[科普中国]-表面声波滤波器

简介

表面声波(SAW)器件已日益广泛地用于工业和军事装备中。它体积小、结构牢固、频段宽，而且能大批生产，因而能很好地解决许多信号处理问题。本世纪七十年代初期，SAW技术主要是研制脉冲压缩雷达系统用的色散延迟线，之后，改进了器件的设计和工艺，又研制出了带通滤波器、谐振器和混合器件1。

8通道频率多工器制造SAW多工器有许多方法，而它们所遇到的基本问题就是如何接收一个宽带信号并把它分配到许多窄带输出换能器中(或者相反)。解决这个问题的一种方法就是把整个频谱分成N段，分别送到N个通道中。这种方法比较简单，但是其功率分配损失为10log N。然而通过仔细地设计输入换能器并仔细地进行电偶合，可以减小插入损耗的损失。斯佩里研究中心发明了一种多路转换的声学方法，也就是偏置多条带偶合器 (MSC)多工器，信号在按频率划定的声轨迹之间进行传输，这样可以避免功率分配损失。多工器中采用偏置的MSC起频率分选作用。这种方法比较灵活，既适用于宽带通道，也适用于窄带通道。

8通道器件的相对带宽为50%，它远大于一个单宽带输入换能器能有效激励SAW的带宽。为解决这个问题，用一个功率分配器把输入信号分成两路，分别激励两个多工器，一个是频率较低的4通道多工器，另一个是频率较高的4通道多工器。每个4通道多工器都有各自的LiNbO3基片，并各自进行扁平封装。这样一来，问题就简化成两个4通道多工器的设计问题，而每个4通道多工器又是由以下4个级联的用以完成频率分选和滤波功能的单元所组成：一个输入移相90°的换能器，一个偏置MSC，一对扇形MSC，一个移相90°的平缓指数滤波(FEF)输出换能器。

每个通道的3分贝带宽为20.3兆赫，在-45分贝处带宽为38兆赫，输入输出阻抗为50欧姆。设计的插入损耗为-20分贝。

16通道频率多工器SAW多工器在线性调频连续波(FMCW)雷达中的应用情况。这些SAW器件现已用于反装甲武器的低功率固态毫米波引导雷达中。每个通道作为接收机中频部分的一个距离单元。由于这种器件结构牢固、体积小(一个16通道器件的体积小于0.5立方英寸)，所以它便成为导弹寻的装置的理想备选器件。在确定雷达系统熊距离分辨特性方面，中频信号的带宽和窄带中频滤波器的特性是非常重要的，因为这种距离分辨特性代表了系统对处于不同距离的目标回波的分辨能力。如果目标回波信号在中频段有可能的最窄带宽，而且窄带滤波器又有与之等效的通带特性，那么，就会提高这种系统分辨能力。发射机的扫描线性度和发射机的调频噪声对中骊回波信号的频谱纯度有很大的影响。

这种窄带滤波器的主要参数是中心频率、带宽、形状因子、波动形式和频率稳定度2。

原理在压电材料的基体上，用镀膜或光刻的方法制造收端和发端两个叉指换能器。输入电信号加在发端换能器上，由于基体的压电效应，将电信号转换成在基体表面传播的声信号，称为表面声波。声信号传播至收端换能器，再转换成电信号输出给负载。在电—声—电转换和声传递过程中，完成对输入信号的滤波。

叉指换能器是实现滤波功能的主要部件，由若干叉指对组成。叉指换能器的主要参数是指长ω、指宽a、指距6和叉指对的对数。当电信号作用于发端叉指换能器时，每对叉指都是一个表面声波的激发源。由于每对叉指在传播方向上所处的几何位置不同，所以它们所激发的表面声波传播到接收叉指换能器的幅度和相位也不同，并且随输入信号频率变化。表面声波经收端换能器转换成输出电信号，它的幅度和相位除与输入信号频率、发端叉指换能器的结构和尺寸有关外，还与收端叉指换能器的结构和尺寸有关。只要按照要求设计叉指换能器的各参数，即可得到所需的滤波特性2。

优势表面声波滤波器的中心频率高，相对带宽大，体积小，性能稳定，制造重复性好。可以制成分立器件，也可与电子电路集成在一个芯片上，广泛应用于雷达、通信、广播、电子对抗和电视系统中，用作频率滤波、匹配滤波和自适应滤波等。

应用SAW谐振器体积小、工作频段宽、性能好，所以用在VHF/UHF和L波段子系统中可以大大减小它的体积、降低复杂性和功耗。窄带滤波、直接或相位锁定振荡器的稳定是这种器件的特殊应用。这里要讨论的就是这两种用途，而它们所用的SAW器件是斯佩里研究中心研制出来的。

为地球卫星低噪声频率源噪声抑制滤波器设计了一种500兆赫谐振器。它要求最大的匹配插入损耗为2.5分贝，连续波功率处理容量为+15毫瓦分贝，带外抑制最小为22分贝。这种器件必须满足严格的环境条件要求，所以，把它封装在真空密封的TO-8管座里3。