表面声波滤波器——叉指换能器(3)

叉指换能器(interdigital transducers,IDT)

是在压电基片表面激励检测声表面波,从而实现电信号和声信号间的相互转换。

叉指换能器由在压电基片表面上沉积两组互相交错,周期分布的状金属条带(叉指电极)组成,每组电极和一个汇流条相连。

  • 两个相邻叉指电极构成一电极对,其互相重叠的部分的长度,记为指长W亦即换能器的孔径(aperture)。
  • a为叉指宽度(width)
  • p为又指间距(pitch)
  • η=a/p称为金属化率(metallizationradio)。
  • 2个指条和 2个间隔组成一个叉指周期λ,有λ=2p=2(a+b)

        将交变电压通过汇流条加于输入IDT上,就会产生以入为周期的电场分布。利用逆压电效应,在压电衬底表面附近会产生相应的弹性形变,从而引起固体质点的振动,并以伴有电场分布的弹性波形式从输入IDT两侧传播出去。一侧无用的波可使用高损耗介质(吸声胶)吸收掉,另一侧的波传播到输出IDT,借助压电效应会在金属电极两端感应出电荷,从而可以利用输出IDT得到交变电信号,如图4.2(b)所示。这就是叉指换能器激励和检测表面声波的基本原理。

滤波器谐振频率

        根据波的干涉原理,当叉指周期入是叉指换能器激励的声表面波波长的整数倍时,即外加激励的电信号频率与IDT结构决定的声波频率后frequency=v/λ(v为声表面波波速)相等时,发生布拉格(Bragg)反射,每对又指激励的声波会同相叠加,此时IDT发射的声波最强。这里,称为外加电场的同步频率(synchrnismfrequency)或又指换能器的谐振频率(resonancefrequency)。其他频率激励的声表面波由于相位相消,叠加后的总幅度减小很多。因此,IDT具有频率选择性,设计不同波长的IDT可以得到不同频率的声表面波器件。同理,对于输出IDT,当入射的声波频率等于IDT的谐振频率时,输出的电信号最强。

叉指换能器的重要参数

指宽 a 与最高工作频率

对于均匀又指换能器,有a=b,又因为入=2p=2(a+b),可知:入=4a。当声波波长与叉指周期一致时得到最大激励时,有后=v/入=v/4a。可见对于同一声表面波波速,叉指换能器的最高工作频率只受工艺生产中所能获得的最小指宽a的限制。

叉指对数 N 与带宽

对于均匀叉指换能器而言,带宽δf=f/N,可知,中心频率一定时,带宽只决定于叉指对数N。叉指对数越多,换能器带宽越窄。声表面波器件的带宽范围比较广,相对带宽可窄至0.1%,宽则可达到一个倍频(100%)。

时域(脉冲)响应对应 IDT 空间几何图形

叉指换能器每对叉指电极的空间位置直接对应于时间波形的取样。换能器的传输(转移)函数为脉冲响应的傅氏变换,这一关系为我们设计提供了极简单的方法。

叉指换能器的脉冲响应

叉指换能器的设计

SAW 器件分析模型

  • δ函数模型
  • 脉冲响应模型
  • 等效电路模型
  • COM模型
  • P矩阵模型等

叉指换能器设计结构

  • 梯形(Ladder)结构适用于低插损、高近端抑制、高功率耐受力的要求
  • 纵向耦合双模谐振(LCRF)结构适用于低功率应用中低插损和高带外抑制的要求。
  • 而交错对插换能器(IIDT)结构由于插入损耗大,目前很少应用于RFSAW滤波器中。

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