LGS聲表面波濾波器的設計研究

1.引言

壓電晶體的壓電效應和逆壓電效應在科學技術領域得到了廣泛的應用。壓電晶體作為基片制備出的聲表面器件因其優良的電性能，易于實現器件小型化，被廣泛的應用于通訊，雷達，導航等。近年來，新型壓電晶體材料A3BC3D2O14硅酸鎵鑭結構晶體在聲表面波、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，機電耦合系數大等特點，有利于制備器件的小型化。另外，這類晶體的熔點很高，在高溫下比較穩定，可以用來制備高溫傳感器，濾波器。本文設計了LGS晶體濾波器，介紹其結構，計算了聲表面波濾波器的頻率響應特性，與石英進行比較，為聲表面波器件的制備打下理論基礎。

2.聲表面波濾波器的基本結構

2.1 聲表面波濾波器基本結構

聲表面波濾波器的基本結構如圖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換為聲信號，在基片表面上傳播，經過一定的延遲后，輸出叉指換能器再將聲信號轉換為電信號輸出。濾波的過程是在電轉聲和聲轉電的過程中實現的。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絡，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，H2(ω)表示的是輸出叉指換能器的頻率響應，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的時延網絡。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，一般情況下記為1.因此，聲表面波濾波器總的傳輸函數為：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)H3(ω)

根據傅里葉變換特性，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為：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)

對應的脈沖響應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。

3.結果與分析

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的頻率特性響應曲線，并與石英制備的聲表面波濾波器的結果進行對比，計算結果如圖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勢，易于器件的小型化。

4.結論

我們設計了LGS晶體聲表面波濾波器，計算了濾波器的頻率響應特性，并與石英晶體濾波器的頻率特性響應進行了比較，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方面更具優勢，是非常有誘惑力的SAW濾波器新材料。