LGS聲表面波濾波器的設(shè)計研究

1.引言

壓電晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。壓電晶體作為基片制備出的聲表面器件因其優(yōu)良的電性能，易于實現(xiàn)器件小型化，被廣泛的應(yīng)用于通訊，雷達(dá)，導(dǎo)航等。近年來，新型壓電晶體材料A3BC3D2O14硅酸鎵鑭結(jié)構(gòu)晶體在聲表面波、體表面波濾波器以及傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。鎵鑭系列材料如La3Ga5.5Nb0.5O14(LGN)、La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)和La3Ga5SiO14(LGS)具有聲表面波速度小，機(jī)電耦合系數(shù)大等特點，有利于制備器件的小型化。另外，這類晶體的熔點很高，在高溫下比較穩(wěn)定，可以用來制備高溫傳感器，濾波器。本文設(shè)計了LGS晶體濾波器，介紹其結(jié)構(gòu)，計算了聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)特性，與石英進(jìn)行比較，為聲表面波器件的制備打下理論基礎(chǔ)。

2.聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)

2.1 聲表面波濾波器基本結(jié)構(gòu)

聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在壓電基片上制備出輸入電聲換能器和輸出聲電換能器。

2.2 聲表面波傳輸原理

輸入叉指換能器將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號，在基片表面上傳播，經(jīng)過一定的延遲后，輸出叉指換能器再將聲信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。濾波的過程是在電轉(zhuǎn)聲和聲轉(zhuǎn)電的過程中實現(xiàn)的。所以我們可以將聲表面波濾波器等效的看作一個兩端口的無源網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖中H1(ω)表示的是輸入叉指換能器的頻率響應(yīng)，H2(ω)表示的是輸出叉指換能器的頻率響應(yīng)，H3(ω)表示的是聲表面波在兩叉指換能器之間的傳輸特性。假設(shè)聲表面波的波速為Vs,由于Vs是非色散性的，所以H3(ω)可等效的看作一個有一定延時t0的時延網(wǎng)絡(luò)。輸入換能器和輸出叉指換能器中心間距離為L,則有：

式中A3為常數(shù)，一般情況下記為1.因此，聲表面波濾波器總的傳輸函數(shù)為：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)H3(ω)

根據(jù)傅里葉變換特性，考慮到|H(ω)≈1,因此，不計入H(ω)。則聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)為：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)

對應(yīng)的脈沖響應(yīng)h(t)為：

h(t)=h1(t)*h2(t)

其中h1(t)和h2(t)分別表示輸入換能器和輸出叉指換能器的脈沖時間響應(yīng)。

3.結(jié)果與分析

我們選定叉指換能器的壓電基片是LGS晶體(0,138.5o,26.8o)，其中自由表面相速度vs=2734m/s,k2=0.34%,PFA=0,γ=-1.17,TCF≈0,聲孔徑3mm,金屬電極寬度與IDT周期比2w/p=0.5,k2=0.34%,η=0.8472422,Cs=0.964F/m,h0=1.8883F/m.我們將其中輸入IDT設(shè)計為：指對為28(等間距)，孔徑為45個波長。輸出IDT指對為40(等間距)，孔徑為60個波長，兩者相隔20個波長的距離。依我們計算了IDT的頻率特性響應(yīng)曲線，并與石英制備的聲表面波濾波器的結(jié)果進(jìn)行對比，計算結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，LGS制備的SAWF比石英制備的SAWF的插入損耗要小很多，證明了LGS用于制備聲表面波器件方面占優(yōu)勢，易于器件的小型化。

4.結(jié)論

我們設(shè)計了LGS晶體聲表面波濾波器，計算了濾波器的頻率響應(yīng)特性，并與石英晶體濾波器的頻率特性響應(yīng)進(jìn)行了比較，得出了LGS的SAWF比石英SAWF的插入損耗要小很多，證明了LGS用于制作SAWF方面更具優(yōu)勢，是非常有誘惑力的SAW濾波器新材料。