專利名稱：超晶格晶體諧振器以及超晶格晶體濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于通信設(shè)備中的諧振器以及濾波器，尤其涉及介電體聲學(xué)超晶 格晶體材料的諧振器以及介電體聲學(xué)超晶格晶體材料的濾波器。
背景技術(shù)：
近年來，通信領(lǐng)域在減小如便攜式電話這樣的通信設(shè)備的尺寸和重量方面已經(jīng)取 得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。為了實現(xiàn)這種技術(shù)進(jìn)步，已經(jīng)實現(xiàn)了對具有多種功能的組合部件的 開發(fā)以及每個部件的簡化和小型化。目前尤其關(guān)鍵的是，需要改進(jìn)用于通信設(shè)備中的諧振 器及濾波器的性能?，F(xiàn)有的聲表面波諧振器具有承受功率小，頻率高時加工工藝不易的問題?，F(xiàn)有的聲表面波濾波器具有矩形系數(shù)好、插入損耗小、尺寸小的特點；但承受功率 小，在有功率要求的應(yīng)用時有局限性。現(xiàn)有的介質(zhì)濾波器具有插入損耗小、承受功率大的特 點，但矩形系數(shù)大、尺寸大，在有選擇性要求的應(yīng)用時有局限性。如果提高矩形系數(shù)，插入損 耗和尺寸都會增加，必提高應(yīng)用成本。申請?zhí)枮?7106837. 2的國家保密實用新型專利《具有分布電疇鐵電晶體聲學(xué)超 晶格的高頻器件》中提供了一種鐵電多層膜聲學(xué)超晶格晶體材料或稱之為介電體聲學(xué)超晶 格晶體材料，其是一類壓電系數(shù)周期性調(diào)制的微結(jié)構(gòu)介電體，其調(diào)制周期與超聲波波長可 以比擬(微米或亞微米量級)。超晶格沿某一方向正負(fù)鐵電疇交替排列，壓電系數(shù)對應(yīng)于正 疇和負(fù)疇交替地改變符號。如圖1、圖2所示，當(dāng)外加交變電場時，疇界面隨之振動，并形成 在鐵電體中傳播的彈性波，圖中的箭頭方向為彈性聲波的傳播方向。圖中的帶狀柵格表示 電疇的方向，圖1、圖2中鍍電極的模式是不同的(圖中黑色的面為鍍電極的面)圖1中鍍 電極的面垂直于電疇的方向，圖2中鍍電極的面平行于電疇的方向。按照鍍電極模式的不 同，共有兩種振動模式。圖1是聲傳播方向垂直于電場方向的振動模式；圖2是聲傳播方向 平行于電場方向的振動模式。當(dāng)彈性波波矢與超晶格調(diào)制波矢相等時產(chǎn)生共振增強(qiáng)效應(yīng)， 具有諧振器特性，其諧振頻率只決定于超晶格的周期。實用新型的內(nèi)容針對前述現(xiàn)有的聲表面波諧振器、聲表面波濾波器以及介質(zhì)濾波器的缺點，申請 人進(jìn)行了改進(jìn)研究，提供一種具有良好技術(shù)效果的超晶格晶體諧振器，以及超晶格晶體濾 波器，上述超晶格晶體諧振器易于加工、承受功率較大，上述超晶格晶體濾波器具有高功 率、低插入損耗及小尺寸等優(yōu)點。本實用新型的技術(shù)方案如下一種超晶格晶體諧振器，有一介電體聲學(xué)超晶格材料的基片，基片的兩面分別鍍 有電極。一種實施方案是所述基片兩面的電極均是單電極，所述兩個單電極分別作為電輸 入端及電輸出端。另一種實施方案是所述基片一面的電極為雙電極，基片另一面的電極為 單電極，所述基片一面的雙電極分別作為電輸入端及電輸出端，所述基片另一面的單電極 連接公共地端。[0010]本實用新型的技術(shù)方案還在于由所述超晶格晶體諧振器構(gòu)成的超晶格晶體濾波 器。第一種實施方案是將上述后一種超晶格晶體諧振器作為單片式超晶格晶體濾波器。第 二種實施方案是包括由上述前一種超晶格晶體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路，還有由并聯(lián)式LC 諧振電路構(gòu)成的并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端接地，另一端分別與所述串聯(lián)支路的輸入 端、輸出端以及超晶格晶體諧振器的串接端連接；所述并聯(lián)式LC諧振電路由電容器支路與 電感器和電容器的串聯(lián)支路并聯(lián)連接構(gòu)成。第三種技術(shù)方案是包括由上述前一種超晶格晶 體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路，還有由上述前一種超晶格晶體諧振器構(gòu)成的并聯(lián)支路，所述并 聯(lián)支路的一端接地，另一端分別與所述串聯(lián)支路的輸入端、輸出端以及超晶格晶體諧振器 的串接端連接。第四種技術(shù)方案是包括由上述前一種超晶格晶體諧振器構(gòu)成的兩個串聯(lián)支 路，還有上述前一種超晶格晶體諧振器構(gòu)成的并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的兩端分別與所述 兩個串聯(lián)支路的輸入端、輸出端以及超晶格晶體諧振器的串接端連接。本實用新型的有益技術(shù)效果是本實用新型的超晶格晶體諧振器，采用介電體聲學(xué)超晶格晶體材料為基片，其諧 振頻率只決定于超晶格的本振周期，而與晶片的厚度無關(guān)，晶片的厚度可以依實際加工條 件或加工水平進(jìn)行選擇，從而可有效解決現(xiàn)有技術(shù)中用一般壓電晶體制作高頻諧振器時面 臨的晶片厚度太薄等難以加工、承受功率小的問題。本實用新型的超晶格晶體濾波器，兼顧聲表面波濾波器和介質(zhì)濾波器優(yōu)點，采用 介電體聲學(xué)超晶格晶體材料為基片制作的濾波器，除具有一般濾波器性能外，還同時具有 高功率、高選擇性或矩形系數(shù)好、低插入損耗、尺寸小或成本低的優(yōu)點。

圖1是聲傳播方向垂直于電場方向的振動模式。圖2是聲傳播方向平行于電場方向的振動模式。圖3是單端對超晶格晶體諧振器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是采用聲傳播方向垂直于電場方向振動模式的單端對超晶格晶體諧振器諧 振特性圖。圖5是采用聲傳播方向平行于電場方向振動模式的單端對超晶格晶體諧振器諧 振特性圖。圖6是雙端對超晶格晶體諧振器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是圖6的俯視圖。圖8是圖6所示雙端對超晶格晶體諧振器的諧振特性圖。圖9是單片式超晶格晶體濾波器的電極形狀、位置的示意圖。圖10是圖9所示超晶格晶體濾波器的濾波特性圖。圖11是由超晶格晶體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路以及由LC諧振電路構(gòu)成的并聯(lián)支路 連接構(gòu)成的組合式超晶格晶體濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖12是圖11所示超晶格晶體濾波器的濾波特性圖。圖13是分別由超晶格晶體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路以及并聯(lián)支路連接構(gòu)成的組合 式超晶格晶體濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖14是圖13所示超晶格晶體濾波器的外圍匹配電路圖。[0028]圖15是圖13所示超晶格晶體濾波器的濾波特性圖。圖16是平衡輸入輸出的組合式超晶格晶體濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖17是圖16所示超晶格晶體濾波器的濾波特性圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進(jìn)一步說明。以下各實施例中所述超晶格晶體諧振器的基片材料皆選用按申請?zhí)枮?97106837. 2專利申請的技術(shù)方案所制作的介電體聲學(xué)超晶格晶體材料；有關(guān)實施例中的 超晶格晶體諧振器的諧振特性曲線或諧振特性參數(shù)以及超晶格晶體濾波器的濾波特性曲 線或濾波特性參數(shù)按常規(guī)方法測試。實施例1 單端對超晶格晶體諧振器如圖3所示，本實施例的超晶格晶體諧振器包括介電體聲學(xué)超晶格晶體材料的 基片1，基片1的兩面鍍有金屬電極2和金屬電極3，電極2和電極3均是連續(xù)的單電極。電 極2作為電輸入端，電極3作為電輸出端。這種結(jié)構(gòu)稱之為單端對超晶格晶體諧振器。其 可以采用兩種振動模式如圖1所示的聲傳播方向垂直于電場方向的振動模式；或者，如圖 2所示的聲傳播方向平行于電場方向的振動模式。選擇本振周期是7. 8um的超晶格晶體材料，切割大小3. 7mm X Imm X 0. 5mm的 基片1，按圖1的模式鍍電極，得到諧振頻率為707. 66MHz，損耗1.9dB;反諧振頻率為 712. 19MHz，損耗23. OdB,得到的單端對諧振器的諧振特性見圖4，其采用圖1所示振動模式。選擇本振周期是7. 8um的超晶格晶體材料，切割大小4mmX0. 8mmX0. 5mm的基片 1，按圖2的模式鍍電極，得到諧振頻率為450MHz，損耗3. OdB ；反諧振頻率為468. 5MHz，損 耗22. OdB，得到的單端對諧振器的諧振特性見圖5，其采用圖2所示振動模式。將上述單端對諧振器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整至超過5W，并工 作一段時間后，該諧振器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述單端對諧振器的最大功率容 量為5W。實施例2 雙端對超晶格晶體諧振器如圖6所示，本實施例的超晶格晶體諧振器包括介電體聲學(xué)超晶格晶體材料的 基片1，基片1的一面鍍有已分割的呈矩形的金屬電極2和金屬電極2’，基片1的另一面鍍 有未分割的連續(xù)的單電極3。電極2作為電輸入端，電極2’作為電輸出端，電極3接公共地 端。這種結(jié)構(gòu)稱之為雙端對超晶格晶體諧振器。其采用如圖1所示的聲傳播方向垂直于電 場方向的振動模式。選擇本振周期是7um的超晶格晶體材料，切割大小的8mmX ImmXO. 5mm基片1，按 圖1的模式鍍電極。圖7為圖6的俯視圖，電極3尺寸為8mmX0. 5mm,電極2、電極2’均為 3. 9mmX0. 5mm的矩形，中間間距0. 2mm(見圖7)，得到諧振頻率為739. 8MHz，損耗12. 8dB的 雙端對諧振器，其諧振性能見圖8。將上述雙端對諧振器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整至超過5W，并工 作一段時間后，該諧振器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述雙端對諧振器的最大功率容 量為5W。[0042]實施例3 單片式超晶格晶體濾波器本實施例的超晶格晶體濾波器是由一個如上述實施例2 (圖6)所述的雙端對超晶 格晶體諧振器構(gòu)成的。換句話說，一個如上述實施例2(圖6)所述的雙端對超晶格晶體諧 振器就可以實現(xiàn)超晶格晶體濾波器的功能。這種結(jié)構(gòu)稱之為單片式超晶格晶體濾波器。選擇本振周期是7um的超晶格晶體材料，切割大小8mmX3mmX0. 5mm的基片1，按 圖1的模式鍍電極。電極3尺寸為8mmX0. 5mm,電極2、電極2，均為2mmX0. 5mm的矩形， 中間間距1mm，兩端分別距離基片邊界1. 5mm(見圖9)，得到中心頻率是741. 4MHz，帶寬為 600kHz，通帶損耗7. 7dB,阻帶損耗19dB的單片式窄帶超晶格晶體濾波器，其諧振性能見圖 10。將上述單片式窄帶超晶格晶體濾波器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整 至超過5W，并工作一段時間后，該濾波器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述單片式窄帶超 晶格晶體濾波器的最大功率容量為5W。實施例四組合式超晶格晶體濾波器A如圖11所示，本實施例的超晶格晶體濾波器由兩個如實施例1所述的單端對超晶 格晶體諧振器構(gòu)成串聯(lián)支路以及由兩個LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成的并聯(lián)支路連接構(gòu)成，稱之 為組合式超晶格晶體濾波器。其中每個LC并聯(lián)諧振電路由電容器CO支路與電感器Ll和 電容器Cl的串聯(lián)支路并聯(lián)連接構(gòu)成。本實施例的組合式超晶格晶體濾波器的具體結(jié)構(gòu)如 下單端對超晶格晶體諧振器1和單端對超晶格晶體諧振器2串聯(lián)連接，超晶格晶體諧振器 1的一端作為輸入端，超晶格晶體諧振器1和超晶格晶體諧振器2的串接點以及超晶格晶體 諧振器2的另一端分別與兩個LC諧振電路的一端連接，兩個LC諧振電路的另一端均連接 公共地端。本實施例的中心頻率是457MHz，帶寬是12MHz。選擇本振周期是7. 8um的兩個超 晶格晶體材料基片，按圖2的方式鍍電極，得到諧振頻率是460MHz，反諧振頻率是467MHz的 兩個超晶格晶體諧振器，作為串聯(lián)支路的諧振器。兩個并聯(lián)支路的LC諧振電路中，串聯(lián)電 容Cl為2. 7pF，串聯(lián)電感Ll為53. 5nH,并聯(lián)電容CO為8pF，所得兩個LC諧振電路的諧振頻 率分別為433MHz，反諧振頻率為484MHz。在460MHz附近，串聯(lián)支路超晶格晶體諧振器工作在諧振點附近，并聯(lián)支路LC諧振 電路工作在反諧振點附近，阻抗最小，構(gòu)成濾波器的通帶。在466MHz、436MHz附近，串聯(lián)支 路超晶格晶體諧振器工作在反諧振點附近，并聯(lián)支路LC諧振電路工作在諧振點附近，阻抗 最大，構(gòu)成濾波器的阻帶。測得所述組合式超晶格晶體濾波器的濾波性能為通帶損耗為 IldB,阻帶損耗29dB(見圖12)。整個超晶格晶體濾波器的尺寸為21mmX 12mmX6mm。將上述組合式超晶格晶體濾波器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整至超 過5W，并工作一段時間后，該濾波器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述組合式超晶格晶體 濾波器的最大功率容量為51實施例五組合式超晶格晶體濾波器B如圖13所示，本實施例的超晶格晶體濾波器完全由超晶格晶體諧振器組成，也稱 之為組合式超晶格晶體濾波器。其包括三個構(gòu)成串聯(lián)支路的超晶格晶體諧振器1、超晶格晶 體諧振器2和超晶格晶體諧振器3，以及四個構(gòu)成并聯(lián)支路的超晶格晶體諧振器4、超晶格 晶體諧振器5、超晶格晶體諧振器6和超晶格晶體諧振器7。所述七個超晶格晶體諧振器均為如上述實施例1所述的單端對超晶格晶體諧振器。本實施例的組合式超晶格晶體濾波器 的具體結(jié)構(gòu)如下超晶格晶體諧振器1、超晶格晶體諧振器2和超晶格晶體諧振器3串聯(lián)， 超晶格晶體諧振器1的另一端作為輸入端，超晶格晶體諧振器3的另一端作為輸出端；超晶 格晶體諧振器1 3組成的串聯(lián)支路的兩端及中間節(jié)點分別連接超晶格晶體諧振器4、超晶 格晶體諧振器5、超晶格晶體諧振器6和超晶格晶體諧振器7，超晶格晶體諧振器4 7的 另一端均連接公共地端。本實施例的中心頻率是277. 8MHz，帶寬是22MHz。選擇本振周期是13. 7um的超 晶格晶體材料基片，按圖2的方式鍍電極，得到諧振頻率是276. 2MHz,反諧振頻率分別是 301. 6MHz,302. 5MHz及300. IMHz的三個超晶格晶體諧振器作為串聯(lián)支路諧振器。選擇周期 是15. Ium的超晶格晶體材料基片，按圖2的方式鍍電極，得到諧振頻率是253. 5MHz，反諧振 頻率分別是276. IMHz,277. 7MHz、276. IMHz及277. 7MHz的四個超晶格晶體諧振器作為并聯(lián) 支路諧振器。在276MHz附近，串聯(lián)支路的三個超晶格晶體諧振器工作在諧振點附近，并聯(lián)支路 的四個超晶格晶體諧振器工作在反諧振點附近，阻抗最小，構(gòu)成濾波器的通帶。在301MHz、 253MHz附近，串聯(lián)支路的三個超晶格晶體諧振器工作在反諧振點附近，并聯(lián)支路的四個超 晶格晶體諧振器工作在諧振點附近，阻抗最大，構(gòu)成濾波器的阻帶。按照圖14的外圍匹配 電路連接在本實施例超晶格晶體濾波器的輸入端和輸出端分別串聯(lián)一個70nH的電感L， 然后測得通帶損耗5. 4dB,阻帶損耗30dB的濾波性能(見圖15)。整個超晶格晶體濾波器 尺寸為 12mmX8mmX3. 5mm0將上述組合式超晶格晶體濾波器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整至超 過5W，并工作一段時間后，該濾波器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述組合式超晶格晶體 濾波器的最大功率容量為51實施例六組合式超晶格晶體濾波器C如圖16所示，本實施例的超晶格晶體濾波器也完全由超晶格晶體諧振器組成，也 稱之為組合式超晶格晶體濾波器。本實施例包括四個構(gòu)成串聯(lián)支路的超晶格晶體諧振器1、 超晶格晶體諧振器2、超晶格晶體諧振器6和超晶格晶體諧振器7，以及三個構(gòu)成并聯(lián)支路 的超晶格晶體諧振器3、超晶格晶體諧振器4和超晶格晶體諧振器5。所述七個超晶格晶體 諧振器均為如上述實施例1所述的單端對超晶格晶體諧振器。本實施例的組合式超晶格晶 體濾波器的具體結(jié)構(gòu)如下超晶格晶體諧振器1和超晶格晶體諧振器2串聯(lián)，超晶格晶體 諧振器6和超晶格晶體諧振器7串聯(lián)，超晶格晶體諧振器1、2組成的串聯(lián)支路的兩端及中 間節(jié)點分別連接超晶格晶體諧振器3、超晶格晶體諧振器4和超晶格晶體諧振器5，超晶格 晶體諧振器3 5的另一端分別接超晶格晶體諧振器6、7組成的串聯(lián)支路的兩端及中間節(jié) 點，超晶格晶體諧振器3的兩端作為平衡輸入端，超晶格晶體諧振器5的兩端作為平衡輸出 端，組成平衡式輸入輸出的組合式超晶格晶體濾波器，其結(jié)構(gòu)完全對稱。本實施例的中心頻率是884. 375MHz，帶寬是12MHz。選擇本振周期是6. 3um的超 晶格晶體材料基片，按圖2的方式鍍電極，得到諧振頻率是885. 6MHz，反諧振頻率分別是 898. IMHz,898. 3MHz、898. 1及898. 2MHz的四個超晶格晶體諧振器作為串聯(lián)支路諧振器。選 擇周期是6. 4um的超晶格晶體材料基片，按圖2的方式鍍電極，得到諧振頻率是869MHz，反 諧振頻率分別是884. 2MHz,884. 5MHz及884. 3MHz的三個超晶格晶體諧振器作為并聯(lián)支路諧振器。通過50ohm平衡輸入輸出測得上述組合式超晶格晶體濾波器的通帶損耗 為3.4dB，阻帶損耗18dB的濾波性能(見圖17)。整個超晶格晶體濾波器尺寸為 12mmX8mmX3. 5mm0將上述組合式超晶格晶體濾波器接在大功率射頻信號發(fā)生器上，當(dāng)功率調(diào)整至超 過5W，并工作一段時間后，該濾波器的幅頻特性出現(xiàn)惡化，因此得到上述組合式超晶格晶體 濾波器的最大功率容量為51以上所述的僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型不限于以上實施例?？?以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實用新型的精神和構(gòu)思的前提下，可以做出其他改進(jìn) 和變化。
權(quán)利要求一種超晶格晶體諧振器，其特征在于有一介電體聲學(xué)超晶格材料的基片，基片的兩面分別鍍有電極。
2.如權(quán)利要求1所述超晶格晶體諧振器，其特征在于所述基片兩面的電極均是單電 極，所述兩個單電極分別作為電輸入端及電輸出端。
3.如權(quán)利要求1所述超晶格晶體諧振器，其特征在于所述基片一面的電極為雙電極， 基片另一面的電極為單電極；所述基片一面的雙電極分別作為電輸入端及電輸出端，所述 基片另一面的單電極連接公共地端。
4.一種超晶格晶體濾波器，其特征在于由包括一介電體聲學(xué)超晶格材料的基片，基 片的兩面分別鍍有電極的超晶格晶體諧振器構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求4所述超晶格晶體濾波器，其特征在于由一個基片一面的電極為雙電 極，基片另一面的電極為單電極的超晶格晶體諧振器構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求4所述超晶格晶體濾波器，其特征在于包括由基片兩面的電極均是單 電極的超晶格晶體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路，還有由并聯(lián)式LC諧振電路構(gòu)成的并聯(lián)支路，所 述并聯(lián)支路的一端接地，另一端分別與所述串聯(lián)支路的輸入端、輸出端以及超晶格晶體諧 振器的串接端連接。
7.如權(quán)利要求6所述超晶格晶體濾波器，其特征在于所述并聯(lián)式LC諧振電路由電容 器支路與電感器和電容器的串聯(lián)支路并聯(lián)連接構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求4所述超晶格晶體濾波器，其特征在于包括由基片兩面的電極均是單 電極的超晶格晶體諧振器構(gòu)成的串聯(lián)支路，還有由基片兩面的電極均是單電極的超晶格晶 體諧振器構(gòu)成的并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的一端接地，另一端分別與所述串聯(lián)支路的輸入 端、輸出端以及超晶格晶體諧振器的串接端連接。
9.如權(quán)利要求4所述超晶格晶體濾波器，其特征在于包括由基片兩面的電極均是單 電極的超晶格晶體諧振器構(gòu)成的兩個串聯(lián)支路，還有由基片兩面的電極均是單電極的超晶 格晶體諧振器構(gòu)成的并聯(lián)支路，所述并聯(lián)支路的兩端分別與所述兩個串聯(lián)支路的輸入端、 輸出端以及超晶格晶體諧振器的串接端連接。
專利摘要超晶格晶體諧振器，包括介電體聲學(xué)超晶格材料的基片，基片的兩面鍍有電極。如兩面的電極均是單電極，構(gòu)成單端對超晶格晶體諧振器；如一面的電極為單電極，另一面為雙電極，構(gòu)成雙端對超晶格晶體諧振器。本實用新型還包括超晶格晶體濾波器，包括由雙端對超晶格晶體諧振器構(gòu)成的單片式超晶格晶體濾波器；或者由單端對超晶格晶體諧振器通過串聯(lián)及并聯(lián)連接方式構(gòu)成的組合式超晶格晶體濾波器；以及由單端對超晶格晶體諧振器通過串聯(lián)連接之后與并聯(lián)式LC諧振電路連接構(gòu)成的組合式超晶格晶體濾波器。上述超晶格晶體諧振器加工方便，上述超晶格晶體濾波器具有高功率、低插入損耗及小尺寸等優(yōu)點。
文檔編號H03H9/56GK201682467SQ201020129899
公開日2010年12月22日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者劉平, 朱永元, 王競宇 申請人:無錫市好達(dá)電子有限公司