Высокочастотный фильтр на поверхностных акустических волнах на основе STW-кварца

При проектировании высокостабильных фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в качестве материала пьезоподложки используются кварц ST-среза или кристаллы семейства лангасита (LGS) [1,2].  Данные материалы имеют достаточно малую скорость распространения волны: 3158 м/с для ST-кварца, 2740 м/с для 22,5°-LGS и 2815 м/с для (0˚,90˚,40˚)-катангасита.  По этой причине их практическое использование при применении стандартной фотолитографии ограничено частотой 800 МГц, при которой минимальный размер электрода не превышает 1 мкм. Проведенные ранее исследования [3] показали,  что для ВЧ и СВЧ диапазонов эффективнее использовать ST-90°Х срез кварца, в котором возбуждаются поверхностные сдвиговые волны (STW), имеющие скорость распространения волны порядка 5000 м/с, что  в 1,6 раз превышает скорость волны в обычном ST-срезе кварца. Это позволяет расширить допустимый частотный диапазон до 1250 МГц. В статье приведены результаты разработки  ПАВ-фильтра с номинальной частотой 898 МГц, реализованного на подложке из STW-кварца 38˚-среза.

В качестве базовой конструкции фильтра была применена резонаторная продольно-связанная структура (LCRF), обеспечивающая малый уровень вносимого затухания за счет исключения потерь, связанных с двунаправленностью излучения поверхностных акустических волн встречно-штыревым преобразователем (ВШП). С конструктивной точки зрения это достигается путем введения дополнительных отражателей по краям структуры (рис.1). Встречно-штыревые преобразователи ВШП1 и ВШП2 содержали по 192 и 200 штырей, соответственно, причем ВШП1 был взвешен методом выборочного удаления для обеспечения требуемого внеполосного подавления. Боковые отражатели (отражатель 1) имели по 140 штырей, центральный (отражатель 2), выполняющий также роль электромагнитного экрана между входом и выходом, имел 20 штырей.

1-01

Следует отметить, что резонаторные кварцевые фильтры имеют ряд специфических особенностей по сравнению с аналогичными фильтрами на материалах с большим коэффициентом электромеханической связи. В частности, вследствие волноводного характера распространения ПАВ в пределах акустического тракта при превышении апертуры фильтра критического значения на частотах выше центральной частоты возникают паразитные резонансы поперечных мод, которые искажают частотные характеристики фильтра. В качестве одного из способов подавления паразитных мод апертуру акустического канала уменьшают до величины меньшей критической. Однако при этом возникают проблемы с импедансами ВШП, что затрудняет согласование фильтра в тракте и достижение минимальных вносимых потерь. В качестве компромиссного решения фильтры такого типа выполняются многоканальными, в которых апертура отдельного канала задается такой, чтобы обеспечить подавление паразитных резонансов. Для реализации данного фильтра была выбрана 2-х канальная структура, к которой апертура каждого канала составляла 27λ (длина волны λ=5,55 мкм). Электродные структуры имели коэффициент металлизации 0,6 и были сформированы на пленке алюминия толщиной 1200 Å. Габаритный размер топологии составил 2,3х1,7 мм. Амплитудно-частотная характеристика разработанного фильтра приведена на рис.2. Ширина полосы пропускания по уровню -3 дБ составила 1,49 МГц (0,16%), вносимое затухание 6,22 дБ.

1-02

Исследование температурной стабильности устройства показало, что при толщине пленки алюминия 2% температурный коэффициент частоты (ТКЧ) в диапазоне температур от -60˚С до +85˚С составил 7,5х10-6ед./град (рис.3). Это несколько хуже, чем у обычного ST-кварца, но более чем в 2 раза лучше, чем у 112°YX-среза танталата лития. Результаты данного эксперимента подтверждаются данными, приведенными в работе [4].

1-03

Существенным недостатком узкополосных фильтров на ПАВ на основе обычного ST-среза кварца является плохая временная стабильность, которая выражается в изменении средней частоты фильтра со временем. Поэтому в рамках данной работы были проведены исследования стабильности параметров фильтров на STW-кварце методом ускоренного старения (3 цикла в диапазоне температур от минус 60˚С до +70˚С). Дальнейшие измерения показали, что фильтры сохранили свою работоспособность без изменения параметров, следовательно, STW-кварц можно считать стабильным и успешно применять в качестве пьезоэлектрической подложки для узкополосных фильтров на ПАВ.

Список литературы

  1. Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Исследования пьезоэлектрических свойств КТГС и кварца для ПАВ–устройств // Сборник научный трудов ХХI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М. 2016. С.24-29.
  2. Багдасарян А.С., Синицына Т.В., Дорофеева С.С. Перспективные пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Оптические технологии, материалы и системы», М. 2016. С.112-115.
  3. Синицына Т.В., Дорофеева С.С., Груздев А.С. Пьезокристаллы для высокостабильных устройств на ПАВ // Труды НИИР, 2016, № 3. С. 10-17.
  4. Yatsuda H., Yamanouchi K., Iijima H., Mineshima N. High-frequency and narrow band STW filters for cellular power amplifiers // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 1998, P. 403-406.