專利名稱：具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及聲學技術中的一種聲表面波濾波器(以下簡稱SAW濾波器)，特別是涉及一種具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器。
背景技術：
常規(guī)的具有扇形結構的聲表面波濾波器1，如圖1所示，如文獻1、IEEE 1998 Ultrasonics Sypisium Proceedings pp 27-37中所述的其中兩個扇形換能器3、4采用控制電極寬度單相單向結構(簡稱EWC/SPUDT)。在圖1中2為壓電基片，換能器3、4的單向性是由置于器件中間的反射電極5實現(xiàn)，尤其是反射電極5所指示的所有反射電極的作用是使輻射聲波在指向另一個換能器的方向輻射同相相加，在背離另一個換能器的方向反相相消。
作為另一個例子，常規(guī)的SAW諧振式單相單向濾波器2，如圖2所示，該類型濾波器在文獻2、IEEE 1994 Ultrasonics SypisiumProceedings pp 1-6中進行了介紹，它由兩個如圖2所示的諧振式換能器9、10組成。其中圖2中2為基片；以左向右為正向，11代表一個正向諧振式單相單向單元；12代表一個反向諧振式單相單向單元。換能器9由若干個與11相同的換能器單元電端并聯(lián)而成，換能器10由若干個與12相同的換能器單元電端并聯(lián)而成。該結構是基于EWC/SPUDT變換而成，換能器換能陣指條寬度為八分之一波長，反射柵的反射寬度可以變化，該結構在換能器中形成諧振腔，從而可以實現(xiàn)比普通SPUDT更高的矩形系數(shù)。其中諧振式單相單向換能器單元可以為如圖3(a)，圖3(a)中13代表正向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分，14代表反向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分。圖3(b)中正向反射柵部分對應圖3(a)中13，反向向反射柵部分對應圖3(a)中14，空反射柵對應于反射柵抽指加權。作為本例圖3(a)中諧振式單相單向換能器的改進型，如文獻3、IEEE 1998Ultrasonics Sypisium Proceedings pp 47-50中所介紹諧振式單相單向換能器的換能器單元可以是如圖4中的兩種結構。
如上所述，濾波器1采用的EWC/SPUDT型的扇形濾波器，可以獲得濾波器的矩形系數(shù)和低的插入損耗。而在濾波器2中，由諧振式單相單向換能器結構組成的濾波器有如下特性，它能夠在換能器中間形成諧振腔，增長脈沖響應長度，從而可以在器件尺寸不變的前提下實現(xiàn)更小的矩形系數(shù)，或者是矩形系數(shù)一定地情況下，減小器件尺寸。但是有些情況諧振式單相單向換能器結構不實用，例如寬帶濾波器。扇形濾波器的指條是傾斜形的，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，扇形濾波器的頻率響應可以根據(jù)如下方式求出把整個扇形濾波器的孔徑微分成若干小的通道尾首串聯(lián)，如圖1所示，每一通道j稱為副濾波器(sub-filter)。對于副濾波器(如圖1中的第j通道)，當其孔徑相對于扇形濾波器中心頻率處對應的波長足夠小的時候，該副濾波器就可以看成是一個孔徑非傾斜的普通濾波器。副濾波器的中心頻率由副濾波器的指條寬度決定，即由波長決定，扇形換能器中扇形的窄端對應頻率高的副濾波器，扇形的寬端對應頻率低的副濾波器。如圖2中陰影標識部分的11。同普通均勻孔徑濾波器一樣，每一副濾波器中包含左右兩換能器如圖1中陰影標識部分7，8，這樣，副濾波器就可以當作孔徑均勻普通濾波器來計算，副濾波器的頻率響應也就可以根據(jù)普通濾波器的方法求解，扇形濾波器總的頻率響應等于所有副濾波器頻率響應的和。濾波器1采用的扇形換能器結構雖然可以作到較小的矩形系數(shù)，但是在某些特殊應用的情況下，如相同器件尺寸的前提下要求更小的矩形系數(shù)，或者在相同的矩形系數(shù)情況下要求更小器件尺寸時，采用常規(guī)方法的扇形濾波器是不能滿足要求的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種由壓電基片和兩個單相單向扇形換能器組成的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，它能夠在保持現(xiàn)有扇形濾波器優(yōu)點，同時尺寸保持不變，達到進一步減小濾波器的矩形系數(shù)，或者矩形系數(shù)不變時達到進一步減小器件尺寸的目的，從而解決現(xiàn)有技術尚難解決的問題。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，包括在壓電基片上沿聲波傳播方向上有兩個采用半導體平面工藝制作的扇形換能器，其特征在于所述的扇形換能器采用諧振式單相單向結構，該扇形換能器沿聲表面波方向分為任意個副濾波器，其中副濾波器之間采用串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)混合相連，如圖5所示。
所述的副濾波器之間采用串聯(lián)是副濾波器依次與其緊鄰的下一個副濾波器尾首相連。
所述的副濾波器之間采用并聯(lián)是尾首相連的每個副濾波器的電端之間采用并聯(lián)結構，如圖6(a)所示的扇形濾波器分為兩個副濾波器，這兩個副濾波器電端并聯(lián)，即其上面副濾波器窄端通過電極與它緊相連的下面副濾波器的寬端相連，緊鄰兩副濾波器連接電極的上下指條連接位置相同，連接在兩副濾波器的電極由輸入端與地端交替出現(xiàn)，然后通過電極分別把所有的輸入端、地端連到一起。
所述的副濾波器之間采用分段串聯(lián)，其中副濾波器由左右兩個諧振式單相單向換能器組成，其中每一個諧振式單相單向換能器包括2個或者2個以上諧振式單相單向單元，(如圖3(a)、4所示)，每個諧振式單相單向單元電端間可以采用分段串聯(lián)，如圖6(c)所示，每一副濾波器的換能器采用諧振式單相單向單元結構串聯(lián)，即換能器的左右緊鄰兩諧振式單相單向單元之中，其中第一單元接上下電極的指條倒向，然后選兩單元中電極寬的一端或者窄的一端相聯(lián)，另一端斷開，形成副濾波器中的換能器的分段串聯(lián)結構，最后每個副濾波器尾首連接，形成這個扇形換能器的串聯(lián)結構，如圖6(b)所示。
所述的副濾波器中的諧振式單相單向單元間可以采用串、并聯(lián)混合結構，即可以先按并聯(lián)結構形成幾個副濾波器并聯(lián)，然后對每一副濾波器采用分段串聯(lián)結構；或者可以先對每一副濾波器采用分段串聯(lián)，然后對串聯(lián)后的每段采用并聯(lián)結構連接，如圖6(d)是先分為兩副濾波器并聯(lián)然后對每副濾波器采用兩段串聯(lián)。
還包括諧振式單相單向扇形濾波器的指條可以進行孔徑加權，使濾波器的指條成彎曲形狀；如圖7所示。
還包括諧振式單相單向扇形濾波器中的單個換能器中的反射電極可采用EWC/SPUDT加權、抽指加權或者兩者相結合。所述的扇形濾波器的指寬由其頻率響應的通帶頻率決定扇形濾波器最寬端對應的波長λmax對應于通帶的最低端頻率f0-BW/2，其最窄端對應的波長λmin對應于通帶頻率的最高端頻率f0+BW/2，濾波器中間的指寬對應的波長λ(f)于其頻響通帶中間相對應的頻率f。f0濾波器的中心頻率，BW濾波器的帶寬。對于頻響通帶的每一頻率點的副濾波器對應于一個普通諧振式單相單向濾波器。所以副濾波器的指寬與排列方式同普通諧振式單相單向濾波器相同。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明提供的具有單相單向結構的聲表面波諧振式扇形濾波器在器件尺寸一定情況下，與常規(guī)的單相單向扇形換能器相比，諧振式單相單向扇形濾波器能夠實現(xiàn)大約兩倍普通換能器長才能實現(xiàn)的矩形系數(shù)；當器件矩形系數(shù)一定的情況下，器件中扇形換能器長度可以減小一半。與常規(guī)的諧振式單相單向濾波器相比，常規(guī)諧振式單相單向濾波器相對帶寬通常小于10％，諧振式單相單向扇形濾波器繼承了扇形濾波器的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)更寬的帶寬，帶寬可達到30％以上。


圖1是常規(guī)EWC/SPUDT式扇形濾波器的一平面略圖。
圖2是常規(guī)諧振式單相單向結構濾波器的一平面略圖。
圖3(a)是是在垂直于晶片與指條的面中，一常規(guī)諧振式單相單向結構濾波器中可以采用的諧振式單相單向單元結構的一切面略圖；其中指寬窄的為1/8波長，寬的為1/8-3/8波長；虛線間距為1個波長；圖3(b)正向反射柵部分對應圖3(a)中13，反向向反射柵部分對應圖3(a)中14，空反射柵對應于反射柵抽指加權。
圖4是在垂直于晶片與指條的面中，一常規(guī)諧振式單相單向結構濾波器中可以采用的改進型諧振式單相單向單元結構的一切面略圖；圖中指寬窄的為1/8波長，寬的為1/8-3/8波長；
圖5是本發(fā)明的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器結構的一平面略圖。
圖6(a)是本發(fā)明的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器中，采用并聯(lián)結構的扇形濾波器的一平面略6(b)是本發(fā)明的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器中，采用串聯(lián)結構的扇形濾波器的一平面略圖。
圖6(c)是本發(fā)明的副濾波器采用串聯(lián)結構的一平面略圖。
圖6(d)是本發(fā)明的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器中，采用串并聯(lián)混合結構的副濾波器的一平面略圖。
圖7是本發(fā)明的一采用可用于扇形濾波器的孔徑加權扇形濾波器平面略圖。
圖8是本發(fā)明的波濾器實施例的平面示意圖。
圖9是本發(fā)明的又一種波濾器實施例的平面示意圖。
圖10是本發(fā)明的另一種波濾器實施例的平面示意圖。
圖面說明1-濾波器 2-基片3-扇形濾波器的左換能器 4-扇形濾波器的右換能器5-反射柵條 6-副濾波器7-副濾波器的左換能器 8-副濾波器的右換能器9-諧振式濾波器的左換能器 10-諧振式濾波器的右換能器11-正向諧振式單相單向單元12-反向諧振式單相單向單元13-正向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分，14-反向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分具體實施方式
實施例1按圖5制作一具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，中心頻率為f0＝49MHz，帶寬方BW＝14MHz。副濾波器采用如圖2所示的常規(guī)諧振式單相單向換能器結構，其副濾波器的諧振式單相單向單元采用圖3(a)單元。圖3(a)中13代表正向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分，14代表反向反射柵區(qū)間中以波長為周期的部分。圖3(b)中正向反射柵部分對應圖3(a)中13，反向反射柵部分對應圖3(a)中14，空反射柵對應于反射柵抽指加權。該濾波器1包括在型號為YX-128°的鈮酸鋰基片2沿聲波傳播方向上，采用半導體平面工藝制作兩個扇形換能器3、4，鍍鋁膜厚1500埃，孔徑為100λ0，扇形濾波器指條排列方式為左換能器3由128個同圖2中的正向諧振式單相單向單元11，不分段構成。右換能器4由84個如圖2中反向諧振式單相單向單元12，不分段構成。λ0扇形換能器中心頻率對應的波長。
所述的扇形換能器的指寬由其頻率響應的通帶頻率決定即扇形濾波器最寬端對應的波長λmax為對應于通帶的最低端頻率f0-BW/2即42MHz，其最窄端對應的波長λmin對應于通帶頻率的最高端頻率f0+BW/2即56MHz。所以扇形換能器的最寬端反射柵條(電極)5、換能電極(反射柵條以外的指條)、指條間距的寬度分別是1/4λmax和1/8λmax，1/8λmax，最窄端反射柵條(電極)5與換能電極(反射柵條以外的指條)寬度分別是1/4λmin和1/8λmin，1/8λmin。這樣每根指條由最寬端與最窄端連接成一個梯形指條，梯形的高即扇形換能器的孔徑。
由于所有副濾波器均采用諧振式單相單向濾波器2，所以能夠達到比普通單相單向濾波器更高的矩形系數(shù)。所有副濾波器頻率響應的和即總的扇形換能器的頻率響應，因此該結構又具有普通扇形換能器大的相對帶寬的優(yōu)點。
實施例2按圖9制作一具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，扇形濾波器中心頻率f0＝65MHz，帶寬BW＝9MHz。其基本結構與實施例1相同。不同處為基片材料型號為YZ鈮酸鋰，鋁膜厚1600埃，左換能器3按圖6(b)均分為兩段串聯(lián)構成。即其中副濾波器按圖6(c)所示。每一副濾波器的左換能器采用諧振式單相單向單元結構串聯(lián)，即左換能器的左右緊鄰兩諧振式單相單向單元之中，其中地一單元接上下電極的指條倒向，然后選兩單元中電極寬的一端或者窄的一端相聯(lián)，另一端斷開，形成副濾波器中的換能器的分段串聯(lián)結構，最后每個副濾波器尾首連接，形成這個扇形換能器的串聯(lián)結構。
實施例3按圖9制作一具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，扇形濾波器中心頻率f0＝70MHz，帶寬BW＝9MHz。其基本結構與實施例1相同。不同處為基片材料石英，鋁膜厚1200埃，左換能器的兩副濾波器之間采用并聯(lián)結構，如圖6(a)所示的扇形濾波器分為兩個副濾波器，這兩個副濾波器電端并聯(lián)，即其上面副濾波器窄端通過電極與它緊相連的下面副濾波器的寬端相連，緊鄰兩副濾波器連接電極的上下指條連接位置相同，連接在兩副濾波器的電極由輸入端與地端交替出現(xiàn)，然后通過電極分別把所有的輸入端、地端連到一起。換能器指條排列方式采用海明加權后抽指加權實現(xiàn)，指對數(shù)為186對，諧振單元采用如圖2中的正向諧振式單相單向單元11，反射柵采用換能器時域卷積后抽指加權實現(xiàn)。右換能器采取由260個如圖2中的反向諧振式單相單向單元12沒有分段的諧振式單相單向單元構成的換能器，反射柵采用換能器時域卷積后抽指加權實現(xiàn)?？讖綖?0λ0。
實施例4按圖10制作一具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，扇形濾波器中心頻率f0＝60MHz，帶寬BW＝8.2MHz。其基本結構與實施例3相同。不同之處為基片材料型號為36°Y切鉭酸鋰，鋁膜厚1300埃，左換能器分為兩等孔徑的副濾波器，兩副濾波器之間采用并聯(lián)結構，同實施例3，副濾波器內部均采用串聯(lián)結構，同實施例2。制作如兩副濾波器的左換能器采用如圖2的正向諧振單元數(shù)70，右換能器如圖2的反向諧振單元數(shù)為100?？讖綖?0λ0。
諧振式單相單向扇形濾波器的具體制作步驟如下由器件提出的矩形系數(shù)要求，初步確定單個副濾波器的矩形系數(shù)。再根據(jù)通常的優(yōu)化方法求得同一通道中兩個副濾波器的諧振式單相單向單元的組合結構，并求得該副濾波器的頻率響應；每一副濾波器對應一中心頻率，扇形濾波器的副濾波器中心頻率對應與其波長(最窄指寬為1/8波長)，最寬端的副濾波器中心頻率對應于扇形濾波器的通帶頻率的最低點，最窄端的副濾波器中心頻率對應于扇形濾波器的通帶頻率的最高點；對于不同的副濾波器有不同的中心頻率，根據(jù)相同的原理求出所有副濾波器的頻率響應，然后對所有副濾波器求和，得到總的濾波器響應。
權利要求
1.一種具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，包括在壓電基片上沿聲波傳播方向上有兩個采用半導體平面工藝制作的扇形換能器，其特征在于所述的扇形換能器采用諧振式單相單向結構，該扇形換能器沿聲表面波方向分為任意個副濾波器，其中副濾波器之間采用串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)混合相連。
2.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于所述的副濾波器之間采用串聯(lián)是所有副濾波器與其緊鄰的下一個副濾波器尾首相連。
3.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波諧振式扇形濾波器，其特征在于所述的副濾波器之間采用電端并聯(lián)；其上面副濾波器窄端通過電極與它緊相連的下面副濾波器的寬端相連，緊鄰兩副濾波器連接電極的上下指條連接位置相同，連接在兩副濾波器的電極由輸入端與地端交替出現(xiàn)，然后通過電極分別把所有的輸入端、地端連到一起。
4.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于所述的副濾波器之間連接采用副濾波器與其緊鄰的下一個副濾波器尾首相連，包括每個諧振式單相單向單元電端間采用分段串聯(lián)；其中左換能器的左右緊鄰兩諧振式單相單向單元之中的一單元接上下電極的指條倒向，然后選兩單元中電極寬的一端或者窄的一端相聯(lián)，另一端斷開，形成副濾波器中的換能器的分段串聯(lián)結構，最后每個副濾波器尾首連接形成分段串聯(lián)結構。
5.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于所述的副濾波器之間連接采用濾波器中的諧振式單相單向單元可以采用串、并聯(lián)混合結構。
6.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于還包括諧振式單相單向扇形濾波器中的單個換能器中的反射電極可采用控制電極寬度加權、抽指加權或者兩者相結合。
7.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于副濾波器的指寬由其頻率響應的通帶頻率決定，其扇形濾波器的指寬的最寬端對應的指寬對應于通帶的最低端頻率，其最窄端對應的指寬對應于通帶頻率的最高端頻率，濾波器中間的指寬對應于其頻響通帶中間相對應的頻率。
8.按權利要求1所述的具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，其特征在于所述的副濾波器中由左右兩個諧振式單相單向換能器組成，其中每一個諧振式單相單向換能器由2個或者2個以上諧振式單相單向單元組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有單相單向結構的聲表面波扇形濾波器，包括在壓電基片上沿聲波傳播方向上有兩個采用半導體平面工藝制作的扇形換能器，所述的扇形換能器采用諧振式單相單向結構，該扇形換能器沿聲表面波方向分為任意個副濾波器，其中副濾波器之間采用串聯(lián)、并聯(lián)或串、并聯(lián)混合相連。該扇形濾波器在器件尺寸一定情況下，與常規(guī)的單相單向扇形換能器相比實現(xiàn)大約兩倍普通換能器長才能實現(xiàn)的矩形系數(shù)；當器件矩形系數(shù)一定的情況下，器件中扇形換能器長度可以減小一半。與常規(guī)的諧振式單相單向濾波器相比，常規(guī)諧振式單相單向濾波器相對帶寬通常小于10％，諧振式單相單向扇形濾波器繼承了扇形濾波器的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)更寬的帶寬，帶寬可達到30％以上。
文檔編號H03H9/00GK1442951SQ02104118
公開日2003年9月17日 申請日期2002年3月6日 優(yōu)先權日2002年3月6日
發(fā)明者李紅浪, 何世堂 申請人:中國科學院聲學研究所