薄膜體聲波濾波器的材料、設(shè)計及應(yīng)用

因此,可以通過下式算出等效電路各分立元件的參數(shù)值:
以上定義的BVD模型中各個分立元件的參數(shù)值都是緊密相關(guān)的,不可單獨(dú)調(diào)整某個元件參數(shù)值來改善濾波器的整體性能。BVD模型的阻抗特性與實(shí)際應(yīng)用情況較接近,并且具有結(jié)構(gòu)簡單的顯著優(yōu)點(diǎn),因此,BVD模型成為設(shè)計濾波器的一種首選方案。
將多個諧振器通過某種方式連接可以構(gòu)成符合各種需求的濾波器。如圖3所示,通常有兩種連接方式[21]:一種是以FBAR為基本單元,通過梯型級聯(lián)或格型橋接的方式構(gòu)成濾波器網(wǎng)絡(luò);另一種是將諧振器通過機(jī)械耦合連接形成濾波器,它利用FBAR激勵的聲波在厚度方向傳播的屬性,將多個諧振器在厚度方向疊加構(gòu)成晶體疊層型濾波器(SCF);或者通過一耦合層將它們連接起來構(gòu)成耦合諧振濾波器(CRF)[22]。不同結(jié)構(gòu)形式的濾波器具有各不相同的優(yōu)缺點(diǎn),因此可以將它們相互連接構(gòu)成所需要的濾波器結(jié)構(gòu)。
圖3(a)為梯型級聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器,由于其FBAR單元在制作過程中能單獨(dú)進(jìn)行阻抗和中心頻率的優(yōu)化,同時可以采用相對簡單的連接方式,因此梯型級聯(lián)結(jié)構(gòu)成為最常用的濾波器結(jié)構(gòu)。梯型結(jié)構(gòu)的濾波器由1組串聯(lián)諧振器和1組并聯(lián)諧振器構(gòu)成。優(yōu)化這種結(jié)構(gòu),是尋求低插入損耗和高抑制頻帶衰減的1種平衡;增加連接的級數(shù)能有效提高帶外抑制衰減,但也會因為連接的諧振器數(shù)量的增加而導(dǎo)致插入損耗的增大[23]。諧振器有兩個特征頻率,在諧振頻率點(diǎn)fr處阻抗最小,而在反諧振頻率點(diǎn)fa處阻抗最大。圖4(a)為由1個串聯(lián)諧振器和1個并聯(lián)諧振器級聯(lián)構(gòu)成的最簡單的級聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)。并聯(lián)FBAR的反諧振頻率fa與串聯(lián)FBAR的諧振頻率fr相近,以實(shí)現(xiàn)濾波器的通帶中心頻率;串聯(lián)FBAR的反諧振頻率fa構(gòu)成濾波器的上阻帶衰減點(diǎn),并聯(lián)FBAR的諧振頻率fa構(gòu)成濾波器的下阻帶衰減點(diǎn)[24]。圖4(b)為相應(yīng)的傳輸系數(shù)曲線。
相對于梯型結(jié)構(gòu),格型結(jié)構(gòu)的濾波器有更大的帶寬響應(yīng),同時由于其平衡的對稱結(jié)構(gòu),使它更適用于對稱電路。SCF和CRF結(jié)構(gòu)的濾波器在不增加插損的情況下具有更好的帶外抑制性能,因此更適合在高頻、小尺寸、高阻帶衰減要求的設(shè)備中應(yīng)用。而對于CRF結(jié)構(gòu)的濾波器,由于結(jié)構(gòu)中耦合層的存在,可以通過改變耦合層材料的種類或厚度來實(shí)現(xiàn)通頻帶寬及中心頻率的方便調(diào)節(jié)。然而,這兩種結(jié)構(gòu)的濾波器需要沉積至少兩層壓電薄膜,在制備工藝上難度更大[25];而且元件整體的諧振模式會受到上下兩個諧振器諧振狀態(tài)的影響,從而導(dǎo)致頻譜變得較復(fù)雜且難以分析。圖5為3種結(jié)構(gòu)濾波器的濾波特性比較,可以看出,CRF和SCF結(jié)構(gòu)具有更好的帶外抑制性能,且CRF結(jié)構(gòu)有更大的帶寬響應(yīng),但梯型結(jié)構(gòu)的濾波器則具有更陡峭的滾降曲線。因此,可以將3種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來以獲得更佳性能的濾波器[21]。