高频低温漂TC-SAW滤波器的设计

王 巍,滕洪菠, 王 方,张 迎,袁 军,宋小瑛

(重庆邮电大学 光电工程学院/国际半导体学院,重庆 400065)

0 引言

声表面波(SAW)滤波器具有高性能和低成本的优势,被广泛应用于现代通信领域,成为射频前端实现雷达、导航、通信等信号交互的关键芯片[1]。随着移动通信的快速发展,SAW滤波器也面临着新的挑战,如高频、低插损、高带宽和高温度稳定性等问题[2]。

传统的SAW滤波器由于压电材料的负温度系数,使其在温度上具有较大的频率偏移。如使用128°YX-LiNbO3制作的传统SAW滤波器,其频率温度系数(TCF)为-72×10-6/℃,在工作温度为-30～85 ℃、工作频率为2.5 GHz时,频率漂移高达20 MHz。为了减小SAW滤波器随温度的频率漂移,开发了温度补偿型声表面波(TC-SAW)滤波器。通过在叉指换能器(IDT)和具有负TCF的128°YX-LiNbO3上沉积具有正TCF的SiO2温度补偿层,从而减小SAW滤波器的频率温度系数[3]。

梯形SAW滤波器由串联谐振器和并联谐振器级联而成,谐振器的性能直接影响滤波器的性能。在沉积SiO2温度补偿层后,谐振器的反谐振频率处出现杂散响应,进而影响滤波器的带内插损和带外抑制。

为了提高器件性能,降低杂散响应对滤波器的干扰,本文通过增加电极厚度,使杂散响应出现的频率范围远离谐振器的主响应,在抑制了杂散响应对主响应影响的同时削弱了主响应对杂散响应的影响,降低了杂散响应的幅值,改善了滤波器的带内插损和带外抑制。

为了模拟不同工作温度下TC-SAW滤波器的性能变化,同时考虑材料的热膨胀效应,本文建立了TC-SAW滤波器的二维等效模型及温度模型,分析了SiO2及Cu电极厚度对谐振器频率温度系数的影响,并通过四阶级联提高了滤波器的带外抑制。

1 建模与材料参数

1.1 模型建立

梯形TC-SAW滤波器由串联谐振器和并联谐振器级联而成,其原理图如图1所示,其中S、P分别为串联谐振器和并联谐振器,W为换能器的孔径。

图1 TC-SAW滤波器原理图

由于换能器孔径远大于电极宽度,可认为瑞利波声场在y方向上分布不变[4]。因此,基于COMSOL建立了TC-SAW谐振器的二维等效模型如图2所示。

图2 谐振器二维等效模型

图2中,λ=2(a+b)为叉指周期,a为叉指宽度,b为指间距,h为电极厚度,H为SiO2厚度,HL为压电材料的厚度,压电材料为128°YX-LiNbO3,电极材料为Cu的完美匹配层(PML)用以降低底面反射[5]。

1.2 温度模型与材料参数

声表面波谐振器的谐振频率f由声表面波相速度vp与波长λ决定:

(1)

vp由杨氏模量E(T)和材料密度ρ(T)共同确定:

(2)

E(T)、ρ(T)与环境温度的关系为

E(T)=E(T0)×(1+TCE1×ΔT+

TCE2×ΔT2)

(3)

ρ(T)=ρ(T0)×[1-(α11+α22+

α33)×ΔT]

(4)

式中:E(T0),ρ(T0)为弹性材料在室温下的杨氏模量和材料密度;TCE1,TCE2为弹性材料杨氏模量E的一阶、二阶温度系数;ΔT=T-T0,T为环境温度,T0为参考温度,通常取25 ℃;α11、α22、α33表示弹性材料不同晶相上的热膨胀系数。

此外,环境温度的变化会引起压电材料的材料常数发生变化,从而影响声波波速的变化和频率的偏移。压电材料的材料常数与温度的关系满足以下方程[6-7]:

(5)

(6)

(7)

(8)

本文基于COMSOL有限元软件建立了TC-SAW器件的二维等效模型,构建内置方程,对模型施加温度场,添加温度方程,弹性材料与铌酸锂的材料参数如表1、2所示[8-9]。

表1 弹性材料参数

表2 铌酸锂材料参数

2 仿真结果分析

2.1 SiO2对频率温度系数的影响

基于所构建的模型及材料参数,建立谐振器的二维等效模型,并对谐振器进行温度特性分析。图3、4分别为采用SiO2温度补偿层前后的频率响应曲线。其中叉指电极厚度h=0.03λ,温度补偿层SiO2的厚度H=0.3λ。

图3 未采用SiO2补偿层的频率响应

由图3可知,未采用SiO2温度补偿层时,谐振器在-30 ～ 85 ℃范围内有明显的频移。其中,谐振点处温度为-30 ℃和85 ℃时,频率分别为2 514.7 MHz和2 494.2 MHz,频移为20.5 MHz,|TCF|=71.16×10-6/℃;反谐振点处温度为-30 ℃和85 ℃时,频率分别为2 595.7 MHz和2 575.8 MHz,频移为19.9 MHz,|TCF|=66.91×10-6/℃。

由图4可知,采用厚度为0.3λ的SiO2温度补偿层,谐振点处温度为-30 ℃和85 ℃时,其频率分别为2 500.4 MHz和2 497.8 MHz,频移为2.6 MHz,|TCF|=9.05×10-6/℃;反谐振点处温度为-30 ℃和85 ℃时,其频率分别为2 576.6 MHz和2 577.3 MHz,频移为0.7 MHz,|TCF|=2.36×10-6/℃。

图4 采用SiO2补偿层的频率响应(H=0.3λ)

对比图3、4可以看出,通过在叉指换能器(IDT)和压电材料LiNbO3上沉积SiO2层,谐振频率和反谐振频率的频率温度系数分别降低了87.28%和96.47%,有效地降低谐振器频率随温度的偏移,提高了器件的温度稳定性。

图5为不同厚度的SiO2补偿层对频率温度系数的影响。

图5 不同SiO2厚度的频率温度系数

由图5可知,谐振器的频率温度系数随着SiO2厚度的增加而增加,当H=0.3λ时,|TCF|≤10 ×10-6/℃;当H<0.3λ或H>0.3λ时,|TCF|>10×10-6/℃。为了使谐振器具有良好的温度系数,本文采用的SiO2厚度为0.3λ。

2.2 杂散响应的抑制

当在压电基底上沉积一层慢剪切波波速材料时,会激发出一种在压电基底表面上的波导层中传播的剪切波——Love波。当采用SiO2进行温度补偿时,SiO2温度补偿层成为了波导层,由于Love波是在波导层中传播,因此,Love波的能量几乎全部集中在波导层中,进而对谐振器产生干扰。由图4可知,当采用SiO2进行温度补偿后,谐振器的反谐振频率处会产生杂散响应,而梯形滤波器是由串联谐振器和并联谐振器构成,并通过电偶的方式级联在一起[10]。因此,谐振器的杂散响应会直接影响滤波器的性能,如图6所示。

图6 谐振器杂散响应对滤波器的影响

由图6可知,Love波对并联谐振器的影响造成滤波器的带内插损急剧下降,并超过了-10 dB。Love波对串联谐振器的影响使滤波器的带外抑制只有3.95 dB。为了提高滤波器性能,减小Love波对带内插损和带外抑制的影响,本文分析了Cu电极厚度对杂散响应的影响。

图7为电极厚度0.03λ～0.12λ的谐振器导纳曲线,其中SiO2厚度为0.3λ。由图可知,随着电极厚度的增加,杂散响应出现的频率范围逐渐远离谐振器的主响应,且幅值减小。其原因在于,当电极厚度增加时,瑞利波波速和Love波波速均随着电极厚度的增加而降低,但瑞利波波速降低速率比Love波波速降低速率快,使Love波出现的频率范围远离瑞利波;同时,随着电极厚度的增加,Love波逐渐远离瑞利波,抑制了杂散响应对主响应影响,削弱了主响应对杂散响应的影响,杂散响应的幅值也随之减小。

图7 电极厚度对杂散响应的影响

通过增加电极厚度可抑制谐振器的杂散响应,但随着电极厚度的增加,谐振器的频率温度系数也随之增大,如图8所示。

图8 不同电极厚度的频率温度系数

为了权衡电极厚度对Love波的抑制和频率温度系数的影响,本文采用电极厚度为0.06λ,此时谐振器谐振频率fr与反谐振频率fa的差值Δf= 63 MHz,Love波产生的杂散响应与反谐振频率的频率差值Δf′ = 70 MHz。一方面,适当增加电极厚度,将并联谐振器的杂散响应移至滤波器通带范围外,使滤波器带内插损得到优化;另一方面,电极厚度的增加,串联谐振器的杂散响应幅值降低,受串联谐振器杂散响应影响的带外抑制得到改善,如图9所示。优化后的一阶TC-SAW滤波器,带内插损从-10.10 dB降为-0.77 dB,降低了92.32%;带外抑制从-3.95 dB提升至-4.97dB,提升了25.82%。

图9 优化后的频响曲线

2.3 滤波器级联及温度特性

优化后的一阶滤波器通带特性得到提升,通带平坦。但一阶滤波器通带外的带外抑制仅5 dB,其对带外干扰信号的抑制和衰减能力不足,所以需要通过多级级联的方式增加带外抑制。由于多级级联会使通带内的插入损耗增加,因此,在对滤波器进行级联的同时,还需对带内插损进行分析。梯形滤波器的级联结构分为“T”型和“p”型,本文通过“T+p”型的级联方式[11],对滤波器进行四阶级联,如图10所示。

图10 “T+p”型级联结构

级联后得到的四阶梯形TC-SAW滤波器频率响应曲线如图11所示。由图可知,滤波器的中心频率为2 497 MHz,3 dB带宽大于97 MHz,插入损耗小于2 dB,带外抑制大于30 dB。

图11 四阶梯形TC-SAW滤波器频响曲线

图12为不同工作温度下,四阶TC-SAW滤波器的温度特性。

图12 不同工作温度下TC-SAW滤波器频响曲线

由图12可以看出,滤波器的频率温度系数值为-9.89×10-6/℃。在-30～85 ℃工作温度内,四阶滤波器的带内插损最大值为1.95 dB,带外抑制均大于30 dB,实现了全温度范围内的带内低插损和带外高抑制。

3 结束语

本文建立了TC-SAW滤波器的二维等效模型及温度模型。为了提高滤波器的频率温度特性,在压电材料上沉积了一层SiO2薄膜,谐振频率和反谐振频率处的频率温度系数分别降低了87.28%和96.47%。针对在添加SiO2温度补偿层后,谐振器的反谐振频率处会出现杂Love波引起的杂散响应问题,本文通过增加Cu电极厚度,使杂散响应出现的频率范围远离谐振器的主响应,进而减小了杂散响应对滤波器带内插损和带外抑制的影响,带内插损降低了92.32%。最后对滤波器进行四阶级联,提高滤波器的带外抑制,增加其对带外干扰信号的抑制和衰减效果。仿真结果表明,本文设计的TC-SAW滤波器的频率温度系数为-9.89×10-6/℃,中心频率为2 497 MHz,带内最大插损为1.95 dB,带外抑制大于30 dB,-3 dB损耗带宽大于97 MHz。