述共振器安装在单个压电基板上。
6.如权利要求1所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述纵向连接的双模式共振器滤波器设置有三个中间数字传感器。
7.一种表面声波滤波器，它包括：
纵向连接的双模式共振器滤波器，其中多个用于激发和接收表面声波的中间数字传感器沿着表面声波的传播方向彼此相邻排列；和
共振器，其具有一个或多个用于激发和接收一表面声波的中间数字传感器，该共振器与所述的纵向连接的双模式共振器滤波器串联连接，
其特征在于，所述共振器中的中间数字传感器的电极指针之间的间隔比所述纵向连接的双模式共振器滤波器中的中间数字传感器的电极指针之间的间隔大。
8.如权利要求7所述的表面声波滤波器，其特征在于，两 个用于反射表面声波的反射器沿其传播方向设置在所述纵连接的双模式共振器滤波器内排列的多个中间数字传感器的两侧，用以将表面声波的振动能量封闭在所述两反射器间。
9.如权利要求7所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述共振器为单端口共振器。
10.如权利要求7所述的表面声波滤波器，其特征在于，两个用于反射表面声波的反射器沿着表面声波的传播方向设置在所述共振器的两侧。
11.如权利要求7所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述纵向连接的双模式共振器滤波器和所述共振器安装在单个压电基板上。
12.如权利要求7所述的表面声波滤波器，其特征在于，所述纵向连接的双模式共振器滤波器设置有三个中间数字传感器。
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