用于ETC系统的扇形声表面波滤波器设计

吴 燕,蒋道军,施建锋,张显洪,杜雪松,张 铃

(中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆 400060)

0 引言

电子不停车收费系统(ETC)技术是解决高速公路收费站拥堵的利器,但目前大部分ETC数字接收机还不能直接对高速射频信号进行采样处理,须通过模拟信道将射频信号变换到中频上,同时提供一定增益使其与采样器匹配,才能采样并处理数字信号。在下变频过程中,由于混频器产生的一系列组合频率分量,包括混频器射频(RF)和本振(LO)的基波、谐波及基波和谐波的和差分量,这些成分会危害射频系统,如产生杂散,造成噪声恶化等,所以混频后采用声表面波(SAW)滤波器进行滤波,滤除杂波并提取有用信号,能提高系统信噪比,减小误码率。因此,滤波器是ETC系统的关键元件。

1 技术背景情况

为解决路径识别和干扰问题,灵敏度和误码率是ETC接收机的2个重要指标。用户要求接收机信号灵敏度达到-88 dBm,误码率<100 bit,才能满足工程应用。本文根据要求为ETC接收机设计了一款中频SAW滤波器,其主要技术指标如表1所示。

表1 ETC系统中频SAW滤波器主要电性能指标

2 设计过程和分析

由表1可知,本文滤波器相对带宽≥10%。为了获得低插入损耗、小通带波纹及小群时延波动,换能器单元采用电极宽度控制(EWC)结构(见图1)。为了得到更好的矩形度和带外抑制,通常采用换能器分节(电容加权)方式来处理。采用3-1-3分节电容加权可实现较小的插入损耗,但滤波器矩形系数较差。采用5-3-5分节电容加权的矩形系数较好,可实现器件较好的选通性能,但插入损耗较大[1]。在工程产品设计中需根据项目指标要求选择设计方式。用户要求插入损耗小,且对器件矩形系数要求不高时,确定采用3-1-3分节的电容加权。

图1 换能器EWC单元结构示意图

2.1 基片材料

基片材料选用128°Y-X铌酸锂,其主要特性如表2所示。由表2可见,该材料机电耦合系数大,适合于设计相对带宽≥10%的滤波器。基片表面叉指换能器(IDT)电极为金属铝,膜厚100 nm,通过抽指加权得到总的宽电极数量为44根,总声反射量为-0.843 7j。

表2 128°Y-X铌酸锂基片材料主要特性参数

2.2 滤波器仿真

一般ETC使用温度为-25～+55 ℃,计算出器件频率温度漂移为0.24 MHz,故设计时需考虑制作误差和温度漂移,1 dB带宽设计为4.54 MHz。通过优化设计及软件仿真,滤波器理论仿真数据如表3所示。仿真频响曲线如图2所示。

图2 理想仿真频响曲线

表3 滤波器理论仿真数据

2.3 芯片结构和封装外壳

本文滤波器的 IDT采用3-1-3分节的电容加权结构,IDT中间的屏蔽条采用空心扇形结构,可以获得较好的相位线性度,滤波器芯片设计数据如表4所示。掩膜版图和外壳内腔如图3所示。该滤波器频率较低,常规设计芯片尺寸很大,为了满足滤波器小型化的要求,必须控制换能器周期数,将芯片封装在SMD1365陶瓷表贴外壳内。取IDT总的周期数为97,器件图形长宽为10.51 mm×3.4 mm,在可靠性的要求下,芯片划片尺寸为11.6 mm×3.6 mm,与SMD1365外壳内腔尺寸相匹配,符合低频滤波器小型化要求。

图3 芯片设计版图和外壳粘片点焊图

2.4 滤波器初样实测结果

根据用户电路板布局的滤波器外匹配电路示意图,如图4所示在外匹配(电感L1=270 nH,L2=150 nH)端口的史密斯(Smith)圆图如图5所示[2]。

图4 初样器件的外匹配电路示意图(顶视图)

图5 端口的Smith圆图

表5为滤波器初样外匹配后实测数据。图6为实测频响(外带匹配网络)曲线。由图6可看出,滤波器通带波纹干净、平滑,说明了外电路匹配和声反射正好抵消。滤波器的群时延波动为40 ns,如图7所示。

图6 滤波器初样频响曲线

图7 初样滤波器群时延波动

表5 滤波器初样外匹配后实测数据

2.5 初样上机使用情况

初样上机使用时信号灵敏度为-87.5 dBm(误码率<100 bit),与ETC系统要求相差0.5 dBm,不能满足工程应用。反映到SAW滤波器上,初样滤波器的插损大了0.5 dB。进一步分析,如果滤波器插损降低0.5 dB左右,则能满足ETC工程应用;如果插损再降低1.0 dB,既满足指标要求,又有一定余量,因此需要减小滤波器的插损。

3 滤波器插损的改进

由图5可知,初样滤波器匹配后的端口阻抗偏离50 Ω,可适当增加匹配电感值(L1=330 nH,L2=180 nH),表6为初样滤波器增加电感后实测数据。图8为初样滤波器增加电感值后的频响曲线。由图可看出,滤波器的插损减小到-7.6 dB。

图8 初样滤波器增加电感值后的频响

表6 滤波器初样滤波器增加电感后实测数据

SAW滤波器的匹配过程与所要求的技术指标性能及选择的SAW滤波器型号有关。本文SAW滤波器(初样)不允许匹配电路实现与外部传输线的理想匹配,因为在较大的声辐射条件下,改进匹配虽然可实现低损耗,但需要增加幅度和群时延波动,即使插损减小,仍不能满足工程应用。因此,在初样的基础上,本文器件改进的难点是在满足低插入损耗的同时,维持通带内波纹和群时延波动状态能。

由图6、8可看出,铝膜太薄,高端带外抑制较差(约33.4 dB)。通过工艺摸索,增加膜厚可改善带外抑制,但膜过厚将增加工艺难度,根据剥离工艺要求,将铝膜厚度增加到500 nm。由于膜厚的改变,声反射特性也会改变,表7为128°Y-X铌酸锂基片材料的电极反射数据[3]。

表7 128°Y-X铌酸锂基片材料的电极反射数据

声反射系数为

rs=jc1+jc2h/λ0

(1)

式中:h为膜厚;λ0为中心频率波长。

由表7可知,c1和c2符号相反,增加膜厚会使声反射系数减小,铝膜500 nm时,通过滤波器仿真软件计算可得rs=-0.015 8j,宽电极为44根,总声反射量为-0.698 6j。铝膜厚为100 nm时,宽电极为44根,总声反射量为-0.843 7j。由此可知,膜厚增加,总声反射量减小,这与要求增大声反射矛盾。通过改进抽指加权方式,增加反射指数量,使换能器(IDT1)全抽,如图9所示。在铝膜厚为500 nm,宽电极总数量增加为62根时,总声反射量为-0.984 3j,即在增加膜厚使声反射系数减小的情况下,通过用增加反射指数量可弥补声反射量。

最后优化出符合使用要求的设计数据,通过制版、镀膜、光刻等半导体平面工艺制作滤波器。表8为优化后滤波器外匹配后实测数据。图10为实测频响(外带匹配网络)曲线。

图10 滤波器实测频响(外带匹配网络)

表8 滤波器外匹配后实测数据

将优化后的滤波器上机使用,接收机信号灵敏度为-88 dBm,误码率<100 bit,达到用户要求,满足ETC工程应用要求。

4 结束语

在滤波器初样的基础上,通过适当增大外匹配电感值,再采用改进后换能器反射指结构,同时对膜厚进行优化,从而实现了器件优良的各项指标。该款滤波器最终获得了低插入损耗、小通带波纹、小群时延波动及良好的带外抑制指标,满足ETC系统工程应用要求。