CN1101467A - 声表面波滤波器 - Google Patents

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Abstract

SAW滤波器(21)由多个IDT(23到29)沿表面 波传播方向排列在一个压电基片(22)上而形成，至少 有一个单独的两端SAW谐振器(30)在SAW滤波 器的输出一侧与其并联，而且SAW谐振器(30)的谐 振频率(f0)设置在低于SAW滤波器的通频带的频率 范围上。

Description

本发明涉及一种声表面波滤波器（下面称为SAW滤波器），它包括多个叉指换能器（下面称为IDT），这些IDT沿表面波传播方向排列在一个压电基片上，更具体地讲，是一种具有这样一种结构的SAW滤波器，该结构能够增加通频带附近的衰减量。
SAW滤波器的特点是尺寸小而且具有陡的滤波器的特性。因此，一般来讲，已经出现了各种结构的SAW滤波器并被应用。
图1是一种3个IDT型的SAW滤波器1的平面示意图，所示的SAW滤波器1是一种非常典型的普通声表面波滤波器。SAW滤波器1包括三个IDT3到5，这些IDT排列在长方形压电基片2上。标号6和7表示反射器。在SAW滤波器1中;IDT3和5的第一梳形电极连接在一起以限定一个输入端，而IDT4的第一梳形电极作为输出端。IDT3至5的第二梳形电极接地电位。
图2是另一种非常典型的普通SAW滤波器8的平面示意图。SAW滤波器8包括两个IDT9和10，这两个IDT沿表面波传播方向排列在压电片2的上表面上。反射器6和7设置在IDT9和10的两侧。在这种两个IDT型的SAW滤波器8中，IDT9和10的第一梳形电极分别作为输入端和输出端。IDT9和10的第二梳形电极接地电位。
图3是又一种非常典型的普通SAW滤波器11的平面示意图。SAW滤波器11被称为叉指式的叉指型（下面称为IIDT型）SAW滤波器，这种SAW滤波器包括七个IDT12到18，这些IDT沿表面波传播方向排列在一个长方形基片2的上表面上。IDT12，14，16和18的第一梳形电极连在一起作为输入端，而IDT13，15和17的第一梳形电极连在一起作为输出端。IDT12到18的第二梳形电极分别接地电位。
这样一种IIDT型SAW滤波器是通过设置一些IDT12到18而构成的，所以，能够减少插入损失。
如上所述，为了减少插入损失已经出现了各种结构的SAW滤波器。但是，当要减少SAW滤波器中的插入损失时，就不能大幅度增加通频带附近的衰减量。特别是对于采用上述声表面波谐振器的SAW滤波器，通频带附近的衰减量还要减少。
为了增加通频频带附近的衰减量，SAW滤波器的级数可能增加，实现多级连接。但是，当增加SAW滤波器的级数时，不利的是插入损失与滤波器的级数成比例地增加。
所以，需要研制一种SAW滤波器，它既能增加通频带附近的衰减量，又不增加插入损失。特别是对于移动式通讯装置，例如手提电话，由于发射侧与接收侧之间的频率间隔太窄，所以，在通频带附近必须确保足够数量的衰减。但是，普通的SAW滤波器很难满足这样的要求。
本发明的目的是提供具有这样一种结构的SAW滤波器，这种结构能够增加通频带附近，特别是低于通频带的频率区域的衰减量。
根据本发明的SAW滤波器包括一个压电基片和多个叉指换能器，这些换能器沿表面波传播方向设置排列在压电基片上。这些叉指换能器用于形成一个SAW滤波器元件。本发明的SAW滤波器还包括至少一个单独的两端SAW谐振器，这个谐振器具有至少一个叉指换能器，这个谐振器与SAW滤波器元件的输入侧和输出侧的至少一侧并连，两端SAW谐振器的谐振频率设置在低于SAW滤波器元件的通频带的频率区域。
上述由多个IDT沿表面波传播方向排列在一个压电基片上而构成的SAW滤波器元件除了包括上述两个IDT型或三个IDT型的SAW滤波器以外，还包括一个IIDT型SAW滤波器。本发明的特征在于上面描述的这样一个SAW滤波元件并联着至少一个单独的两端SAW谐振器。
根据本发明，至少一个单独的两端SAW谐振器与SAW滤波器元件的输入侧和输出侧的至少一侧并连。这个两端的SAW谐振器是这样构成的，它的谐振频率fo设置在低于SAW滤波器元件的通频带的频率范围。在总的SAW滤波器的通频带特性中，由于两端SAW谐振器的谐振点设置在低于通频带的频率范围上，所以，能够增加低于通频带的频率范围的衰减量。
这样，与通频带相比在衰减区域的衰减量增加了，从而提高了滤波特性的陡度。所以，能够提供一种SAW滤波器，它能够适用于例如象手提式电话机这样的装置，这种手提式电话机的在发射侧与接收侧之间的频率间隔很窄。
根据本发明一个更具体的方面，压电基片是由36°Y切割的LiTaO3基片，一个两端的SAW谐振器的IDT是这样构成的，当SAW滤波器装有这样一个单独的两端SAW谐振器时满足下式（1）：
(NXA)/(fO) ≤30 ……（1）
在SAW滤波器具有多个这样的两端SAW谐振器的时候，各个谐振器的（NxA）/fo之和不超过30，其中假设fo（兆赫）表示两端SAW谐振器的谐振频率，N代表电极指的对数，A（微米）代表重叠的长度。
根据本发明的这个方面，在SAW滤波器中，这种构成的两端SAW谐振器满足上面的公式（1），这个SAW滤波器采用的是36°Y切割的LiTaO3的压电基片，从而能够有效地提高低于通频带的频率范围的衰减量，同时又不会过多增加插入损失，从下面描述的实施例中可以清楚地了解这一点。
根据本发明另一个具体的方面，压电基片为64°Y切割的LiNbO3的基片，两端SAW谐振器的IDT是这样构成的，当SAW滤波器装有一个单独的这样的两端saw谐振器时满足下式（2）：
(NXA)/(fO) ≤45 ……（2）
当SAW滤波器装有多个这样的两端SAW谐振器的时候，各个SAW谐振器的（NXA）/fo之和不超过45，其中假设fo（兆赫）代表两端SAW谐振器的谐振频率，N代表电极指的对数，A（微米）代表重叠的长度。
根据本发明的这个方面，在-SAW滤波器中，这样构成的两端SAW谐振器满足上面的公式（2），这个SAW滤波器采用的是一个Y切割的LiTaO3基片，从而能够明显提高在低于通频带的频率范围上的衰减量，同时又不会过多增加插入损失，这与满足公式（1）的结构相类似。
上面的公式（1）和（2）由发明人已经在理论上进行了验证，从下面说明的实施例中可以清楚地了解这一点。
通过下面结合附图对本发明进行详细说明，本发明的上述的和其它的目的、特点、方面和优点会变得更加清楚。
图1是一般三个IDT型的SAW滤波器的平面示意图;
图2是一般两个IDT型的SAW滤波器的平面示意图;
图3是一般的IIDT型SAW滤波器的平面示意图;
图4是根据本发明第一个实施例的SAW滤波器的平面示意图;
图5是根据本发明第二个实施例的SAW滤波器的平面示意图;
图6是根据本发明第三个实施例的SAW滤波器的平面示意图;
图7是一个两端SAW谐振器的等效电路图;
图8是一个两端SAW谐振器的阻抗-频率特性曲线图;
图9是在36°Y切割的LiTaO3基片中测量的在改变M值时插入损失变化的曲线图;
图10是在64°Y切割的LiNbO3基片中测量的的在改变M值时插入损失变化的曲线图;
图11是一般的SAW滤波器的插入损失-频率特性曲线图，以供比较之用;和
图12是有4个两端SAW谐振器的SAW滤波器的插入损失-频率特性曲线图。
为清楚理解本发明，下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
图4是根据本发明第一个实施例的SAW滤波器21的平面示意图。SAW滤波器21包括矩形压电基片22。在压电基片22的上表面22a上，多个IDT23到29沿表面波传播方向排列在边缘22b一侧。
IDT23到29用于形成IIDT型SAW滤波器元件。如图4所示，IDT23，25，27和29的第一梳形电极连在一起作为输入端。IDT23，25，27和29的第二梳形电极如图4所示的接地电位。
另一方面，IDT24，26和28的第一梳形电极如图4所示连在一起并与输出端相连。IDT24，26和28的第二梳形电极如图4所示接地电位。
上述结构与图3所示的一般的IIDT型SAW滤波器11的结构相类似。这个实施例的特点在于两端SAW谐振器30在IIDT型SAW滤波器元件的输出一侧与IIDT型SAW滤波器元件并连，其中IIDT型SAW滤波器元件由IDT23到29构成。两端SAW谐振器30包括一对梳形电极30a和30b，这对电极具有多个电极指，这些电极指相互交错插在一起。梳形电极30a和30b分别与输出端相连和接地电位。
根据这个实施例，两端SAW谐振器30的谐振频率fo设置在低于IIDT型SAW滤波器元件的通频带的范围上，其中IIDT型SAW滤波器元件由IDT23到29构成。因此，在SAW滤波器21的滤波特性方面能够增加通频带之下的频率范围的衰减量。
图5是根据本发明第二个实施例的SAW滤波器31的平面示意图。
在长方形压电基片32的上表面32a上排列有两个IDT33和34。IDT33的第一和第二梳形电极分别与输入端相连和接地电位。另一方面，IDT34的第一和第二梳形电极分别与输入端相连和接地电位。标号35和36表示反射器。即IDT33和34与反射器35和36组成一个与图2所示的两个IDT型的SAW滤波器的结构等同的结构。
根据这个实施例，两个两端SAW谐振器37和38在SAW滤波器元件的输出一侧与SAW滤波器元件并连。SAW谐振器37和38分别具有成对梳形电极37a，37b和38a，38b，这与第一实施例的SAW谐振器30相类似。第一梳形电极37a和38a与输出端相连，而第二梳形电极37b和38b接地电位。
根据第二个实施例，这样设计两端SAW谐振器37和38，使它们的谐振频率设置在两个IDT型SAW滤波器元件的通频带之下的范围上。因此，与第一实施例相似，由于两端SAW谐振器37和38的谐振频设置在两个IDT型SAW滤波器元件的通频带之下的频率范围上，所以，能够提高通频带之下的频率范围的衰减量。
图6是根据本发明第三个实施例的SAW滤波器41的平面示意图。SAW滤波器41包括一个长方形压电基片42。在压电基片42上表面42a的中心装有三个IDT型SAW滤波器元件。即IDT43到45沿声表面波传播方向排列。IDT44的第一梳形电极与输入端相连，而IDT43和45的第一梳形电极与输出端相连。IDT43到45的第二梳形电极分别接地电位。标号46和47表示反射器。
这个实施例的特点在于一个单独的两端SAW谐振器48在SAW滤波器元件的输入一侧与SAW滤波器元件并连，而另一个两端SAW谐振器49在SAW滤波器元件的输出一侧与SAW滤波器元件并连。
两端SAW谐振器48和49的构成使其谐振频率fo设置在低于三个IDT型SAW滤波器元件的通频带的范围上，三个IDT型SAW滤波器元件由IDT43到45构成。
因此，在第三个实施例中，由于有两端SAW谐振器48和49，能够提高通频带之下的频率范围的衰减量。
当多个两端SAW谐振器相连时，如在第二或第三个实施例中的那样，通过使用具有不同谐振频率和阻抗的SAW谐振器，能够使总的SAW滤波器的特性进一步接近所需要的特性。
在第一到第三个实施例中所采用的压电基片22，32和42可以是公知的压电陶瓷基片，或者其上装有压电薄膜的绝缘基片。在后一种情况下，各个IDT和各反射器可以形成在压电薄膜的上表面或背面。
下面将结合更具体的实验结果来说的明本发明的工作原理。
两端SAW谐振器51按一般方式用图7所示的等效电路图来表示。参照图7，两端SAW谐振器51具有相互串联的电感L1，电容C1和电阻R1，以及一个与电感L1，电容C1和电阻R1支路并连的电容C0。图8表示的是这个SAW谐振器51的阻抗-频率的特性曲线。阻抗在谐振频率fo附近最小，而在反谐振频率fa附近最大。
当这样一个两端SAW谐振器与上述IIDT型，两个IDT型或三个IDT型的SAW滤波器元件在输入和输出的至少一侧上相并连的时候，通过把这个两端SAW谐振器的反谐振频率fa设置在SAW滤波器元件的通频带上，就可以形成一个不会过多增加插入损失的通频带。
在上述情况下，在两端SAW谐振器的谐振频率附近，输入阻抗接近短路状态，并形成一个衰减极点。这样，就可以提高在具有谐振频率fo的通频带之下的频率范围的衰减量。
在这种情况下，当在两端SAW谐振器的谐振频率fo上所增加的阻抗减小的时候，就会增加提高衰减量的效果。但是，如果在两端SAW谐振器的谐振频率fo上的阻抗太小的活，那么，SAW滤波器的阻抗匹配范围就会太窄，这样就会损害插入损失特性。因此，最好根据SAW滤波器元件的结构来设计所要增加的两端SAW谐振器的IDT。
假设fo（兆赫）代表两端SAW谐振器的谐振频率，N代表电极指的对数，A（微米）代表重叠的长度，M＝（NXA）/fo与一个数值成比例，这个数值是通过用频率对SAW谐振器的极间电容统一化而获得的。
当多个两端SAW谐振器相互连接时，每一个两端SAW谐振器都可得出一个（NXA）/fo，从而用这些（NXA）/fo的和来限定上述的数值M。
如果上述数值M减小，那么，阻抗匹配范围变窄，插入损失增加。由阻抗不匹配而增加的插入损失的上限在实际应用当中为0.5dB，所以，插入损失的增加必须控制在这个数值之下。也必须考虑压电基片的温度特性和至少1%的比带（specific  band）。
图9表示的是一条关于36°Y切割的LiTaO3基片的比带，其中插入损失随M值的变化所产生的损害被控制在最高为0.5dB的范围之内。从图9中可以清楚地看到，为了确保至少1%的比带，数值M绝不能超过30。
图10表示的是在64°Y切割的LiTaO3基底中测量的在数值M变化时插入损失的变化。从图10可以清楚地看到，为了确保至少1%的比带，必须减小M值，使其不超过45。
如上所述，为了避免增加插入损失，最好设计一个两端的SAW谐振器的电极结构，以便使M值低于由压电基片的材料所决定的某一特定值。
现在说明一个在一个SAW滤波器中测量插入损失-频率特性曲线的实验例子，这个SAW滤波器是图4所示的第一个实施例的SAW滤波器21的变型。当根据图4所示的第一个实施例把一个单独的SAW谐振器30连接到SAW滤波器21的输出一侧时，图11表示的是一个不与这样的SAW谐振器30相连的SAW滤波器的插入损失-频率的特性曲线。
一个例子是一个SAW滤波器准备在其SAW滤波器元件的输出一侧与四个SAW谐振器相连，这四个谐振器与图4所示的谐振器相似，而这个滤波器元件具有图11所示的特性，测量这个SAW滤波器的插入损失-频率的特性曲线。图12表示测量结果。
参照图11和12，两个图中的完整的特性曲线A分别放大的方式表示了通频带的基本部分，而且在这两个图的右侧用刻度来表示插入损失的数值。
把图11与图12进行比较，可以很清楚地看到，在与四个两端SAW谐振器相连的结构中，通频带的低通一侧衰减量提高了约5到10dB。
虽然已经详细地说明和介绍了本发明，但是应该清楚，本发明的说明只是以举例的方式进行的，这是一种非限定的方式，本发明的精神实质和范围只由附加的权利要求书来限定。

Claims (10)

1、一种声表面波滤波器，包括：
一个压电基片；
多个叉指换能器，这些叉指换能器设置在所说的压电基片上并沿表面波传播方向排列，所说的这些叉指换能器用于构成一个声表面波滤波器元件；和
至少一个单独的两端SAW谐振器，这个SAW谐振器具有至少一个叉指换能器，这个SAW谐振器在所说的声表面波滤波器元件的输入和输出的至少一侧与所说的声表面波滤波器元件并联，
所说的两端SAW谐振器的谐振频率设置在低于所说的声表面波滤波器元件的通频带的频率范围上。
2、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的至少一个单独的两端SAW谐振器形成在所说的压电基片。
3、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片是36°Y切割的LiTaO3基片，
这样构成所说的两端SAW谐振器的所说的叉指换能器，当所说的SAW滤波器装有一个所说的单独的两端SAW谐振器的时候，满足下式（1）：
(NXA)/(fO) ≤30 ……（1）
当多个所说的两端SAW谐振器相互并联时，各个所说的谐振器的（NXA）/fo之和不超过30，其中假设fo（兆赫）代表所说的两端SAW谐振器的谐振频率，N代表电极指的对数，A（微米）代表重叠的长度。
4、根据权利要求1的一种场表面波滤波器，其特征在于所说的压电基片是64°Y切割的LiNbO3基片，
这样构成所说的两端SAW谐振器的所说的叉指换能器，当所说的SAW滤波器装有一个所说的单独的两端SAW谐振器的时候，满足下式（2）：
(NXA)/(fO) ≤45 ……（2）
当多个所说的两端SAW谐振器相互并联时，各个所说的谐振器的（NXA）/fo之和不超过45，其中假设fo（兆赫）代表所说的两端SAW谐振器的谐振频率，N代表电极指的对数，A（微米）代表一个重叠的长度。
5、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的两端SAW谐振器在所说的表面声波滤波器元件的所说的输入或输出一侧与所说的声表面波滤波器元件相并联。
6、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于多于两个的所说的两端SAW谐振器相互并联并在所说的声表面波滤波器元件的所说的输入或输出一侧与所说的声表面波滤波器元件相关联。
7、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的两端SAW谐振器在所说的声表面波滤波器元件的所说的输入和输出的每一侧与所说的声表面波滤波器元件相并联。
8、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的声表面波滤波器元件由一个叉指状的反指型SAW滤波器构成。
9、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的声表面波滤波器元件由一个双IDT型的SAW滤波器构成。
10、根据权利要求1的一种声表面波滤波器，其特征在于所说的声表面波滤波器元件由一个三IDT型的SAW滤波器构成。
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