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研究生:李計增
研究生(外文):Ji-Tzeng Lee
論文名稱:梯型表面聲波濾波器
論文名稱(外文):The Design of Ladder-Type Surface Acoustic Wave Filter
指導教授:高曜煌
指導教授(外文):Yao-Huang Kao
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:電信工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:80
中文關鍵詞:表面聲波濾波器
外文關鍵詞:Surface Acoustic Wave Filter
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梯型表面聲波濾波器之設計
研究生:李計增 Student:Ji-Tzeng Lee
指導教授:高曜煌 博士 Advisor:Dr. Yao-Huang Kao
國立交通大學電信工程學系碩士班
摘要
本論文利用Mason等效電路模型建立微波模擬平台以方便研究各種超聲波濾波器,並設計單埠和雙埠表面聲波諧振器,其中雙埠表面聲波諧振器中心頻率為110.592 MHz,其量測結果與模擬響應相當吻合。提岀表面聲波諧振器最佳化設計流程,並系統化粹取出其等效電路模型中的各個參數。最後,利用單埠表面聲波諧振器(One-Port SAW Resonator)成功地設計出梯型表面聲波濾波器,其中心頻率為110.592 MHz、未匹配插入損失為 6~9 dB、3 dB頻寬為1.5 MHz、截止頻帶抑制達30~35 dB、波形因子(Shape factor)為1.2~1.3。此設計方法同樣可應用於射頻前端鏡像消除濾波器。

The Design of Ladder-Type Surface Acoustic Wave Filter
Student:Ji-Tzeng Li
Advisor:Dr. Yao-Huang Kao
Institute of Communication
National Chiao Tung University
ABSTRACT
A microwave simulation platform based on Mason model is developed to study conveniently the various acoustic filter structure . To design one-port and two-port surface acoustic wave resonator. The center frequency of the two port SAW resonator is 110.592 MHz .And it has good agreement between our simulation and measurement. Optimum SAW resonator design flow is developed and each of its lump circuit parameter is also extracted systematically .Finally , ladder-type filter is designed successfully using one-port SAW resonator ; The filter’s specification :center frequency is 110.592 MHz 、unmatched insertion loss is about 6~9 dB、stopband rejection is 30~35 dB、shape factor is around 1.2~1.3.This design method can also be applied to RF front end image cancellation filter.

梯型表面聲波濾波器之設計
研究生:李計增 Student:Ji-Tzeng Lee
指導教授:高曜煌 博士 Advisor:Dr. Yao-Huang Kao
國立交通大學電信工程學系碩士班
摘 要
本論文利用Mason等效電路模型建立微波模擬平台以方便研究各種超聲波濾波器,並設計單埠和雙埠表面聲波諧振器,其中雙埠表面聲波諧振器中心頻率為110.592 MHz,其量測結果與模擬響應相當吻合。提岀表面聲波諧振器最佳化設計流程,並系統化粹取出其等效電路模型中的各個參數。最後,利用單埠表面聲波諧振器(One-Port SAW Resonator)成功地設計出梯型表面聲波濾波器,其中心頻率為110.592 MHz、未匹配插入損失為 6~9 dB、3 dB頻寬為1.5 MHz、截止頻帶抑制達30~35 dB、波形因子(Shape factor)為1.2~1.3。此設計方法同樣可應用於射頻前端鏡像消除濾波器。
The Design of Ladder-Type Surface
Acoustic Wave Filter
Student:Ji-Tzeng Li
Advisor:Dr. Yao-Huang Kao
Institute of Communication
National Chiao Tung University
ABSTRACT
A microwave simulation platform based on Mason model is developed to study conveniently the various acoustic filter structure . To design one-port and two-port surface acoustic wave resonator. The center frequency of the two port SAW resonator is 110.592 MHz .And it has good agreement between our simulation and measurement. Optimum SAW resonator design flow is developed and each of its lump circuit parameter is also extracted systematically .Finally , ladder-type filter is designed successfully using one-port SAW resonator ; The filter’s specification :center frequency is 110.592 MHz 、unmatched insertion loss is about 6~9 dB、stopband rejection is 30~35 dB、shape factor is around 1.2~1.3.This design method can also be applied to RF front end image cancellation filter.
誌 謝
首先,感謝高曜煌教授兩年不辭辛勞的苦心指導以及提供良好的研究實驗環境,使實驗能夠順利進行;其次要感謝晶揚科技,王金賢董事長、鄭銘洲先生、劉鶴瑤先生、游麗娟小姐諸位提供表面聲波濾波器設計模擬和量測上寶貴意見,此外感謝晶揚科技提供實驗光罩對於本論文實驗驗證助益良多,本人深存感激。此外也感謝實驗室同學許銘傑、吳丕安、陳威冲、陳喬民、陳雅旻、謝東憲等在生活上的互相照顧和學業上的彼此切磋,讓我留下美好回憶。
最後,感謝我的父母和家人在生活上的支持和關懷,使我能夠在研究時無後顧之憂,還要感謝陪我一同成長的朋友們,謝謝你們對我的鼓舞和關懷,再次感謝 !!
目錄
中文摘要……………………………………………………………i
英文摘要……………………………………………………………ii
誌謝 ………………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………iv
圖目錄 ……………………………………………………………vii
第一章 緒論……………………………………………………1
1.1 表面聲波元件之應用與研究動機 ………………………………1
1.2 表面聲波濾波器之類 ……………………………………………3
1.2.1橫向濾波器…………………………………………………………4
1.2.2同相單向傳播交叉指狀電極………………………………………4
1.2.3共振濾波器…………………………………………………………5
1.2.4耦合共振濾波器……………………………………………………5
1.3 表面聲波元件的基本原理………………………………………5
1.3.1交叉指狀電極的設計.………………………………………………6
1.3.1.1 壓電基板的特性………………………………………………………7
1.3.1.2 基本濾波器之特性……………………………………………………7
1.3.2 表面聲波諧振器……………………………………………………8
1.3.2.1 反射電極之設計………………………………………………………8
1.3.2.2 單埠表面聲波諧振器………………………………………………10
1.3.2.3 雙埠表面聲波諧振器 ……………………………………………10
1.3.2.4 表面聲波諧振器之Q值……………………………………………11
1.3.3梯型表面聲波濾波器之簡介……………………………………12
1.4論文大要說明……………………………………………………12
第二章 表面聲波諧振器之設計………………………………………………19
2.1諧振器之設計流程 ……………………………………………………20
2.2表面聲波諧振器之反射閘極 ……………………………21
2.3表面聲波諧振器之共振環境 ……………………………29
2.4表面聲波諧振器的最佳化設計 …………………………32
2.4.1反射閘極設計最佳化 ……………………………………33
2.4.2反射閘極和輸入輸出交叉指狀電極週期設計最佳化…34
2.4.3反射閘極和輸入輸出交叉指狀電極相位延遲設計最佳37
2.5表面聲波諧振器設計之流程圖…………………………40
2.6 雙埠表面聲波諧振器等效電路參數粹取………………41
2.6.1 雙埠諧振器之原理架構…………………………………41
2.6.2 雙埠諧振器之等效電路…………………………………41
2.6.3 壓電基板之選用…………………………………………43
2.6.4 雙埠表面聲波諧振器等效電路參數萃取流程圖………45
第三章 表面聲波諧振器實驗設計與驗證……………………46
3.1諧振腔(Cavity)實驗---不包含輸入輸出交叉指狀電極46
3.2諧振腔實驗─交叉指狀電極和反射閘極之交互作用…49
3.2.1最佳共振之諧振器(Optimum Resonator)…………………49
3.2.2同步共振之諧振器(Synchronous Resonator)……………51
3.3反射閘極之反射係數量測---RLC等效電路建構………53
3.4諧振器最佳化驗證………………………………………55
3.4.1最佳相位延遲控制 ………………………………………55
3.4.2同位相位延遲控制 ………………………………………57
3.4.3反射閘極反射響應模擬比較………………………………58
3.5打線寄生參數之粹取……………………………………60
第四章 梯型表面聲波濾波器 ………………………………62
4.1梯型表面聲波共振濾波器的架構與設計……………62
4.1.1梯形濾波器構成元件……………………………………62
4.1.2常數k(constant-k)型濾波器…………………………64
4.2梯形濾波器規格設計 …………………………………66
第五章 結論 …………………………………………………70
附錄A Coupling-of-Modes(COM) ………………………71
A.1 中心指狀電極[T]之等效模型 ……………………………………71
A.2 傳輸路徑[D](相位延遲)的等效模型 ……………………………73
A.3 反射電極[G]的等效模型. …………………………………………73
A.4 整個聲波傳輸矩陣[M]之等效 ……………………………………74
參考文獻 ……………………………………………………………76
圖 目 錄
第一章 緒論
圖1.1 基本表面聲波濾波器
圖1.2 表面聲波濾波器基本結構
圖1.3 交叉指狀電極設計圖形
圖1.4 基本雙向指狀電極
圖1.5 雙向指狀電極之功率流(power flow)示意圖
圖1.6 表面聲波濾波器相關重要特性參數
圖1.7 表面聲波反射閘極之結構
圖1.8 表面聲波反射閘極結構,包括:(a)蝕刻凹槽
(b)開路薄膜金屬(c)短路薄膜金屬。
圖1.9 單埠表面聲波諧振器
圖1.10 雙埠表面聲波諧振器
圖1.11 雙埠表面聲波諧振器之重要距離參數
第二章 表面聲波諧振器之設計
圖2.1雙埠表面聲波諧振器重要相關參數
圖2.2(a)反射閘極等效傳輸線模型
圖2.2(b)反射閘極傳輸線模型單一區段
圖2.2(c)反射閘極輸入阻抗特性
圖2.3左上為開路式反射閘極;右上為短路式反射閘極
為其週期, 為入射深度
圖2.4(a)諧振器駐波(短路式反射閘極)
圖2.5 包含SAW共振腔的延遲線(Delay Line)之頻率響應
(a)上圖為共振模態(Resonance Mode) (b)下圖為反共振模態(Anti-Resonance Mode)
圖2.6(a)對稱共振模態(Symmetric Resonance Mode)
(b)非對稱模態(Anti-symmetric Resonance Mode)
(c)反共振模態(Anti-Resonance Mode)
圖2.7反射閘極和輸入輸出交叉指狀電極反射之相位延遲對應
圖2.8(a)交叉指狀電極單獨面對表面聲波反射相位
(b)反射閘極單獨面對表面聲波反射相位 
     (c)交叉指狀電極和反射閘極共同面對表面聲波反射相位
圖2.9表面聲波諧振器RLC等效電路
第三章 表面聲波諧振器實驗設計與驗證
圖3.1反射閘極傳輸線等效模型
圖3.2 諧振腔實驗電路示意圖
圖3.3諧振腔存有非共振模態
圖3.4諧振腔存有共振模態
圖3.5諧振腔存有共振模態細部觀察
圖3.6諧振腔存有共振模態細部觀察
圖3.7 諧振器電路之輸入埠和輸出埠置於IDT同侧
圖3.8諧振器電路之輸入埠和輸出埠置於IDT反侧
圖3.9最佳諧振器輸入埠和輸出埠反相位頻率響應
圖3.10最佳諧振器輸入埠和輸出埠同相位頻率響應
圖3.11同步共振諧振腔,輸入輸出埠置於反側頻率響應
圖3.12同步共振諧振腔,輸入輸出埠置於同一側頻率響應
圖3.13諧振器之RLC等效電路模型(包含打線效應)
圖3.14 RLC等效電路和量測響應之比較
圖3.15 從實線模擬響應曲線和圖3.7比較起來,沒有考慮 造成忽略輸入輸出埠耦合效應,導致模擬並不能切合量測結果
圖3.16最佳相位延遲控制電路設計示意圖
圖3.17表面聲波由T1激發至T3接收,實線為模擬曲線,實線加小方
形為量測曲線,實線加小三角形為轉換後反射閘極反射效果曲線
圖3.18表面聲波由T2激發至T3接收,實線為模擬曲線,實線加小正
方形為量測曲線,實線加小三角形為反射閘極反射效果曲線
圖3.19表面聲波由T1激發至T3接收,實線為模擬曲線,實線加小正
方形為量測曲線,實線加小三角形為反射閘極反射效果曲線
圖3.20表面聲波由T1激發至T3接收,實線為模擬曲線,實線加小正
方形為量測曲線,實線加小三角形為反射閘極反射效果曲線
圖3.21最佳反射點反射係數量測:實線為模擬曲線,實線加小正方形為量測曲線
圖3.22同步反射點反射係數量測:實線為模擬曲線,實線加小正方形為量測曲線
圖3.23諧振器等效RLC電路(含打線效應)
圖3.24 共有四個點需要打線兩個接地兩個分接入輸出埠
輸入輸出再分別接上SMA接頭
第四章 梯型表面聲波濾波器
圖4.1 梯形濾波器二階單元
圖4.2 LE1和LE2 之 和 和濾波器頻率分布圖
圖4.3 常數k型濾波器
圖4.4 五階梯形濾波器結構圖
圖4.5 梯形濾波器五階:包含三個串聯諧振器和兩個並聯諧振器
圖4.6 實線表示並聯諧振器 響應;實線加小三角形為串聯諧振器 響應; 實線加小正方形為梯形濾波器 響應
參考文獻
第一章:
[1] 朱慕道,”表面聲波原理與應用”,新電子-光電元間專輯,1994三月,p183~p186
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[14] C. K. Campbell , “Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications”, 1998, p296.
[15] C. K. Campbell , “Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications”, 1998, p305.
第二章
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[27] P. S. Cross.,”Properties of Reflective Arrays for Surface Acoustic Resonators” Trans. on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-23, No.4,pp. 255-262, July 1976.
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[29] 今野芳啟,西山茂雄,”VHF ,UHF帶SAW共振子”
[30] J.S.Schoenwald,R.C. Rosenfeld E.J.Staples ,” Equivalent Circuit Model Extraction of SAW Resonator” ,IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, pp.253-256, 1974
[31] K.Park , D.Malocha ,M.Belkerdid ,”Quartz Crystal Resonator Model Measurement and Sensitivity Analysis”, 43rd Annual Symposium on Frequency Control-1989
[32] B.H. Horine,D.C. Malocha ,” Equivalent Circuit Model Extraction of SAW Resonator” , IEEE Ultrasonics Symposium,1990
[33] B.D.Anderson,M.Cavin, M.A.Belkerdid, D.C. Molocha,”Sensitivity Analysis of One Port BAW and SAW Resonator Model Parameters”, IEEE Ultrasonics Symposium,1990
[34] T.S. Hickernell ,”The Dependencies of SAW-Transducer Equivalent-Circuit-Model Parameters On Transducer Geometry”, IEEE Ultrasonics Symposium,1997
[35] M.Cavin,N.Eisenhauer,D.C.Malocha ,’ Parameter Extraction of SAW Resoantor Equivalent Circuit Parameters and Package parasitics”,IEEE Frequency Control Symposium ,1992
第三章
[36] P.M. Smith,C. K. Campell and P.J. Edmonson , “ Measurements of the Complex Impulse Response of Two-port SAW Resonators” , IEEE Ultrasonics Symposium , pp.262-265, 1985
[37] P.V. Wright “ Modeling and Experimental Measurements of The reflection properties of SAW Metallic Gratings”, IEEE Ultrasonics Symposium, pp.54-63 1984
[38] Jiro Temmy , T. Inamua, S. Yoshikawa , ” Time Domain Observation of SAW Reflection from a Free Aluminum Metallized Interface on “ , Trans. on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-23, No.4,pp. 47-63, July 1981.
[39] P.S.Cross, R.V. Schmidt ,” Coupled Surface-Acoustic_Wave Resonators”, The Bell System technical Journal, Vol 56,No.8,October 1977
第四章
[40]O.Ikata,Y.Satoh,H.Uchishiba,H.Taniguchi,N.Hirasawa,K.Hashimoto,and H.Ohmori " Development of Small Antenna Duplexer using SAW Filters for Handheld Phones” , IEEE Ultrasonics Symposium, pp.111-114, 1993.
[41]O.Ikata,T.Miyashita,T.Matsuda,T.Nishihara,andY.Satoh ,”Development of Low-loss Band-pass Filters using SAW Resonators for Portable Telephones”, IEEE Ultrasonics Symposium, pp.111-115, 1992.
[42] S. N. Kondratiev and T. Thorvaldsson , “ High rejection Impedance element SAW Filters released on Quartz and substrates ” , IEEE Ultrasonics Symposium, pp.109-112, 2000.
[43] C. K. Campbell , “Surface Acoustic Wave Devices for Mobile and Wireless Communications”, 1998, p380~p384

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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