LGS声表面波滤波器的设计研究

1.引言

压电晶体的压电效应和逆压电效应在科学技术领域得到了广泛的应用。压电晶体作为基片制备出的声表面器件因其优良的电性能，易于实现器件小型化，被广泛的应用于通讯，雷达，导航等。近年来，新型压电晶体材料A3BC3D2O14硅酸镓镧结构晶体在声表面波、体表面波滤波器以及传感器等方面得到了广泛的应用。镓镧系列材料如La3Ga5.5Nb0.5O14(LGN)、La3Ga5.5Ta0.5O14(LGT)和La3Ga5SiO14(LGS)具有声表面波速度小，机电耦合系数大等特点，有利于制备器件的小型化。另外，这类晶体的熔点很高，在高温下比较稳定，可以用来制备高温传感器，滤波器。本文设计了LGS晶体滤波器，介绍其结构，计算了声表面波滤波器的频率响应特性，与石英进行比较，为声表面波器件的制备打下理论基础。

2.声表面波滤波器的基本结构

2.1 声表面波滤波器基本结构

声表面波滤波器的基本结构如图1所示，它是在压电基片上制备出输入电声换能器和输出声电换能器。

2.2 声表面波传输原理

输入叉指换能器将电信号转换为声信号，在基片表面上传播，经过一定的延迟后，输出叉指换能器再将声信号转换为电信号输出。滤波的过程是在电转声和声转电的过程中实现的。所以我们可以将声表面波滤波器等效的看作一个两端口的无源网络，如图2所示。

图中H1(ω)表示的是输入叉指换能器的频率响应，H2(ω)表示的是输出叉指换能器的频率响应，H3(ω)表示的是声表面波在两叉指换能器之间的传输特性。假设声表面波的波速为Vs,由于Vs是非色散性的，所以H3(ω)可等效的看作一个有一定延时t0的时延网络。输入换能器和输出叉指换能器中心间距离为L,则有：

式中A3为常数，一般情况下记为1.因此，声表面波滤波器总的传输函数为：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)H3(ω)

根据傅里叶变换特性，考虑到|H(ω)≈1,因此，不计入H(ω)。则声表面波滤波器的频率响应为：

H(ω)=H1(ω)H2(ω)

对应的脉冲响应h(t)为：

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

其中h1(t)和h2(t)分别表示输入换能器和输出叉指换能器的脉冲时间响应。

3.结果与分析

我们选定叉指换能器的压电基片是LGS晶体(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,声孔径3mm,金属电极宽度与IDT周期比2w/p=0.5,k2=0.34%,η=0.8472422,Cs=0.964F/m,h0=1.8883F/m.我们将其中输入IDT设计为：指对为28(等间距)，孔径为45个波长。输出IDT指对为40(等间距)，孔径为60个波长，两者相隔20个波长的距离。依我们计算了IDT的频率特性响应曲线，并与石英制备的声表面波滤波器的结果进行对比，计算结果如图3所示。

从图3可以看出，LGS制备的SAWF比石英制备的SAWF的插入损耗要小很多，证明了LGS用于制备声表面波器件方面占优势，易于器件的小型化。

4.结论

我们设计了LGS晶体声表面波滤波器，计算了滤波器的频率响应特性，并与石英晶体滤波器的频率特性响应进行了比较，得出了LGS的SAWF比石英SAWF的插入损耗要小很多，证明了LGS用于制作SAWF方面更具优势，是非常有诱惑力的SAW滤波器新材料。