專利名稱：具有至少兩個表面波結(jié)構(gòu)的表面波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有至少兩個表面波結(jié)構(gòu)的表面波裝置，所述表面波結(jié)構(gòu)在主波傳播方向上相鄰，而且其中第一表面波結(jié)構(gòu)的指條周期與第二表面波結(jié)構(gòu)的指條周期不同，且/或它們彼此之間有相移。
除了正常的傳播損失外，在兩個不同的或是彼此之間有相移的表面波結(jié)構(gòu)的過渡處還會因為表面波部分地轉(zhuǎn)換成體波而導(dǎo)致寬帶損失。在這種情況下，所述轉(zhuǎn)換損失會隨著金屬化高度的增加而增加。例如，在Yasuo Ebata的一篇文章“準常數(shù)聲反射周期的表面波諧振器中體積散射的抑制(SUPPRESSION OF BULK-SCATTERING LOSS IN SAW RESONATORWITH QUASI-CONSTANT ACOUSTIC REFLECTION PERIODICITY)”,1988年超聲波研討會，頁91-96中便有此描述。
當這兩個柵型單元(表面波結(jié)構(gòu))在周期長度、金屬化比率及/或?qū)雍穸确矫娌煌蛘哌@兩個表面波結(jié)構(gòu)的間距被選擇得使這兩個柵型單元彼此有相移時，這種情況尤其容易發(fā)生。
對許多濾波技術(shù)而言，這種精確周期性的偏差對于濾波器的工作原理是必不可少的(例如DMS濾波器)。在DE 42 12 517中曾建議把兩個表面波結(jié)構(gòu)之間的過渡處設(shè)計成準周期性的。但是，這種技術(shù)只有當表面波和干擾體波在速度上的相對差異明顯大于該濾波器的相對有效帶寬時才非常成功，例如，在石英上使用窄帶ZF濾波器便是這種情況。這樣，只會在濾波器的通帶范圍之外由寄生體波產(chǎn)生生傳輸功能的干擾，并因而不會干擾濾波器性能。
不過，基于EGSM標準或PCS/PCN的電信網(wǎng)絡(luò)需要帶寬寬一點的低損耗濾波器。
在HF范圍內(nèi)，DMS濾波器(雙模式聲表面波濾波器)經(jīng)常被用作具有高選擇性的低損耗寬帶濾波器，例如在42°紅YX-LiTaO3基片或36°紅YX-LiTaO3基片上應(yīng)用。


圖1所示是一種簡單的單通道DMS濾波器的實施例。在此，該濾波器包含一條帶有輸入換能器E1和E2的通道和一個輸出換能器A，所述的換能器E1和E2被安裝在兩個反射器R1和R2之間。輸入與輸出換能器的端子之間也可相互交換，即用A作為輸入換能器，而E1、E2則作為輸出換能器。將這個通道的一個和多個輸出換能器連接到第二個并行通道的一個或多個輸入換能器也是可行的。這樣可以提高濾波器的選擇性。
DMS濾波器在一條聲學(xué)通道內(nèi)有兩個獨立的諧振頻率，它們定義了一個傳輸范圍。該傳輸范圍的左邊沿由格柵周期決定，而右邊沿則由兩個相互偏移的表面波結(jié)構(gòu)(輸入和輸出換能器)之間的諧振決定。與周期性的格柵相比，這兩個結(jié)構(gòu)彼此之間有一Δx大約為λ/4的位移。在此，間距Δx涉及表面波結(jié)構(gòu)的相鄰(電極)指條的指條中心。實際上，如圖1所示，在相對于兩個輸入換能器E1和E2的過渡處，輸出換能器A的兩個末端指條之一被優(yōu)選地增寬了近λ/4。這是為了用金屬表面來填補兩個結(jié)構(gòu)之間的空隙，因為在金屬表面下任何表面漏泄波都可得到更好的傳播。
這就導(dǎo)致了具有大大展寬了的指條結(jié)構(gòu)，其具有比其它指條明顯大得多的局部格柵周期p(由指條左右的兩個自由表面的中心點的間距決定)。這對周期性的格柵有明顯的干擾。圖2用示意圖表示了沿著橫坐標x-該表面波的傳播方向-在這兩個換能器結(jié)構(gòu)(表面波結(jié)構(gòu))的過渡區(qū)內(nèi)的指條周期p的變化過程。
在迄今使用的移動無線電系統(tǒng)(如GSM，標稱帶寬為25MHz)中，可以以在結(jié)構(gòu)過渡處的體波輻射形式來識別聲波的損失，但這并不能嚴格地說可以實現(xiàn)低損耗的濾波器。然而，為了提供更多的頻道，更寬的帶寬會被用在未來的移動無線電系統(tǒng)中(如EGSM，標稱帶寬為35MHz)。
一般而言，表面波濾波器的帶寬隨著金屬化層厚度的增加和指條數(shù)目的減少而增加?？缮鲜鰞煞N方法都會增加在結(jié)構(gòu)之間過渡處的損失。實際上，這些損失會導(dǎo)致用來確定頻帶右邊沿的、換能器/換能器諧振的品質(zhì)因數(shù)的減小，并因此減小上通帶的范圍。
尤其是在EGSM濾波器中，這種損失的影響太大，以至于上通帶范圍的減小必須要用其它的外部匹配單元來補償。外部的匹配可以減少通帶內(nèi)的脈動性，但是它仍存在一個很大的缺點，即在過渡處的損耗會增加這種濾波器的插入損失。這也只能是部分地滿足譬如EGSM所要求的規(guī)定。而且外部匹配網(wǎng)絡(luò)總是與額外的成本、重量、電路的表面積和制作費用有關(guān)，因此這對大多數(shù)用戶來說是不理想的。
因此，本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種可避免上述缺點的低損耗寬帶濾波器。
根據(jù)本發(fā)明，該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面波裝置來實現(xiàn)的。本發(fā)明的其它擴展方案由從屬權(quán)利要求給出。
本發(fā)明減少了濾波器的傳輸損失，這對插入損失的改善、尤其在上半通帶內(nèi)是很明顯的。這樣就增加了可用的帶寬，而且不需要任何外部的匹配網(wǎng)絡(luò)。
在設(shè)計寬帶、低損耗的表面波濾波器時(如用于EGSM或PCS/PCN的在42°紅YX-LiTaO3上的HF濾波器)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果過渡處的局部周期大于在過渡處兩邊的這兩個結(jié)構(gòu)的周期，則在準周期性的格柵內(nèi)也會產(chǎn)生形式為轉(zhuǎn)換成體波的附加損失。但與指條周期突然增加的硬過渡相比，這種轉(zhuǎn)換只有從一個特征開始頻率起才會發(fā)生，且該頻率與格柵的局部周期成反比。
因為本發(fā)明在過渡處使用的指條周期小于相鄰的表面波結(jié)構(gòu)的指條周期，所以有著不同相位和/或不同指條周期的表面波結(jié)構(gòu)在過渡處的損失明顯減少，或者完全消除。這就使得用于體波輻射的所述開始頻率位于所需的濾波器傳輸范圍之上。而表面波結(jié)構(gòu)之間的過渡是準周期性的，也就是說在兩個表面波結(jié)構(gòu)之間的波過渡區(qū)內(nèi)構(gòu)造一個準周期性結(jié)構(gòu)，這種準周期性結(jié)構(gòu)形成了從第一表面波結(jié)構(gòu)的指條周期p和/或相位到第二表面波結(jié)構(gòu)的指條周期p和/或相位的連續(xù)過渡。
根據(jù)過渡處的非連續(xù)程度來形成具有足夠多指條數(shù)目的準周期過渡區(qū)域。即使非連續(xù)性相當大，在每個表面波結(jié)構(gòu)的末端也只需數(shù)目為3到4個的指條就足以抑制損失。因此，所選的過渡區(qū)域不必大于避免損失所需的區(qū)域，否則將對濾波器的傳輸特性產(chǎn)生負面影響。
根據(jù)本發(fā)明，所需的過渡區(qū)可以通過如下方式獲得，即第一表面波結(jié)構(gòu)的指條周期一開始就在過渡區(qū)域連續(xù)降低，最后又連續(xù)增加直至達到第二表面波結(jié)構(gòu)的指條周期。
從本發(fā)明的意義上講，表面波結(jié)構(gòu)可理解為叉指式換能器和反射器。因此，本發(fā)明所設(shè)計的過渡不僅可出現(xiàn)在兩個叉指式換能器之間，也可出現(xiàn)在叉指式換能器和反射器之間，以及出現(xiàn)在兩個反射器之間，因此，本發(fā)明用在DMS濾波器和單端口諧振器中時優(yōu)勢尤其明顯。用于后者時，反射器具有與叉指式換能器不同(更大)的指條周期。
為了減小過渡區(qū)的指條周期，指條的寬度和指間距都連續(xù)被減小。
金屬化比率η(η=在表面波結(jié)構(gòu)一個周期內(nèi)金屬化表面與未金屬化表面面積之比)被選為0.7到0.8時可減少表面漏泄波的速度，從而進一步拉大體波轉(zhuǎn)換時的所述開始頻率至通帶的間距。所以這也就減少了體波損失帶來的影響。
如果表面波裝置的反射器與地相連，就同樣有可能減少傳輸損失，因為這將使得反射器內(nèi)的電荷交換損失大量減少。
在以下內(nèi)容中將參看實施例和五個附圖對本發(fā)明進行更詳細的介紹，其中圖1示出了一種已知的單通道DMS濾波器；圖2示出了上述濾波器(見圖1)沿著橫坐標的指條周期變化過程；圖3示出了本發(fā)明表面波裝置的指條周期的變化過程；圖4a示出了兩個硬過渡的表面波結(jié)構(gòu)，其中圖4b所示的表面波裝置在兩個表面波結(jié)構(gòu)之間具有根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的過渡區(qū)，以作比較；圖5示出了本發(fā)明濾波器和已知濾波器的通帶特性的測量曲線比較。
圖1所示是一種已知的單通道DMS濾波器，其中，在兩個反射器R1和R2之間放置了兩個并聯(lián)的輸入換能器E1和E2，在E1和E2中間有一個輸出換能器A。“輸入”和“輸出”表示用于輸入和輸出的電氣端子。衡量指條間距的指條周期p在下文中被定義為兩個指條之間的自由空間中心到下一兩個相鄰指條之間的自由空間中心的間距。在DMS濾波器的示意圖中，輸出換能器A相對于兩個輸入換能器E1和E2有偏移，其中指條周期在兩個相互移位的換能器的過渡E1/A或A/E2處都是不連續(xù)的。
圖2所示是該換能器的指條周期在從換能器E1過渡到換能器A的區(qū)域內(nèi)的變化過程，兩個換能器彼此之間的移位可描述成一個突然上升的指條周期，然后又陡然下降到一個固定值?？梢钥闯觯舜酥g相互移位的兩個換能器A和E2之間也會發(fā)生相同的硬過渡。為了填補兩個有金屬化表面的結(jié)構(gòu)之間的空隙，可展寬換能器A兩個外部的末端指條。由兩個表面波結(jié)構(gòu)(此處為兩個換能器的情況)之間過渡處的指條周期變化過程的這種不連續(xù)所引起的缺陷在文章開頭已作過解釋。
圖3所示是本發(fā)明的表面波裝置在第一表面波結(jié)構(gòu)St1到第二表面波結(jié)構(gòu)St2的過渡區(qū)域內(nèi)的指條周期p的變化過程。在該過渡區(qū)域內(nèi)，指條周期p不斷變化，其值要比兩個結(jié)構(gòu)St1和St2內(nèi)的周期都低。在該過渡區(qū)域外，即在兩個結(jié)構(gòu)St1和St2內(nèi)，可假定指條周期是固定值，但表面波結(jié)構(gòu)之間可以是不同的固定值。在此，上述表面波結(jié)構(gòu)可以是叉指式換能器或反射器，其中過渡可能是換能器之間，也可能是換能器和反射器之間。
圖4用一個實施例顯示了本發(fā)明的兩個相互移位的表面波結(jié)構(gòu)St1和St2之間的過渡處是怎樣設(shè)計的。為了比較，圖4a顯示了一個已知的硬過渡，這種過渡已在圖1中描述過了。其中兩個末端指條之一被展寬了。圖4b顯示了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的過渡。在此，指條周期p在結(jié)構(gòu)St1的最后三個指條中連續(xù)地縮短，又在相鄰結(jié)構(gòu)St2的最外三個指條中同樣連續(xù)地變長。與一種已知的采用硬過渡的裝置相比，這種裝置大量減少了兩個結(jié)構(gòu)過渡處的散射損失。
而且，例如圖4b所示的根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的過渡處很容易制作，因為不論是指條寬度還是指間距離都與“正常”的指條寬度和指間距離沒有太大的不同。
圖5所示是具有相互移位的表面波結(jié)構(gòu)的三個表面波濾波器的通帶曲線。圖1所示的DMS濾波器便是一個例子，其通帶特性如圖5中的曲線1所示。從圖1中的DMS濾波器還可得到通帶曲線2，不過該濾波器有一個連續(xù)的指條周期變化過程。在這種結(jié)構(gòu)中，末端的指條沒有被展寬，不過，過渡處兩邊的兩個結(jié)構(gòu)之間最外的三個指條間隔很大，因此過渡處的指條周期局部地增大。從測量曲線2可清楚地看出，用這種方法設(shè)計的DMS濾波器比圖1所示的濾波器的通帶特性要差得多。相反，用本發(fā)明所設(shè)計的DMS濾波器可測出通帶曲線3，其中兩個相互移位的換能器(表面波結(jié)構(gòu))的過渡區(qū)域內(nèi)的指條周期與圖1中的已知OFW(表面渡)濾波器相比被縮短了，原因是前者加入了一個附加的指條。這種情況下，兩個換能器內(nèi)的指條寬度和指條間距沿著過渡區(qū)域不斷減小。由圖5可知，根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的這種濾波器有較好的傳輸特性，這從較小的衰減和更均勻的通帶曲線可以看出。所述較小的衰減尤其是位于通帶曲線右邊沿的區(qū)域里，它是通過過渡區(qū)域內(nèi)的較低散射損耗來獲得的。
實現(xiàn)DMS濾波器的更詳細的參數(shù)將在下文中以實施例的方式給出，該濾波器適用于在中頻為942.5MHz時標稱帶寬為35MHz的EGSM系統(tǒng)。
用帶有42°紅YX晶片的鉭酸鋰LiTaO3作基片。表面波結(jié)構(gòu)被淀積的金屬化層厚度采用相關(guān)波長的9-11％，比如420nm。由此提供了所需的35MHz的帶寬。此濾波器通帶曲線的右邊沿是兩個互移Δx的換能器之間諧振的結(jié)果，通過選擇Δx=(0.25±0.05)λ可以調(diào)節(jié)滿足EGSM的規(guī)定。在兩個移位的換能器之間，指條周期的準周期性的過渡可以一共含蓋5到8個指條。在換能器A(見圖1)中，電極指條的總數(shù)可以優(yōu)選地在27-35之間進行選擇，而換能器E1和E2的指條數(shù)應(yīng)在20-24之間。這將導(dǎo)致濾波器的脈動性和邊沿陡度最優(yōu)化。
EGSM所需的選擇性可以從具有兩個在過渡區(qū)依本發(fā)明設(shè)計的雙通道的濾波器中獲得。不過孔徑應(yīng)選在50×λ和70×λ之間，以使得輸入和輸出阻抗都是50Ω。
具有本發(fā)明表面波裝置的整個濾波器也可涉及對稱/不對稱工作的實施形式。這被理解為如下的濾波器，其中不對稱的信號可以加在輸入端或輸出端，也就是說兩個端子中一個帶有信號，而另一個則與地相連。在濾波器的另一端，在兩個端子處出現(xiàn)對稱信號，該兩個端子上的信號具有相同的絕對幅度，不過具有相反的數(shù)學(xué)符號或者相位相差180°。
本發(fā)明還可應(yīng)用在對稱/不對稱運行的DMS濾波器中，其中輸入輸出阻抗是不同的。輸入或輸出阻抗可通過加權(quán)來實現(xiàn)調(diào)整，或通過把換能器垂直或水平地劃分成子換能器結(jié)構(gòu)來進行調(diào)整，例如兩個較早的德國專利申請197 24 258.8和197 24 259.6曾這樣建議過。
中心叉指式換能器(A)和兩個外部的叉指式換能器(E1,E2)之間的間距也可以是大不不同的。
進一步的改進涉及一種被構(gòu)造為雙通道裝置的濾波器，其中在兩個通道中反射器(R)的指條周期p是大不相同的。
本發(fā)明亦可用在諧振濾波器中，其中相互移位的換能器和反射器之間的過渡處是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計的。例如，可以構(gòu)造一個包含許多串聯(lián)和/或并聯(lián)單端口諧振器的電抗濾波器，并且在至少一個單端口諧振器中，叉指式換能器和反射器的不同指條周期(p)之間具有一個過渡。
權(quán)利要求
1.一種表面波裝置，具有以下特征一種壓電基片，裝配在所述基片上、被依次安排在表面波的傳播方向上、并由金屬指條組成的第一和第二表面波結(jié)構(gòu)(A,E,R)，所述表面波結(jié)構(gòu)具有第一或第二指條周期(p)，在從所述第一表面波結(jié)構(gòu)過渡到所述第二表面波結(jié)構(gòu)的過渡區(qū)內(nèi)，所述的指條周期(p)有一連續(xù)的變化過程，而且在該過渡區(qū)內(nèi)比兩個相鄰的表面波結(jié)構(gòu)內(nèi)的指條周期要小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面波裝置，其中，所述過渡區(qū)是由所述兩個表面波結(jié)構(gòu)的末端5到8個指條形成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的表面波裝置，其中，所述第一表面波結(jié)構(gòu)的指條周期(p)在過渡區(qū)一開始便連續(xù)減小，最后又連續(xù)增加直到達到第二表面波結(jié)構(gòu)的指條周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的表面波裝置，其中，所述兩個表面波結(jié)構(gòu)中至少有一個被構(gòu)造為叉指式換能器的形式(A,E)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面波裝置，其中，所述第二表面波結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為反射器(R)的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的表面波裝置，其中，所述兩個表面波結(jié)構(gòu)都被構(gòu)造為反射器(R)的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的表面波裝置，其中，所述表面波結(jié)構(gòu)的指條寬度在過渡區(qū)內(nèi)先減小后增大。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的表面波裝置，其中，所述表面波結(jié)構(gòu)的金屬化比率η在0.7到0.8之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的表面波裝置，它被構(gòu)造為一種雙模式表面波濾波器(DMS濾波器)的形式，其中在一條聲學(xué)通道上的兩個反射器之間裝設(shè)被用作輸入或輸出換能器的叉指式換能器，而且所述的表面波結(jié)構(gòu)是從叉指式換能器和反射器中選出來的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的表面波裝置，其中，所述的反射器與地相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的表面波裝置，其中，所述表面波結(jié)構(gòu)的金屬層高度是屬于該表面波結(jié)構(gòu)的聲表面波波長的9-11％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11所述的表面波裝置，被安裝在42°紅YX-LiTaO3基片或36°紅YX-LiTaO3上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一所述的表面波裝置，具有被依次安裝在兩個反射器(R1,R2)之間的三個叉指式換能器(A,E1,E2)，其中與第一端子(輸出)相連的中心叉指式換能器具有數(shù)目為27-35的電極指條，相比之下，與第二端子(輸入)相連的兩個較外的叉指式換能器(E1,E2)的電極指條數(shù)目為20-24。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的表面波裝置，其中，所述的中心叉指式換能器(A)和兩個較外的叉指式換能器(E1,E2)之間的間距是大不相同的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一所述的表面波裝置，它被構(gòu)造為雙通道裝置的形式，其中所述反射器(R)的指條周期(p)在兩個通道中是大不相同的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-8之一所述的表面波裝置，它被構(gòu)造為帶有單端口諧振器的電抗濾波器形式，在至少一個單端口諧振器內(nèi)，叉指式換能器和反射器的不同指條周期(p)之間有一個過渡。
全文摘要
為了減少表面波信號在傳輸過程中的散射損失,本發(fā)明建議對兩個相互移位的表面波結(jié)構(gòu)的過渡處進行如下設(shè)計,使得過渡區(qū)域的指條周期減小,而且該指條周期在該過渡區(qū)域內(nèi)連續(xù)地變化。
文檔編號H03H9/64GK1325562SQ99812800
公開日2001年12月5日 申請日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月28日
發(fā)明者T·保爾, G·科瓦克斯, U·雷斯勒, W·魯伊勒 申請人:埃普科斯股份有限公司